準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖強化致密封堵水基鉆井液技術(shù)

劉均一，柴金鵬，李光泉，王寶田

（1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257100；2.中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841000；3.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100029）

準(zhǔn)噶爾盆地已探明油氣當(dāng)量超過100×108t，已成為中國石化西部新區(qū)“增儲上產(chǎn)”的重要戰(zhàn)略接替領(lǐng)域[1-3]。但準(zhǔn)噶爾盆地油氣儲層埋藏較深，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，面臨諸多鉆井工程技術(shù)難題，嚴(yán)重影響了該盆地油氣勘探開發(fā)的綜合效益[4-6]。其中，高地應(yīng)力條件下硬脆性頁巖地層易井壁失穩(wěn)，極易誘發(fā)井壁坍塌、起下鉆遇阻和卡鉆等井下故障。同時，山前構(gòu)造帶地應(yīng)力強且復(fù)雜，鉆井液安全密度窗口窄，進(jìn)一步加劇了硬脆性頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題[7-8]。統(tǒng)計資料表明，準(zhǔn)噶爾盆地油氣鉆探開發(fā)中存在井壁失穩(wěn)問題的井約占50%以上，每年由此造成的經(jīng)濟損失超8 000萬元[9]。因此，硬脆性頁巖地層井壁失穩(wěn)問題已經(jīng)成為制約準(zhǔn)噶爾盆地油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

為了解決硬脆性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題，專家學(xué)者陸續(xù)研發(fā)了一系列防塌鉆井液：余加水等人[10]采用高濃度的包被劑，配合氯化鉀的強抑制作用、超細(xì)碳酸鈣及乳化瀝青的強封堵作用，達(dá)到了穩(wěn)定白堊系和侏羅系泥巖地層井壁的效果；劉四海等人[11]針對南緣山前構(gòu)造硬脆性泥頁巖破碎帶剝落掉塊的問題，開發(fā)了具有強抑制和強封堵作用的鉀鹽-石灰-聚合物鉆井液，但需要嚴(yán)格控制有害固相含量，對現(xiàn)場固控設(shè)備要求較高；邱春陽等人[12]利用滲透成膜封堵劑、瀝青防塌劑和超細(xì)碳酸鈣的協(xié)同增效作用，強化封堵硬脆性泥頁巖地層的微裂縫，并利用有機胺、KPAM增強鉆井液的抑制性，取得了較好的井壁穩(wěn)定效果。綜合上述分析可知，現(xiàn)有防塌鉆井液主要通過優(yōu)化物理封堵與化學(xué)抑制性能來強化鉆井液的井壁穩(wěn)定性能，缺乏對硬脆性頁巖微納米尺度組構(gòu)表征的研究，造成鉆井液“多尺度”致密封堵性能優(yōu)化缺少依據(jù)。

為此，筆者針對準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題，在研究硬脆性頁巖微納米尺度組構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，探討了基于多尺度封堵協(xié)同穩(wěn)定井壁的技術(shù)對策，構(gòu)建了分別適用于開發(fā)井與探井的多尺度致密封堵水基鉆井液，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，為解決準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題提供了技術(shù)支撐。

1 基于多尺度封堵協(xié)同穩(wěn)定井壁的技術(shù)對策

選用準(zhǔn)噶爾盆地清水河組、頭屯河組頁巖巖樣，采用X-射線衍射方法分析了其礦物組成，利用掃描電子顯微鏡與氮氣吸附試驗分析了其組構(gòu)特征。從礦物組成分析結(jié)果（見表1和表2）可看出，清水河組和頭屯河組頁巖巖樣的黏土礦物以伊/蒙混層為主，且伊/蒙混層與伊利石含量大于90%，巖石脆性指數(shù)平均為56.06%，屬于典型的硬脆性頁巖。由掃描電子顯微鏡掃描結(jié)果（見圖1）和氮氣吸附試驗結(jié)果（見圖2）可知，清水河組和頭屯河組地層微裂縫發(fā)育，縫隙開度的分布范圍為0.24～5.93 μm；同時發(fā)育大量的納米裂隙，裂隙直徑平均為14.48 nm。綜合上述分析可知，準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖的微觀組構(gòu)具有“裂隙（納米）-微裂縫（微米）”的多尺度特征，其中硬脆性頁巖地層微裂縫與納米裂隙是鉆井液進(jìn)入地層的天然通道，也是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

