頁巖地層井筒穩(wěn)定性的化學(xué)和力學(xué)研究

王澤華

（大慶鉆探鉆井液技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目經(jīng)理部，黑龍江 大慶 163411）

1 概述

全球約75%的鉆探地層為頁巖地層，對(duì)水基泥漿具有高度敏感性。這些地層粘土含量高，存在相關(guān)的井眼不穩(wěn)定性問題。當(dāng)富含粘土的巖石遇水時(shí)，開始起反應(yīng)成松散狀態(tài)。不同類型粘土的反應(yīng)程度、機(jī)理和結(jié)果不同。由于不同區(qū)域的頁巖具有不同的粘土礦物學(xué)性質(zhì)，因此當(dāng)遇水時(shí)，每個(gè)頁巖帶的反應(yīng)通常不同。

除了膨脹和分散之外，鉆遇頁巖地層時(shí)，造成井眼不穩(wěn)定性的另一個(gè)原因是井眼周圍應(yīng)力的干擾。井眼周圍的應(yīng)力可分解為三個(gè)主要應(yīng)力：垂直應(yīng)力、最小水平應(yīng)力和最大水平應(yīng)力。這些應(yīng)力的改變?nèi)Q于幾個(gè)因素，如鉆井液的靜水壓力、膨脹和水化壓力以及用于支撐井壁的過平衡壓力。由于頁巖基質(zhì)的低滲透性和高毛細(xì)吸力，當(dāng)在超平衡壓力下鉆遇頁巖時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種稱為泥漿壓力滲透的現(xiàn)象。少量流體滲透到井眼中，使孔隙流體壓力增加，引起井眼不穩(wěn)定性。

為了解頁巖鉆井液與水基鉆井泥漿接觸時(shí)的相互作用機(jī)制，必須從形態(tài)學(xué)和礦物學(xué)角度對(duì)頁巖進(jìn)行表征。頁巖鉆井液相互作用的評(píng)估對(duì)于減輕由于頁巖反應(yīng)性和敏感性引起的井眼不穩(wěn)定性問題至關(guān)重要。行業(yè)中有不同的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法可用于評(píng)估頁巖反應(yīng)性，并提前預(yù)測(cè)潛在問題。因此，抑制機(jī)制可用于抑制頁巖—水的相互作用，并減少與活性頁巖地層相關(guān)的非生產(chǎn)時(shí)間。

2 粘土類型

粘土主要有五類：高嶺石、蒙脫石、伊利石、蛭石和綠泥石，前三類與鉆井活動(dòng)最相關(guān)。粘土結(jié)構(gòu)由含有原子平面的薄片組成。這些薄片是四面體或八面體。高嶺石結(jié)構(gòu)的排列方式為：一個(gè)四面體片之后是一個(gè)八面體片，比例為1∶1。對(duì)于其他類型的粘土，每個(gè)八面體片以1∶2 的比例夾在兩個(gè)四面體片之間。粘土為中性，即陰離子數(shù)等于陽離子數(shù)，以避免與水或水基泥漿發(fā)生任何相互作用。相反地，夾層材料如單個(gè)陽離子或水合陽離子將起到中和粘土的作用。粘土結(jié)構(gòu)的變化是控制每種粘土類型在遇水時(shí)對(duì)水化過程反應(yīng)的因素之一。除石英和其他礦物外，每個(gè)頁巖樣品都含有一定比例的一種或多種粘土。因此，頁巖樣品的礦物學(xué)性質(zhì)決定了其遇水時(shí)的反應(yīng)。例如，砂巖的滲透率在達(dá)西至毫達(dá)西范圍內(nèi)，而粘土的滲透率在微達(dá)西或納米達(dá)西范圍內(nèi)。

Frenkel和Levy（1992）進(jìn)行了一項(xiàng)研究，測(cè)試高嶺石、伊利石和蒙脫石的分散趨勢(shì)。粘土堆積成柱狀，鉆井液在粘土中循環(huán)。含有陰離子的鉆井液在破壞和分散水相中的粘土方面起著積極作用。監(jiān)測(cè)流出物中每種粘土類型的飽和度。隨著飽和度的增加，粘土有更高的分散趨勢(shì)。結(jié)果表明，高嶺石分散性最高，其次是伊利石，而蒙脫石分散性不高。

3 頁巖鉆井問題

使用非抑制性鉆井液鉆探頁巖地層通常會(huì)導(dǎo)致井眼不穩(wěn)定問題，如井眼坍塌、縮徑。這些問題主要是由于頁巖鉆井液相互作用引起的，如遇水膨脹或分散。例如，當(dāng)頁巖膨脹時(shí)，井眼直徑變小，可能導(dǎo)致縮徑，進(jìn)而可能出現(xiàn)卡鉆問題。

