董兵強 ， 邱正松 ， 陸朝暉 ， 張燁 ， 鄧智 ， 孫澤寧 ， 張偉

（1.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心·重慶地質礦產(chǎn)研究院，重慶401120；2.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室·重慶地質礦產(chǎn)研究院，重慶400042；3.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；4.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京100011；5.中海油服油田化學研究院，河北燕郊065201）

致密砂巖氣藏是一種非常規(guī)能源，具有低孔隙度、低滲透率、孔隙結構復雜及非均質性強等特征，儲層鉆井過程中極易造成儲層傷害。由于致密氣儲層天然微裂縫和孔喉半徑極小，存在明顯的毛管力自吸濾液的現(xiàn)象[1-3]，當鉆井流體在正壓差下打開儲層時，水基液會迅速侵入并充滿井眼周圍的裂縫網(wǎng)絡，引起敏感性黏土礦物膨脹[4-5]，堵塞孔喉，并造成液相滯留效應[6-7]，降低儲層滲透率；同時，鉆進過程中的鉆井液固相顆粒、鉆屑或地層顆粒很容易堵塞儲層[8]，導致后期儲層壓裂改造困難，嚴重影響單井產(chǎn)能[9]。針對臨興區(qū)塊致密砂巖氣藏鉆探過程中存在的儲層保護技術難題，開展了儲層損害機理及保護鉆井液技術研究。

1 致密砂巖氣儲層損害機理

1.1 巖石組成

臨興區(qū)塊致密砂巖儲層巖樣XRD分析測試表明，儲層致密砂巖組成礦物中石英含量最高，為69%～84%， 黏土礦物含量在10%～22%之間，長石含量較少， 菱鐵礦、 鐵白云石、 方解石含量低；臨興區(qū)塊儲層致密砂巖的黏土礦物成分中，伊利石含量最高， 為39%～63%， 綠泥石次之， 為10%～45%， 高嶺石及伊蒙間層含量較少， 儲層致密砂巖應屬弱-難膨脹性巖樣。臨興區(qū)塊致密砂巖儲層敏感性礦物含量較高， 易引起不同類型的敏感性損害[10]。其中伊利石、 高嶺石易引起儲層速敏性損害， 綠泥石、 菱鐵礦、 鐵白云石及方解石易引起儲層酸敏性損害，伊/蒙間層易吸水膨脹、 脫落，運移后堵塞喉道， 潛在水敏性、 鹽敏性及速敏性損害。

1.2 巖石微觀結構及孔滲性質分析

1）微觀結構。臨興區(qū)塊致密砂巖儲層掃描電鏡分析結果表明，儲層巖石膠結致密，微裂縫發(fā)育，顆粒表面共生大量絲狀伊利石、薄片狀綠泥石及少量書狀高嶺石等敏感性黏土礦物。巖石孔隙類型以粒間孔隙為主，是儲集層的主要儲集空間；巖石孔喉細小，內(nèi)部填充有黏土礦物。

利用巖石薄片觀察可以得出，臨興區(qū)塊儲層致密砂巖具中-粗砂狀結構，顆粒分選性中等，磨圓度較好（次圓狀為主，次棱角狀為輔），膠結類型主要為接觸式膠結（泥質）、再生膠結（硅質），粒間黏土雜基和硅質充填，存在未充填溶蝕孔。

2）孔滲性質。利用超低滲透率儀與壓汞儀測定臨興區(qū)塊典型致密砂巖儲層巖石滲透率及毛細管壓力曲線，分析巖石滲透率、孔喉大小及分布的系列特征參數(shù)， 可知1#、2#巖樣滲透率分別為0.100、0.753 mD，最大孔喉半徑分別為0.6434、4.031 μm， 孔喉中值半徑分別為 0.0149、 0.3790 μm， 排驅壓力分別為 1.1420、 0.1823 MPa， 最大汞飽和度分別為83.5%、 90.5%， 退汞效率分別為31.9%、25.1%。臨興區(qū)塊致密砂巖儲層為典型低孔隙度、低滲透率儲層。