表2 準(zhǔn)噶爾盆地清水河組、頭屯河組頁巖黏土礦物分 析結(jié)果Table 2 Clay mineral analysis results of shales of Qingshuihe Formation and Toutunhe Formation in Junggar Basin

圖1 硬脆性頁巖的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of hard and brittle shales

因此，針對準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖的微納米尺度縫隙發(fā)育特征，根據(jù)多元協(xié)同井壁穩(wěn)定理論[13]，采取基于多尺度封堵協(xié)同穩(wěn)定井壁的技術(shù)對策，即強化鉆井液對硬脆性頁巖的“多尺度”致密封堵性能，增強鉆井液抑制頁巖表面水化的能力，確定合理鉆井液密度實現(xiàn)有效應(yīng)力支撐井壁，實現(xiàn)協(xié)同強化穩(wěn)定井壁，為準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖井壁穩(wěn)定鉆井液優(yōu)化提供依據(jù)。

1.1 多尺度致密封固井壁

對于微納米尺度縫隙發(fā)育的硬脆性頁巖地層，加強鉆井液封堵-固結(jié)井壁能力，阻止鉆井液壓力傳遞與濾液侵入，是實現(xiàn)硬脆性頁巖地層井壁穩(wěn)定“標(biāo)本兼治”的關(guān)鍵技術(shù)措施[14]。但常用封堵劑的粒徑多處于微米尺度，超細(xì)碳酸鈣、瀝青等難以匹配硬脆性頁巖“裂隙（納米）-微裂縫（微米）”的多尺度封堵要求，無法進(jìn)入頁巖內(nèi)部形成致密封堵層[15-17]。D-3井三開鉆遇清水河組硬脆性頁巖地層時，先后采用超細(xì)碳酸鈣、瀝青、成膜劑和聚合醇等多種封堵劑來提高鉆井液的封堵防塌性能，但仍無法滿足封堵微納米尺度縫隙的要求，頻繁出現(xiàn)井壁掉塊、起下鉆遇阻和沉砂卡鉆等復(fù)雜情況，清水河組井段的平均井徑擴大率高達(dá)21.89%。

圖2 硬脆性頁巖的氮氣吸附孔徑分布曲線Fig.2 Pore size distribution curve of nitrogen adsorption in hard and brittle shales

因此，優(yōu)先選用納米封堵劑、化學(xué)封堵劑等，加強鉆井液“物理封堵、化學(xué)固結(jié)”井壁的能力[18]，快速有效地封固頁巖微裂縫與納米裂隙，達(dá)到“多尺度”致密封堵效果，一方面能夠阻緩鉆井液壓力傳遞和濾液侵入，減弱頁巖表面水化效應(yīng)，盡可能地保持近井壁巖石的原有強度，另一方面也為合理密度鉆井液有效應(yīng)力支撐井壁提供必要條件。

1.2 有效應(yīng)力支撐井壁

巖石力學(xué)分析表明，硬脆性頁巖地層井壁坍塌失穩(wěn)的主要原因是鉆井液流體壓力較低，即鉆井液密度偏低，井壁巖石所受應(yīng)力超過其抗剪切強度，從而產(chǎn)生剪切破壞所造成的，一般表現(xiàn)為剪切破壞而井壁剝落掉塊，造成井徑擴大、起下鉆遇阻和卡鉆等井下故障[19]。因此，前期探井鉆井過程中，由于缺乏鉆井液密度等重要的鄰井資料，現(xiàn)場施工時只能通過提高鉆井液密度來改善井壁失穩(wěn)；但由于硬脆性頁巖微納米尺度縫隙發(fā)育，鉆井液封固井壁能力不足，單純通過提高鉆井液密度來維持井壁穩(wěn)定，會進(jìn)一步加劇鉆井液壓力傳遞與濾液侵入，促進(jìn)頁巖水化，產(chǎn)生更顯著的水化應(yīng)力，反而削弱了有效應(yīng)力支撐井壁的作用。D-21井三開井段鉆進(jìn)頭屯河組時，振動篩返出大量井壁掉塊，頻繁通過提高鉆井液密度來維持井壁穩(wěn)定，但瀝青、超細(xì)碳酸鈣等封堵劑的加量明顯不足，形成了“井壁失穩(wěn)—提高鉆井液密度—失穩(wěn)加劇—再提高鉆井液密度”的惡性循環(huán)。D-21井鉆至井深4 087.00 m時發(fā)生井塌卡鉆，解卡無效后只能填井側(cè)鉆。