膨脹是粘土顆粒由于水化而膨脹。粘土由鋁硅酸鹽薄片組成。帶負(fù)電荷的離子集中在頁巖表面，而帶正電荷的離子則集中在邊緣。由于負(fù)電荷濃度高，將發(fā)生陽離子交換，其中正電荷離子吸附在表面上。由于粘土帶負(fù)電，因此需要層間陽離子來中和粘土，發(fā)生陽離子交換反應(yīng)。這導(dǎo)致各層之間的間距增加，進(jìn)而引起粘土膨脹。滲透膨脹是由于頁巖流體和鉆井液的鹽度差異造成的。對(duì)于低鹽度鉆井液，水傾向于移動(dòng)并擴(kuò)散到高鹽度頁巖中，從而使頁巖顆粒水合。水的吸收還產(chǎn)生了具有排斥勢(shì)的雙電層，導(dǎo)致粘土基質(zhì)膨脹。

3.1 頁巖試驗(yàn)方法

應(yīng)從巖芯、鉆屑或露頭中獲取具有代表性的頁巖樣品。頁巖樣品應(yīng)首先通過描述層理和沉積結(jié)構(gòu)、顏色和現(xiàn)有裂縫來表征，應(yīng)使用X射線衍射、薄片法和掃描電子顯微鏡等不同技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步表征。此外，應(yīng)使用陽離子交換容量和水活度試驗(yàn)評(píng)估頁巖反應(yīng)性。之后，應(yīng)采用一系列使用不同鉆井液的測(cè)試方法來評(píng)估頁巖—泥漿相互作用。

3.2 溶脹試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是測(cè)量頁巖樣品暴露于鉆井液后的膨脹趨勢(shì)。在向測(cè)試儀儲(chǔ)層填充待測(cè)鉆井液后，可將特定尺寸的天然或露頭頁巖樣品或重組頁巖顆粒放入線性溶脹測(cè)試儀中。當(dāng)頁巖顆粒與鉆井液接觸時(shí)，開始膨脹。通過測(cè)量樣品體積的增大或樣品的線性膨脹來估量溶脹。最終溶脹百分比的高值表明鉆井液對(duì)溶脹的抑制性較差。

3.3 分散試驗(yàn)

該測(cè)試測(cè)量頁巖樣品遇鉆井液后的分散趨勢(shì)。通過在熱軋槽中用待測(cè)鉆井液軋制預(yù)定量的特定大小的頁巖巖屑來進(jìn)行。在150°F下將熱軋槽熱軋16h后，在篩上回收頁巖巖屑，在105°C 下在烘箱中洗滌和干燥24h。然后，對(duì)樣品進(jìn)行稱重，以確定巖屑回收率。由于大量巖屑不分散，巖屑回收率的高值表明對(duì)分散的高抑制性。

3.4 崩解耐久性試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，頁巖樣品遇水后，測(cè)量其分散趨勢(shì)。崩解耐久性試驗(yàn)類似于分散試驗(yàn)，但在更惡劣的條件下進(jìn)行。將預(yù)定量的特定大小的頁巖巖屑放入籠中。籠子里有一個(gè)濾網(wǎng)，并浸入待測(cè)試的鉆井液中。然后，旋轉(zhuǎn)籠子，當(dāng)巖屑水合時(shí)，巖屑分解、分散到鉆井液中，并通過濾網(wǎng)過篩。巖屑回收率的高值表明對(duì)分散具有良好的抑制作用。

3.5 體硬度試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是測(cè)量遇鉆井液后頁巖巖屑的硬度。頁巖巖屑在150°F 下在鉆井液中熱軋16h。然后，將其回收并洗滌。體硬度測(cè)試儀基本上是一種扭矩裝置，用于放置回收的鉆屑并通過帶孔的板材擠壓。高極限扭矩值是硬鉆屑的體現(xiàn)，而硬鉆屑具有良好的抑制性。

3.6 頁巖膜試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是測(cè)量鉆井液在牽引頁巖孔隙以降低滲透率和提高頁巖膜效率方面的性能。通過用鹽水飽和頁巖樣品進(jìn)行測(cè)試，鹽水具有與頁巖基質(zhì)流體相同的鹽度。在開始試驗(yàn)的飽和階段之前，將樣品密閉在測(cè)試單元格中，以模擬地下密閉狀態(tài)。飽和后，循環(huán)鉆井液淹沒頁巖樣品底部，產(chǎn)生滲透吸力效應(yīng)?？梢詼y(cè)量出由于水從頁巖基質(zhì)中排出而產(chǎn)生的壓降。頁巖基質(zhì)壓力的顯著降低表明在頁巖鉆井液界面形成了良好的膜效應(yīng)。在試驗(yàn)期間，活性差異和孔隙度降低的特征使水從頁巖基質(zhì)中排出，從而提高頁巖的機(jī)械穩(wěn)定性。