1.3 敏感性

參考石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》實驗方法，通過巖心流動實驗對目標儲層巖樣進行敏感性分析。結果表明，儲層致密砂巖存在中等偏強水敏性、應力敏感性損害，臨界礦化度為7500 mg/L，臨界壓力為7.0 MPa；存在中等偏弱速敏性、鹽敏性、堿敏性及土酸敏感性損害，臨界流速為0.75 mL/min，臨界pH值為10.0；儲層致密砂巖與鹽酸接觸后，滲透率略有增大。

1.4 水鎖損害

利用巖心驅替實驗，考察巖心經(jīng)高壓氮氣（分別為1、2、3、4、5、6、7 MPa）驅替2 h后的含水飽和度與氣測滲透率的關系，分析臨興區(qū)塊致密砂巖儲層水鎖損害程度，結果見圖1。由圖1可知，臨興區(qū)塊致密砂巖氣儲層潛在嚴重的水鎖損害，且?guī)r心含水飽和度越高，巖心氣測滲透率值越低，水鎖損害越嚴重；由于模擬地層水的表面張力值較高，為73.0 mN·m-1，且?guī)r石為親水性，侵入液受毛細管力作用較大，經(jīng)7 MPa氮氣驅替2 h后巖石滲透率恢復值僅為71.2%；模擬地層水+0.5%納米乳液試液表面張力值較低，為18.6 mN·m-1，受毛細管力作用較小[11]，具有良好的解水鎖效果，驅替后巖石氣測滲透率恢復值達92.3%。

圖1 巖心含水飽和度與氣測滲透率的關系

2 鉆井液主要技術難點

臨興區(qū)塊致密砂巖儲層主力產(chǎn)層主要集中于上石盒子組、下石盒子組、山西組及太原組，儲層孔滲低，非均質性強，其中上石盒子組主要為紫紅色、灰綠色泥巖夾砂巖；下石盒子組主要為灰色泥巖與灰白色中-粗砂巖互層；山西組為一套陸相含煤巖系，由含礫中粒砂巖、細粒砂巖與砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖及煤層組成；太原組為一套海陸交互相含煤地層，灰?guī)r夾煤層與泥巖、砂巖。基于前期完鉆的3口直探井及2口水平開發(fā)井，統(tǒng)計出存在的主要鉆井復雜情況，如表1所示?；谂R興區(qū)塊致密砂巖儲層主要損害機理與現(xiàn)場鉆井復雜情況可知，該區(qū)塊鉆井液技術難點主要為以下3個方面。

1）長水平井段儲層保護問題。研究區(qū)致密砂巖儲層鉆進過程中，鉆井液與儲層接觸時間長、面積大，由于儲層含大量黏土礦物，且微裂縫發(fā)育，在毛管力及正壓差作用下，鉆井液極易侵入儲層，且臨興地區(qū)多為低壓、常壓儲層，侵入液返排困難，易造成嚴重的儲層傷害。

2）長裸眼井段與煤層段的漏失及垮塌問題。二開井眼尺寸較大、裸眼段較長，鉆遇層位多，地層膠結疏松，巖性主要為泥巖夾砂巖，黏土礦物含量高，微裂縫發(fā)育，極易發(fā)生剝落掉塊和鉆井液滲漏。同時，本溪組、太原組及山西組煤層發(fā)育，單層厚1～10 m，1號井、2號井鉆井資料表明，4/5#煤層與8#/9#煤層井壁垮塌嚴重，平均井徑擴大率分別為24.31%、29.89%，井眼擴徑大，造成憋壓、起下鉆及電測遇阻，影響固井質量。

表1 臨興區(qū)塊5口井鉆井復雜情況統(tǒng)計結果

3）長裸眼水平段潤滑及井眼清潔問題。臨興地區(qū)水平井三開長裸眼水平段較長，鉆桿循環(huán)壓耗較高，后期施工循環(huán)泵壓高，循環(huán)排量較低，鉆屑上返困難，且儲層夾泥巖層，易剝落掉塊，易產(chǎn)生井眼清潔難題。此外，針對長水平段鉆井過程中，摩阻、扭矩大，尤其井斜較大時，極易出現(xiàn)潤滑難題。

