侯 杰

(中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413)

硬脆性泥頁巖微米-納米級裂縫封堵評價新方法

侯 杰

(中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413)

為解決應(yīng)用常規(guī)封堵評價方法優(yōu)選的封堵材料對大慶油田致密油裂縫性地層封堵效果差的難題，選用由不銹鋼粉末經(jīng)特殊工藝壓制成的薄片作為封堵介質(zhì)來模擬微米和納米級裂縫，并自主設(shè)計加工了封堵評價裝置，形成了微米-納米級微裂縫封堵評價新方法。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，封堵評價新方法可替代高溫高壓濾失試驗對鉆井液的封堵性能進(jìn)行評價，且優(yōu)選的鉆井液配方對微米級和納米級裂縫都具有較強(qiáng)的封堵能力。應(yīng)用該方法對封堵材料配方及加量進(jìn)行了優(yōu)化，形成了強(qiáng)封堵型水基鉆井液配方，并在大慶油田F38-P1井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，解決了青山口組地層在鉆進(jìn)過程中的井壁剝落、掉塊等井壁失穩(wěn)問題。研究結(jié)果表明，裂縫封堵評價新方法可以模擬井底溫度條件下對鉆井液的封堵性能進(jìn)行評價，且具有操作簡單、評價精度高等優(yōu)點，為大慶油田致密油藏高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

致密油；硬脆性泥頁巖；微裂縫；不銹鋼粉末；井壁穩(wěn)定；封堵性能；大慶油田

大慶油田長垣以西齊家-古龍凹陷青山口組和泉頭組等地層含有豐富的致密油，巖性以裂縫/孔隙發(fā)育的泥頁巖為主，資源潛力超過15×108t，是大慶油田資源接替的重要區(qū)塊。近幾年實鉆資料顯示，在鉆進(jìn)青山口組和泉頭組地層時常發(fā)生井壁剝落、坍塌等井下故障，嚴(yán)重制約了致密油的高效勘探開發(fā)。為解決井壁失穩(wěn)的難題，提出了各種提高鉆井液封堵防塌能力的技術(shù)措施[1]，但封堵效果并不理想，井壁失穩(wěn)問題時有發(fā)生。分析認(rèn)為，目前常用的高溫高壓濾失[2-3]、高溫高壓砂床[4-5]和滲透性封堵[6-8]等鉆井液封堵能力的評價方法，雖然操作簡便、且能直接反映封堵劑性能的差異，但模擬的裂縫寬度一般為50 μm左右，無法模擬致密油儲層的納米級裂縫/孔隙，致使優(yōu)選出的封堵材料無法滿足致密油儲層井壁穩(wěn)定的要求，導(dǎo)致鉆井過程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)問題[9-11]。為此，筆者選用不銹鋼粉末薄片作為封堵介質(zhì)，模擬不同級別的裂縫，并自主研制了封堵評價裝置，形成了硬脆性泥頁巖微米-納米級裂縫封堵評價新方法，可為封堵材料優(yōu)選和鉆井液配方優(yōu)化提供可靠的試驗方法。

1 致密油儲層井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

青山口組巖心分析結(jié)果表明，青山口組二、三段(K1qn2+3)地層巖石富含伊利石(絕對含量3.84～5.94，相對含量63%～66%)及伊蒙混層(絕對含量1.73～2.96，相對含量24%～32%)；K1qn2+3地層泥頁巖脆性較高，內(nèi)部發(fā)育大量裂縫和微裂縫，縫寬10～30 μm的裂縫占80%以上，還有部分縫寬為0.001～0.01 μm的裂縫；含有大量半徑為5.270～9.275 nm的微孔隙(見圖1)。

圖1 青山口組二、三段地層巖心掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.1 SEM image of core in interval 2 and 3 of the Qingshankou Formation

將K1qn2+3地層巖心在清水中浸泡，觀察不同時間下巖心的分散情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：巖心浸泡30 min后發(fā)生明顯的分層和散裂現(xiàn)象，并有剝落塊；浸泡12 h已經(jīng)完全碎裂成小塊。在鉆井過程中直接表現(xiàn)為井壁剝落掉塊，會引起遇阻、卡鉆等井下故障，甚至?xí)凇八馀弊饔孟?，?dǎo)致井漏的發(fā)生。分析巖心失穩(wěn)原因認(rèn)為：

