呂方，張古彬，袁青松，向興金，胡友林

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河南海陸過渡相頁巖氣水基鉆井液室內(nèi)評(píng)價(jià)

呂方1，張古彬2，袁青松2，向興金3，胡友林3

（1. 荊州漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州 434023； 2. 河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450000； 3. 長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

針對(duì)河南省海陸過渡相頁巖氣地層特征，以及鉆井工程中面臨的技術(shù)難點(diǎn)，通過低自由水絡(luò)合技術(shù)和微納米封堵技術(shù)，構(gòu)建出適合海陸過度相頁巖氣地層鉆井的水基鉆井液體系。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明該體系具有良好流變性，抑制性強(qiáng)，鉆屑回收率達(dá)到95%以上，線性膨脹率僅為6%左右；濾失造壁性好，HTHP濾失量小于10 mL；儲(chǔ)層保護(hù)效果好，污染后巖心切片0.5 cm，滲透率恢復(fù)值達(dá)到90%左右，能夠滿足海陸過渡相頁巖氣鉆井工程需要。

頁巖氣；低自由水絡(luò)合劑；微納米封堵劑；水基鉆井液

河南省海陸過渡相頁巖氣是屬于河南省乃至華北地區(qū)新區(qū)、新層系和新類型的重要發(fā)現(xiàn)。該地區(qū)地下埋深2 700~3 000 m之間的地層中含有大量豐富的頁巖氣資源。

河南省海陸過渡相地層存在大段泥頁巖，主要目的儲(chǔ)層山西組和太原組泥巖地層煤系發(fā)育。由于泥頁巖通常孔喉尺寸在納米級(jí)別，且山西組和太原組泥頁巖孔隙度和滲透率總體較低，平均孔隙度為2.7%，平均滲透率為0.132 8×10-3μm2，其中0.001~0.1×10-3μm2占主導(dǎo)地位，常規(guī)封堵材料由于多屬于微米級(jí)尺寸范圍，很難對(duì)泥巖形成有效封堵，所以很難阻礙液相侵害，加上煤層發(fā)育，很容易帶來井壁失穩(wěn)問題，同時(shí)也極易帶來水鎖和水敏傷害。針對(duì)上述鉆井難點(diǎn)，通過低自由水絡(luò)合技術(shù)降低鉆井液體系自由水含量，采用微納米封堵技術(shù)封堵地層微孔縫，由此構(gòu)建出適合海陸過渡相頁巖氣鉆井工程的低自由水鉆井液體系。

1 海陸過渡相頁巖氣地層特征

山西組和太原組泥頁巖X射線衍射分析結(jié)果顯示，泥頁巖主要以粘土礦物、石英為主，部分地層含少量長石和菱鐵礦，粘土礦物含量高達(dá)40%~70%；山西組、太原組泥頁巖地層粘土礦物組分以伊利石、高嶺石和伊蒙混層為主，伊蒙混層比小于20%；電鏡掃描實(shí)驗(yàn)顯示山西組太原組地層微裂縫發(fā)育，其特點(diǎn)是硬脆性，分散性弱，有剝落趨勢(shì)，鉆井液濾液沿微裂隙進(jìn)入泥頁巖后伊蒙混層中蒙脫石易水化膨脹，產(chǎn)生水化膨脹壓，而伊利石、高嶺石膨脹性弱，致使巖石受壓不均，易發(fā)生剝落掉塊和井壁坍塌，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和圖1。

表1 頁巖地層粘土礦物組成

圖1 巖石樣品掃描電子顯微鏡分析

2 海陸過渡相頁巖氣水基鉆井液構(gòu)建思路

由于海陸過渡相頁巖地層粘土礦物含量高，粘土礦物的膨脹性不高，但微裂縫較發(fā)育，因此，需要提高鉆井液體系的抑制性，重點(diǎn)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)微裂縫（微納米級(jí)）孔縫的封堵，減少濾液對(duì)地層的侵入，阻緩壓力傳遞，實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定。

3 頁巖氣水基鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)通過研究采用自由水絡(luò)合技術(shù)和微納米封堵技術(shù)構(gòu)建出了頁巖氣水基鉆井液體系，配方為：2%~3%膨潤土漿+0.2% NaOH+0.3%~0.5% LV-PAC +0.5%~1.0% HXY (自由水絡(luò)合劑)+3% HDR（降濾失劑）+1% HAS（胺基硅醇）+3% HGW（納微固壁劑）+2% HSM（膠束封堵劑）+2% HBJ（封堵劑）+1%~2% HLB（潤滑劑）+ 3%~5% KCl +2% 防水鎖劑HAR-D +重晶石加重。

3.1 體系常規(guī)性能評(píng)價(jià)