因此，保證井壁力學(xué)穩(wěn)定性的必要條件是利用已鉆鄰井實測地層壓力、地層破裂壓力試驗等資料，精準(zhǔn)預(yù)測地層壓力、坍塌壓力和破裂壓力剖面，確定合理的鉆井液安全密度窗口，通過有效應(yīng)力支撐井壁。但值得注意的是，加強鉆井液“物理封堵、化學(xué)固結(jié)”井壁的能力，是合理密度鉆井液提供有效應(yīng)力支撐井壁的關(guān)鍵。

1.3 強化抑制頁巖表面水化

前期采用復(fù)合鹽水鉆井液，由于其中的氯化鉀、氯化鈉能增強鉆井液的水化抑制性能，一定程度上改善了準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題。因此，優(yōu)先選用氯化鉀、氯化鈉作為低成本復(fù)合無機鹽抑制劑，一方面可以提高鉆井液的抑制性能，另一方面還可以降低鉆井液的水活度，發(fā)揮有限化學(xué)活度平衡防塌作用。此外，重點探井鉆井施工時，為了盡量避免復(fù)合鹽水對電阻率測井精度的影響，優(yōu)選采用新型聚胺強抑制劑[20]，增強鉆井液的水化抑制性能。

2 多尺度致密封堵水基鉆井液

基于以多尺度致密封堵為核心的協(xié)同穩(wěn)定井壁技術(shù)對策，在現(xiàn)用聚合物鉆井液基礎(chǔ)上，重點優(yōu)化了鉆井液的多尺度封堵與抑制性能，構(gòu)建了適用于開發(fā)井的多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-1、適合于探井的多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-2，并評價了鉆井液YHDF-1和YHDF-2的流變性、濾失性、封堵防塌和水化抑制性能。

2.1 鉆井液構(gòu)建

選用納米封堵劑WS-1（D50為160 nm）、鋁基化學(xué)封堵劑DLP-1，發(fā)揮納米封堵劑WS-1“吸附-架橋-填充”和化學(xué)封堵劑DLP-1“沉淀-固結(jié)-封堵”協(xié)同增效作用封堵納米裂隙[21]，同時配合使用瀝青類封堵防塌劑SDOS、粒徑級配超細(xì)碳酸鈣QS-2封堵頁巖微裂縫，實現(xiàn)“多尺度”致密封堵效果。選用聚胺強抑制劑SDJA增強鉆井液的抑制性，保證探井鉆井液的抑制性；KCl和NaCl復(fù)合使用，提高開發(fā)井鉆井液的抑制性能。

通過配伍性評價及處理劑加量優(yōu)化，構(gòu)建了多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-1（適用于開發(fā)井）和YHDF-2（適用于探井）。YHDF-1的基本配方為4.00%膨潤土漿+0.50%NaOH+0.15%FA36+3.00%SMP-II+3.00%SPNH+2.00%SDOS+2.50%WS-1+1.00%DLP-1+5.00%NaCl+3.00%KCl+5.00%QS-2+3.00%LUBE+2.00%SF260，可以根據(jù)鉆井需要用重晶石調(diào)整密度。YHDF-2的基本配方為4.00%膨潤土漿+0.50%NaOH+0.15%FA367+3.00%SMP-II+3.00%SPNH+2.00%SDOS+2.50%WS-1+1.00%DLP-1+0.70%SDJA-2+5.00%QS-2+3.00%LUBE+2.00%SF260，可以根據(jù)鉆井需要用重晶石調(diào)整密度。