1) 青山口組地層黏土礦物以伊利石為主，含有少量伊蒙混層，滾動回收率都在70%以上，水化趨勢較弱，屬于硬脆性泥頁巖。目前使用的水基鉆井液以自主合成的聚胺抑制劑為主，配合使用多元醇和無機(jī)鹽，抑制性完全能滿足施工需求，所以鉆井液抑制性不是青山口組地層易失穩(wěn)的主要原因[12-14]。

2) 由巖心分析結(jié)果可知，青山口組地層不僅發(fā)育有微米級的裂縫和孔隙，還包含納米級的裂縫和孔隙。如果封堵材料粒徑太大，與裂縫不匹配，只能封堵微米級裂縫，而無法有效封堵納米級裂縫，致使形成的封堵層不致密，外來液相在井底壓差、化學(xué)勢差和毛細(xì)管壓力等作用下會繼續(xù)沿著納米級裂縫侵入地層，造成近井壁孔隙壓力增加，削弱液柱壓力對井壁的穩(wěn)定作用，并引起頁巖水化作用、水化膜“楔入”作用[15-17]，使微裂縫開裂、擴(kuò)展并相互貫通，最后與主裂縫貫通，造成井壁剝落掉塊，甚至?xí)l(fā)生井漏等井下故障。

2 微裂縫模擬和封堵評價裝置的研制

2.1 微裂縫模擬

目前，人們通常采用高溫高壓濾失試驗優(yōu)選封堵材料，該方法雖然操作簡便、且能直接反映鉆井液封堵性能的差異，但濾紙孔徑只有1～3、30～50和80～120 μm等3個級別，均屬于微米級，無法模擬納米級裂縫[18-19]；其他評價方法模擬的裂縫一般都在50 μm左右，也屬于微米級，導(dǎo)致優(yōu)選的封堵材料在用于致密油儲層鉆進(jìn)時效果不好。

為此，筆者選用了一種由不銹鋼粉末經(jīng)過特殊工藝壓制而成的薄片作為封堵介質(zhì)，模擬不同級別的裂縫進(jìn)行封堵性能評價試驗。該薄片具有以下優(yōu)點：1)不銹鋼粉末薄片孔徑控制在微米級和納米級之間，模擬孔徑范圍10 nm～500 μm(見圖2)；2)薄片厚度為5～10 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濾紙的厚度，可模擬封堵材料在裂縫內(nèi)部通道的堆積和封堵情況，而不是封堵材料只在濾紙表面的堆積；3)不銹鋼粉末薄片剖面粗糙，與地層縫隙表面特征相近。

圖2 不銹鋼粉末薄片F(xiàn)ig.2 Thin slice of stainless steel powder

2.2 評價裝置的研制

根據(jù)高溫高壓濾失儀的溫度和壓力控制原理，自主設(shè)計加工了一套封堵評價裝置(見圖3)。該裝置包括可以加熱的鉆井液杯、氣源、壓力表和冷凝接收裝置等設(shè)備，鉆井液杯底部的不銹鋼粉末薄片為過濾介質(zhì)。該裝置工作溫度為20～300 ℃，壓力3.5～5.0 MPa。具體操作步驟為：打開鉆井液杯下杯蓋，將不銹鋼粉末薄片置于杯底；蓋上下杯蓋并擰緊；加入待測液體，并封好上杯蓋，即可模擬井底溫度條件進(jìn)行待測液體封堵性能評價試驗。

圖3 裂縫封堵試驗評價裝置的基本組成Fig.3 Schematic diagram of evaluation devices for blocking performances

以不銹鋼粉末薄片替代濾紙作為封堵介質(zhì)、結(jié)合裂縫封堵試驗評價裝置形成了微米-納米級裂縫封堵評價新方法，進(jìn)行封堵材料優(yōu)選和鉆井液封堵性能評價試驗。