對(duì)配方進(jìn)行了常規(guī)性能測試，實(shí)驗(yàn)表明該體系具有較好的流變性和失水造壁性，高溫高壓失水小于10 mL，數(shù)據(jù)見表2。

表2 頁巖氣水基鉆井液基本性能

注：老化條件 100 ℃×16 h；密度 1.25 g/cm3

3.2 抑制性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)采用鄭西頁1井山西組（3 270.16 m）泥頁巖鉆屑，進(jìn)行低自由水頁巖氣水基鉆井液抑制性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，頁巖氣水基鉆井液的滾動(dòng)回收率高達(dá)96.0%，而且11 h的膨脹率僅為6.042%，表明體系能夠有效的抑制泥頁巖地層粘土礦物的水化膨脹和水化分散，具有較好的抑制性，數(shù)據(jù)見表3。

表3 鉆井液體系的抑制性評(píng)價(jià)

3.3 微裂縫巖心封堵性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)模擬制做了鋼制微裂縫巖心。通過測定低頁巖氣鉆井液在3.5 MPa、100 ℃、120 min條件下對(duì)微裂縫巖心（縫寬0.05~0.1μm）的封堵能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明頁巖氣水基鉆井液具有較好的微裂縫封堵性能，120 min無鉆井液漏出，基本阻止了鉆井液對(duì)微裂縫的侵入，數(shù)據(jù)見表4。

3.4 潤滑性能評(píng)價(jià)

潤滑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明低自由水頁巖氣鉆井液具有較好的潤滑性，能夠降低鉆進(jìn)中的摩擦系數(shù)和扭矩，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表4 微裂縫巖心的封堵實(shí)驗(yàn)

表5 頁巖氣水基鉆井液的潤滑性

3.5 油層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6540-2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》對(duì)頁巖氣水基鉆井液體系儲(chǔ)層保護(hù)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明頁巖氣水基鉆井液體系對(duì)巖心污染后，其滲透率恢復(fù)值在85%左右，而切片后其滲透率恢復(fù)值達(dá)到了90%左右，說明體系對(duì)儲(chǔ)層具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，結(jié)果見表6。

表6 頁巖氣水基鉆井液體系巖芯滲透率恢復(fù)值

4 結(jié) 論

（1）針對(duì)河南海陸過渡相頁巖氣地層地質(zhì)特征，通過分析巖石粘土礦物組構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)，分析出頁巖氣地層井壁穩(wěn)定機(jī)理；通過采用低自由水絡(luò)合技術(shù)和納微米技術(shù)有效封堵微裂縫，減少濾液對(duì)地層的侵入，阻緩壓力傳遞，在基礎(chǔ)上構(gòu)建出頁巖氣水基鉆井液體系。

（2）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)表明，低自由水頁巖氣水基鉆井液體系具有較好的流變性，濾失造壁性，HTHP濾失量小于10 mL；抑制性強(qiáng)，鉆屑滾動(dòng)回收率達(dá)到95%以上，11 h線性膨脹率僅為6%左右，封堵能力強(qiáng)，潤滑性優(yōu)良，巖心污染深度淺，切片0.5 cm滲透率恢復(fù)值達(dá)到90%，儲(chǔ)層保護(hù)效果好，能夠滿足河南海陸過度向頁巖氣鉆井工程需要。

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Evaluation on Water-based Drilling Fluid Systemfor Henan Sea-land Transition Phase Shale Gas Reservoir

12233

(1. Jinzhou HANC New Technology Institute, Hubei Jingzhou 434023, China; 2. Henan Institute of Geological Survey , Henan Zhengzhou 450000, China ; 3. College of Petroleum Engineering ,Yangtze University, Hubei Jingzhou 434023, China)

Based on characteristics of sea-land transition phase shale gas formation in Henan province, and facing the technical difficulties in drilling engineering, through the low free water complexing technology and micro/nano sealing technology, suitable water-based drilling fluid system for marine facies shale gas drilling was developed. Experimental evaluation shows that the system has good rheological property, strong inhibitory; Drilling cuttings recovery is more than 95%, the linear expansion rate is only 6% or so; HTHP filtration quantity is less than 10 mL; Reservoir protection effect is good; When polluted core section is 0.5 cm, permeability recovery value is around 90%, which can meet the needs of shale gas drilling engineering in the sea-land transition phase formation.

shale gas； low free water complexing agent； micro nanometer blocking agent；water-based drilling fluid

TE 254

A

1004-0935（2017）09-0903-03

河南省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目“河南頁巖氣勘查開發(fā)及示范應(yīng)用研究”，項(xiàng)目號(hào)：151100311000。

2017-07-17

呂方（1973-），男，高級(jí)工程師，碩士，湖北省荊州市人，1994年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，主要從事油田化學(xué)，采油化學(xué)方面的研究工作。