2.2 性能評價

2.2.1 流變性和濾失性

采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計和中壓濾失儀評價密度1.6 kg/L鉆井液YHDF-1和YHDF-2的流變性和濾失性能，結(jié)果見表3。由表3可知，鉆井液YHDF-1和YHDF-2的黏度和切力老化前后變化很小，老化后的API濾失量小于3.0 mL，高溫高壓濾失量小于7.0 mL。這說明鉆井液YHDF-1、YHDF-2的流變性和降濾失性良好，其抗溫能力可達(dá)150 ℃，能滿足準(zhǔn)噶爾盆地鉆井對鉆井液流變性和濾失性的要求。

2.2.2 封堵防塌性

1）滲透性砂盤封堵試驗。利用滲透性封堵試驗裝置（permeability plugging appertus，PPA），選用滲透率為400 mD的砂盤，在150 ℃/7.0 MPa條件下評價鉆井液YHDF-1和YHDF-2的滲透性封堵性能，結(jié)果見圖3。由圖3（a）可知，現(xiàn)用聚合物鉆井液QFD的PPA濾失量達(dá)39.2 mL，而鉆井液YHDF-1和YHDF-2的PPA濾失量僅為17.8和13.2 mL。

由圖3（b）可知：現(xiàn)用聚合物鉆井液QFD的瞬時濾失量為5.0 mL，靜態(tài)濾失速率為2.8 mL/min1/2；鉆井液YHDF-1和YHDF-2的瞬時濾失量分別為0.7和1.0 mL，靜態(tài)濾失速率分別為1.6 和1.0 mL/min1/2。上述分析可知，鉆井液YHDF-1和YHDF-2具有良好的滲透性封堵性能，能夠快速地封堵微納米尺度孔隙與裂縫，增強井壁穩(wěn)定性。

表3 鉆井液流變性和濾失性評價結(jié)果Table 3 Evaluation results of rheology and filtration of drilling fluids

圖3 鉆井液滲透性封堵性能評價結(jié)果Fig.3 Evaluation results of permeability and plugging performance of drilling fluids

2）壓力傳遞試驗。選用準(zhǔn)噶爾盆地天然硬脆性頁巖巖樣，采用泥頁巖水化-力學(xué)耦合模擬試驗裝置，評價了鉆井液YHDF-1、YHDF-2的“多尺度”封堵性能，結(jié)果見圖4。由圖4可知：當(dāng)上游、下游試驗流體都為3%NaCl溶液時，下游流體壓力迅速增大，僅需要0.8 h左右就可以完全“穿透”巖樣，即上游、下游壓力相等；當(dāng)上游試驗流體更換為現(xiàn)用聚合物鉆井液QFD后，上游流體壓力“穿透”頁巖巖樣所需時間增長至8.4 h；當(dāng)上游試驗流體更換為鉆井液YHDF-1和YHDF-2后，上游流體壓力“穿透”頁巖巖樣所需時間均大幅增長，分別為14.7和12.5 h。

圖4 壓力傳遞曲線Fig.4 Pressure transmission test curves

計算頁巖巖樣滲透率可知，頁巖巖樣的原始滲透率為4.12×10-7D，用鉆井液QFD作用后，頁巖巖樣滲透率降至8.69×10-8D；用鉆井液YHDF-1和YHDF-2作用后，頁巖巖樣滲透率降至2.86×10-8和4.03×10-8D，滲透率降低率達(dá)90%以上。綜上所述，微納米封堵劑WS-1與化學(xué)封堵劑DLP-1等協(xié)同作用，強化了鉆井液YHDF-1和YHDF-2的“多尺度”封堵性能，能夠有效封堵硬脆性頁巖微納米裂隙，阻緩鉆井液壓力傳遞及濾液侵入，增強井壁穩(wěn)定性。

2.2.3 水化抑制性能

選用準(zhǔn)噶爾盆地天然硬脆性頁巖巖屑，測定其在清水、鉆井液YHDF-1和YHDF-2中的滾動回收率，結(jié)果為：天然硬脆性頁巖巖屑在清水、鉆井液YHDF-1和YHDF-2中的滾動回收率分別為30.06%，95.53%和95.67%。這表明，鉆井液YHDF-1和YHDF-2抑制頁巖水化分散的性能較強。選用二級標(biāo)準(zhǔn)膨潤土制作巖樣，測定其在清水、鉆井液YHDF-1和YHDF-2中的8 h線性膨脹率，膨潤土巖樣在清水中迅速水化膨脹，8 h線性膨脹率超過55%，在鉆井液YHDF-1和YHDF-2中的8 h線性膨脹率僅分別為2.75%和3.75%。綜合分析上述試驗結(jié)果，鉆井液YHDF-1和YHDF-2具有良好的抑制頁巖水化分散、膨脹的性能。此外，聚胺強抑制劑SDJA或復(fù)合無機鹽抑制劑都能抑制硬脆性頁巖水化，可以解決重點探井鉆井時復(fù)合鹽水鉆井液影響電阻率測井的問題。