3 微裂縫封堵評價試驗

針對目前致密油水平井鉆井常用的水基鉆井液封堵性能較差的問題，通過高溫高壓濾失試驗評價磺化瀝青相關(guān)性能，分析磺化瀝青無法有效封堵致密油裂縫性儲層的原因，并采用裂縫封堵評價新方法對該鉆井液的封堵性能進(jìn)行優(yōu)化，以提高鉆井液的井壁穩(wěn)定能力。

3.1 磺化瀝青封堵評價試驗

致密油水平井水基鉆井液中常用磺化瀝青的軟化點測試結(jié)果表明，磺化瀝青樣品在252 ℃時不軟化，而致密油地層溫度小于100 ℃，所以磺化瀝青在鉆井液中不能發(fā)揮軟化封堵作用，只能以顆粒級配的形式對裂縫進(jìn)行封堵。將磺化瀝青樣品在105 ℃的干燥箱中烘干4 h后進(jìn)行篩分，按稱重前后質(zhì)量比換算成不同粒徑顆粒所占的比例。篩分結(jié)果為：粒徑大于250 μm的顆粒占27.83%；粒徑250～75 μm的顆粒占70.24%；粒徑小于75 μm的顆粒占1.93%，其中的納米級顆粒含量可以忽略不計。

試驗采用的致密油水平井水基鉆井液的配方為：4.0%膨潤土漿+2.0%銨鹽降濾失劑+1.5%抑制劑+3.0%多元醇+5.0%氯化鉀+0.2%乳液包被劑+0.1%PAC-HV，采用高溫高壓濾失試驗和封堵評價新方法對其封堵性能進(jìn)行評價。

3.1.1 高溫高壓濾失試驗

致密油水平井水基鉆井液中分別添加1%，2%，3%和4%的磺化瀝青，進(jìn)行120 ℃高溫高壓濾失試驗，試驗結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，磺化瀝青加量為1%～3%時，鉆井液濾失量降低幅度較大；磺化瀝青加量增加到4%時，鉆井液濾失量降低趨勢變緩。

圖4 磺化瀝青對致密油水平井水基鉆井液高溫高壓濾失量的影響Fig.4 Impacts of sulfonated asphalt on HTHP filtering losses of water-based drilling fluid in horizontal well for tight oil development

將濾餅采用液氮速凍，然后抽真空，應(yīng)用透射電子顯微鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)磺化瀝青在濾餅中分散度較差，出現(xiàn)團(tuán)聚成塊的現(xiàn)象；放大800倍和1 600倍后，磺化瀝青團(tuán)聚的現(xiàn)象更明顯。這表明單純增大磺化瀝青加量，在濾餅中只起到簡單的重復(fù)堆積作用，不能完全封堵濾失通道，最終導(dǎo)致鉆井液濾失量無法進(jìn)一步降低。

3.1.2 不銹鋼粉末薄片封堵試驗

分別選用孔徑為50 nm、200 nm和100 μm的不銹鋼粉末薄片，使用封堵評價新裝置評價不同磺化瀝青加量下的致密油水平井水基鉆井液對3種不銹鋼粉末薄片的封堵情況，結(jié)果見圖5。

圖5 不同磺化瀝青加量下的水基鉆井液濾失量曲線Fig.5 HTHP filtering losses of water-based drilling fluid under different volumes of sulfonated asphalt

由圖4和圖5可以看出，與高溫高壓濾失試驗結(jié)果相比，不銹鋼粉末薄片封堵試驗得到的鉆井液濾失量更大，而且不銹鋼粉末薄片的孔徑越小，鉆井液濾失量越大；隨著磺化瀝青加量增加，與孔徑200 nm和100 μm不銹鋼粉末薄片相比，孔徑50 nm不銹鋼粉末薄片封堵試驗得到的鉆井液濾失量降低幅度要小。

由以上試驗結(jié)果可知，在磺化瀝青樣品及鉆井液配方相同的情況下，因封堵介質(zhì)不同，鉆井液濾失量差異較大。磺化瀝青對微米級的濾紙封堵效果較好，濾失量小；對納米級的不銹鋼薄片封堵效果較差，濾失量大。