3.7 機(jī)械因素

本節(jié)從機(jī)械角度探討頁巖與鉆井液的相互作用，并將影響頁巖地層井筒穩(wěn)定性的化學(xué)和機(jī)械因素聯(lián)系起來。這些因素包括但不限于：含水量和活性、膜效率、陽離子交換容量、粘土含量、礦物成分、泥漿類型和性質(zhì)、孔隙壓力、鉆孔周圍應(yīng)力和地質(zhì)環(huán)境。例如，水進(jìn)入頁巖地層會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力增加，巖石強(qiáng)度降低，從而可能導(dǎo)致巖石破裂。

如果巖石—流體相互作用改變了近井筒地應(yīng)力，并對(duì)井壁施加超過巖石強(qiáng)度的應(yīng)力，巖石開始變形，最終破裂。頁巖被視為軟巖。即使有抑制性泥漿，由于原地應(yīng)力的變化，頁巖也可能發(fā)生壓縮破壞。

Mody和Hale研究了泥頁巖相互作用的理化性能，提出了一個(gè)完整的鉆孔穩(wěn)定性模型。他們認(rèn)為，水的運(yùn)動(dòng)主要由兩種機(jī)制控制：井筒壓力和孔隙壓力之間的水壓差，以及鉆井液和孔隙流體之間的化學(xué)勢(shì)差。根據(jù)鉆井液活性，水會(huì)流入或流出頁巖地層，因此，鉆孔周圍的應(yīng)力和巖石強(qiáng)度以及孔隙壓力都會(huì)受到影響。

3.8 水活度影響

與孔隙流體相比，泥漿的水活度或鹽度是控制頁巖反應(yīng)性需要考慮的因素之一。對(duì)于具有高水活度（即低鹽度）的鉆井液，水將通過滲透現(xiàn)象從鉆井液中被驅(qū)入到頁巖地層。因此，孔隙壓力增加，圍壓降低，頁巖開始膨脹，井筒將不穩(wěn)定。由于水活性與鹽度成反比，提高鉆井泥漿的鹽度可以提高井筒穩(wěn)定性。然而，鹽度增加到最佳值以上可能會(huì)產(chǎn)生不利影響，頁巖可能會(huì)破裂，從而導(dǎo)致井筒不穩(wěn)定。這是因?yàn)辂}度過高會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力顯著下降，水從地層流入井筒，導(dǎo)致頁巖基質(zhì)中形成裂縫和裂隙。

有時(shí)，為了井壁的機(jī)械穩(wěn)定性，會(huì)增加泥漿比重。由于高泥漿比重的影響與時(shí)間有關(guān)，通常會(huì)逐步增加，例如，每一次泥漿比重增加0.5 磅。增加泥漿重量，直到達(dá)到能夠穩(wěn)定頁巖。當(dāng)泥漿重量增加以保持恒定泥漿活性時(shí)，可顯著減小漏失寬度。提高泥漿比重，可以通過降低低于頁巖強(qiáng)度的井筒應(yīng)力來穩(wěn)定井筒。然而，泥漿重量的過度增加會(huì)導(dǎo)致滲透率降低，并可能導(dǎo)致井漏問題。因此，應(yīng)將泥漿重量?jī)?yōu)化至最小值，以便在不引起泥漿漏失或造成其他鉆井問題的情況下實(shí)現(xiàn)井眼穩(wěn)定性。

3.9 膜效率影響

膜效率可以通過在膜的兩側(cè)設(shè)置兩種具有不同活性的流體的情況下，測(cè)量膜上的壓力差，然后將其除以膜兩側(cè)之間的理論壓力差來測(cè)量。對(duì)于低膜效率，將有更多的離子交換，這將導(dǎo)致頁巖的弱化。隨著膜效率增加和泥漿水活度的降低，井眼變得更加穩(wěn)定。這里，井眼穩(wěn)定性是以漏失寬度來衡量的。例如，對(duì)于大于90°的任何漏失寬度，超過一半的井眼會(huì)失效。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)超過一半的井眼失效時(shí)，井眼不穩(wěn)定性被認(rèn)為是一個(gè)主要問題。因此，有必要將漏失寬度保持在90°以下，以實(shí)現(xiàn)井眼穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）頁巖中粘土的類型和百分比會(huì)影響其在流體的化學(xué)和水力機(jī)械作用下的性能。

（2）每種粘土類型都有自己的結(jié)構(gòu)，當(dāng)暴露在水中時(shí)表現(xiàn)不同。因此，應(yīng)對(duì)頁巖進(jìn)行綜合表征和測(cè)試，以開發(fā)具有所需性能的抑制性鉆井液。

（3）頁巖鉆井液相互作用的力學(xué)因素對(duì)頁巖的井眼穩(wěn)定性起著主要作用。研究機(jī)械因素對(duì)于避免任何穩(wěn)定性問題至關(guān)重要。