3 現(xiàn)場試驗

多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-1和YHDF-2分別在準(zhǔn)噶爾盆地評價井D-72井、預(yù)探井D-12井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，均未發(fā)生與井壁穩(wěn)定相關(guān)的井下故障，硬脆性頁巖地層井段的平均井徑擴大率小于10.0%，較好地解決了準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題。

D-72井為部署在準(zhǔn)噶爾盆地阜康凹陷東部北斜坡的一口評價直井，設(shè)計完鉆井深4 360.00 m。D-72井三開鉆遇清水河組和頭屯河組，而清水河組和頭屯河組發(fā)育棕紅色泥巖、褐色泥頁巖、灰綠色泥頁巖，微裂縫發(fā)育，巖性硬脆，水化分散性強，井壁穩(wěn)定性差，極易發(fā)生井壁掉塊，嚴(yán)重影響鉆井時效。該井三開開鉆前調(diào)整鉆井液性能，利用固控設(shè)備凈化鉆井液，將鉆井液中膨潤土含量控制在30～40 mg/L，漏斗黏度控制在60～65 s，逐步轉(zhuǎn)換成多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-1;進(jìn)入清水河組前，一次加入2%～3%微納米封堵劑WS-1、2%～3%封堵防塌劑SDOS和3%～5%超細(xì)碳酸鈣QS-2等，提高鉆井液的“多尺度”封堵性能，封堵頁巖、煤層的微裂縫；根據(jù)鉆遇地層情況，及時調(diào)整鉆井液密度，鉆進(jìn)清水河組、頭屯河組和西山窯組時的鉆井液密度分別為1.55，1.58 和1.63 kg/L，實現(xiàn)有效應(yīng)力支撐穩(wěn)定井壁。同時，適當(dāng)提高鉆井液的黏度、切力和動塑比，以提高鉆井液的攜巖能力，保證井眼清潔。D-72井三開鉆進(jìn)過程中未發(fā)生與井壁穩(wěn)定相關(guān)的井下故障，起下鉆暢通無阻，電測一次成功率100%。該井頭屯河組井段的井徑擴大率最大為9.95%，平均為6.78%；而鄰井D-2井未應(yīng)用鉆井液YHDF-1，頭屯河組井段的井徑擴大率最大為146.51%，平均為29.28%。

D-12井是部署在準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷阜康凹陷東部斜坡帶的一口重點預(yù)探直井，設(shè)計完鉆井深4 520.00 m。該井三開鉆遇清水河組、頭屯河組，而清水河組、頭屯河組發(fā)育紫紅色泥頁巖、褐紅色泥頁巖，具有較強的水化膨脹、分散性能，且發(fā)育不同尺度的微裂縫-裂隙，局部地應(yīng)力較強，會加劇井壁失穩(wěn)問題。因此，該井三開采用多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-2，三開鉆進(jìn)過程中鉆井液的流變性和濾失性能穩(wěn)定，鉆井施工順利，未發(fā)生與井壁穩(wěn)定相關(guān)的井下故障，電測一次成功率100%，清水河組井段的井徑擴大率平均為7.96%，頭屯河組井段的井徑擴大率平均為9.86%。這表明鉆井液YHDF-2能抑制硬脆性頁巖水化分散、膨脹，封堵硬脆性頁巖中的微裂縫與納米裂隙。

4 結(jié) 論

1）提出了基于多尺度封堵協(xié)同穩(wěn)定井壁的技術(shù)對策，構(gòu)建了多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-1和YHDF-2。

2）現(xiàn)場試驗效果表明，多尺度致密封堵水基鉆井液YHDF-1和YHDF-2可以解決準(zhǔn)噶爾盆地硬脆性頁巖井壁失穩(wěn)的問題。