3.2 強(qiáng)封堵型水基鉆井液配方優(yōu)化試驗

3.2.1 不銹鋼粉末薄片封堵試驗

為改善致密油水平井水基鉆井液的封堵防塌能力，提高對納米級裂縫的封堵效果，將磺化瀝青與納米材料按照質(zhì)量比1∶1，2∶1，3∶1和4∶1進(jìn)行復(fù)配，并加入鉆井液中，加量分別為1%，2%，3%和4%，分別應(yīng)用孔徑50 nm、200 nm和100 μm的不銹鋼粉末薄片進(jìn)行封堵評價試驗，結(jié)果見圖6。

圖6 磺化瀝青與納米材料在不同復(fù)配比例下的濾失量對比曲線Fig.6 Fluid loss under different proportions of sulfonated asphalt and nano-material

從圖6可以看出，磺化瀝青與納米材料在不同復(fù)配比例和加量條件下對不同孔徑薄片的封堵效果差異較大，在磺化瀝青和納米材料質(zhì)量比為3∶1、總體加量2%時，鉆井液濾失量下降最明顯；同時，濾餅中的封堵材料顆粒級配合理，分布均勻，濾餅質(zhì)量得到有效改善。綜合考慮封堵效果和成本因素，選擇磺化瀝青與納米材料按質(zhì)量比3∶1復(fù)配，總體加量2%。

3.2.2 高溫高壓濾失試驗

以濾紙為介質(zhì)，進(jìn)行120 ℃的高溫高壓濾失試驗，對不同復(fù)配比例和不同封堵材料加量下的鉆井液封堵能力進(jìn)行評價，結(jié)果見表1。從表1可以看出，在鉆井液中加入納米材料后，鉆井液的高溫高壓濾失量大幅度下降；在加量大于2%時，濾失量趨于平穩(wěn)，與不銹鋼粉末薄片的評價結(jié)果一致。

表1 封堵劑配方優(yōu)化濾失量

以上試驗結(jié)果表明，以不銹鋼粉末薄片為封堵介質(zhì)的封堵評價方法可以替代高溫高壓濾失試驗，對鉆井液的封堵性能進(jìn)行評價。最終確定改進(jìn)后的強(qiáng)封堵型水基鉆井液配方為：4.0%膨潤土漿+2.0%銨鹽降濾失劑+1.5%抑制劑+3.0%多元醇+5.0%氯化鉀+0.2%乳液包被劑+0.1%PAC-HV+2.0%封堵材料(磺化瀝青與納米材料按質(zhì)量比3∶1復(fù)配)。

4 現(xiàn)場試驗

F38-P1井是大慶油田的一口致密油水平井，設(shè)計井深2 905.00 m，水平段長845.00 m。二開使用致密油水平井水基鉆井液鉆進(jìn)，采用高溫高壓濾失試驗優(yōu)選出的磺化瀝青作為封堵材料。二開井段的青山口組二、三段至泉頭組地層有厚達(dá)346.00 m的大段泥巖層，以綠灰色、深灰色泥巖為主，含伊利石和伊蒙混層等黏土礦物，裂縫、微裂縫和孔隙發(fā)育。從同區(qū)塊相鄰井鉆井情況來看，該泥巖段地層在鉆進(jìn)時經(jīng)常發(fā)生井壁剝落、掉塊現(xiàn)象，有的井甚至發(fā)生井壁坍塌。該井在鉆至井深2 300.00 m時進(jìn)行起下鉆作業(yè)，分別在井深1 854.00，1 914.00～1 944.00，2 209.00和2 149.00 m處發(fā)生4次遇阻，在井深2 249.00 m處發(fā)生2次憋泵；并且在井深2 199.50和2 251.00 m處發(fā)生2次卡鉆，振動篩上返出巖屑多為青山口組灰色粉碎性泥巖剝落片，最大直徑超過5.0 cm。最后，只能將水平段封固，在井深2 111.50 m處重新側(cè)鉆。

該井側(cè)鉆時使用了由封堵評價新方法優(yōu)化的強(qiáng)封堵型水基鉆井液。側(cè)鉆前，按照配方一次加足封堵材料進(jìn)行配漿；鉆進(jìn)過程中，每鉆進(jìn)150～200 m補充一定量的封堵材料，以保證鉆井液中封堵材料的含量。在該井整個側(cè)鉆過程中，振動篩上返巖屑正常，未見大的巖屑塊，表明青山口組地層沒有發(fā)生井壁剝落和掉塊等井壁失穩(wěn)問題；同時，起下鉆順利，全程未發(fā)生遇阻和卡鉆情況，后期下套管一次到底。

現(xiàn)場試驗表明，優(yōu)化后的強(qiáng)封堵型水基鉆井液對致密油地層裂縫和微裂縫的封堵能力大幅度提高，解決了原鉆井液在鉆進(jìn)中常發(fā)生的井壁剝落、掉塊等問題。

5 結(jié) 論

1) 針對大慶油田致密油儲層地質(zhì)特點，以不銹鋼粉末薄片替代濾紙作為封堵介質(zhì)，并自主設(shè)計了裂縫封堵試驗評價裝置，形成了微米-納米級裂縫封堵評價新方法。

2) 不銹鋼粉末薄片能夠有效模擬致密油儲層的微米、納米級裂縫，裂縫封堵試驗評價裝置可模擬井底溫度條件下對鉆井液的封堵性能進(jìn)行測試，具有操作簡單、評價精度高等優(yōu)點，可替代高溫高壓濾失試驗進(jìn)行封堵材料優(yōu)選和鉆井液配方優(yōu)化。

3) 采用封堵評價新方法對封堵材料進(jìn)行了優(yōu)化，形成了強(qiáng)封堵型水基鉆井液配方，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該鉆井液對致密油儲層微裂縫和微裂隙具有更強(qiáng)的封堵能力，解決了青山口組地層井壁剝落、掉塊引起的遇阻、卡鉆等難題，具有較好的現(xiàn)場推廣應(yīng)用價值。

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[編輯 滕春鳴]

A New Method of Plugging Micro/Nano Meter Cracks in Hard, Brittle Shale

HOU Jie

(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute,CNPCDaqingOilfieldDrillingEngineeringCompany,Daqing,Heilongjiang,163413,China)

Fractures or cracks sealing materials deployed in conventional evaluation methods displayed unsatisfactory plugging performances in tight oil formations of the Daqing Oilfield.Under such circumstances,an innovative stainless steel powder sheet was pressed by special technique to simulate cracks in micro/nano meter scales. In addition,devices to evaluate plugging performance with high precision and reasonable repeatability was designed and made. Lab test results showed that the innovative plugging performance evaluation technique could be used to replace the fluid flow tests under HTHP.Test results showed that the selected drilling fluid displayed satisfactory plugging performances against fractures in micro/nano meter scales.The formula and its add-ons of plugging material were optimized to produce water-based drilling fluids with high plugging performance.The drilling fluid has been used in Well F38-P1 in the Daqing Oilfield to solve the problems of wellbore breakout and wellbore in stability.The innovative techniqueis characterized by simple operations and high accuracy,and can be used to assess plugging performances of drilling fluids under simulated bottomhole temperatures.The new technique may provide necessary technical support for high-efficiency development of tight oil reservoirs in the Daqing Oilfield.

tight oil;hard and brittle shale;micro fracture;stainless steel powder;borehole stability;sealing capacity,Daqing Oilfield

2016-12-22；改回日期：2017-05-02。

侯杰(1983—)，男，四川閬中人，2005年畢業(yè)于長江大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，2009年獲大慶石油學(xué)院油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事鉆井液處理劑合成及體系研發(fā)方面的研究。E-mail：94478333@qq.com。

中國石油天然氣集團(tuán)公司“十三五”重大科技專項“大慶油氣持續(xù)有效發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”部分研究內(nèi)容。

10.11911/syztjs.201703006

TE254

A

1001-0890(2017)03-0032-06