3 儲層保護鉆井液優(yōu)化及評價

3.1 保護儲層的鉆井液優(yōu)化

1）防水鎖劑優(yōu)選。利用吐溫80、正辛烷、正丁醇和GTN雙子表面活性劑配制出微乳液[12]，將其稀釋于水中制備出具有良好防水鎖效果的納米乳液。同時，通過室內(nèi)實驗評價不同類型商用防水鎖劑的基本特性及儲層保護效果，實驗結果如表2所示。由表2可知，納米乳液防水鎖效果最好，自吸液量最少，可將巖心在較低驅替壓力下的滲透率恢復值提高至91.7%。由于納米乳液可封堵巖石微孔喉，阻緩試液侵入巖石，并有效降低試液界面張力，極大地降低毛細管力[7]，減少自吸液量。此外，納米乳液荷正電，隨試液進入流體后，通過靜電作用吸附在巖石表面，修飾巖石界面為中性潤濕后，進一步降低毛細管力[13]，巖心中液體返排阻力減小，最終表現(xiàn)為較好的滲透率恢復效果。

表2 在2.0%KCl中加入不同防水鎖劑的性能

2）鉆井液配方優(yōu)化。室內(nèi)配得臨興區(qū)塊致密砂巖氣X井的現(xiàn)場無膨潤土暫堵型聚合物鉆井液：清水+0.1%NaOH+0.2%PAC-HV+0.3%XC-D+0.2%KPAM+0.1%PAM+1.5%GD-K（Ⅲ）（降濾失劑）+0.3%PAC-LV+5%KCl+碳酸鈣（加重至密度為1.15 g/cm3），通過實驗評價其基本性能。由表3可知，現(xiàn)場鉆井液老化前后流變性穩(wěn)定，但初、終切力較低，潤滑性差，高溫高壓濾失量過大，形成的濾餅質量較差，極易導致嚴重的儲層損害、漏失、卡鉆及井眼清潔等難題。

表3 現(xiàn)場無膨潤土暫堵型聚合物鉆井液性能評價結果

針對現(xiàn)場鉆井液性能無法滿足現(xiàn)場優(yōu)快鉆進的難題，通過室內(nèi)實驗開展鉆井液配方優(yōu)化。利用納米乳液儲層保護劑提高鉆井液防水鎖性能；通過加入降濾失劑、匹配酸溶性加重劑改善鉆井液泥餅質量與封堵效果；通過提高PAC-HV加量，增大鉆井液切力，增強鉆井液攜巖效果；通過添加高效潤滑劑，提高鉆井液潤滑性，降低摩阻及扭矩，防止卡鉆。最終形成致密砂巖氣儲層保護鉆井液：清水+0.1%NaOH+0.25%PAC-HV+0.3%XC-D+0.2%KPAM+0.1%PAM+1.5%GD-K（Ⅲ）+0.3%PAC-LV+2.0%LCZY（磺化瀝青）+5.0%KCl+2.0%石墨+0.5%納米乳液 +1000目超細碳酸鈣（加重至密度為1.15 g/cm3）。

3.2 儲層保護鉆井液性能評價

3.2.1 基本性能

表4為致密砂巖氣儲層保護鉆井液基本性能評價結果。由表4可知，儲層保護鉆井液黏度、切力適中，老化前后流變性穩(wěn)定；濾失量較小，封堵性能良好；潤滑系數(shù)較小，具有良好的潤滑性。

表4 儲層保護鉆井液基本性能評價結果

3.2.2 儲層保護性能

1）防水鎖性。選取3塊尺寸及孔滲特征相近的臨興區(qū)塊致密砂巖巖心作為測試巖樣，利用巖心自吸實驗劑潤濕性測試評價保護儲層的鉆井液防水鎖性能，實驗結果如表5所示。

表5 致密砂巖氣儲層盒8段巖心自吸濾液實驗結果

由表5可知，致密砂巖氣儲層保護鉆井液有良好的防水鎖效果。由于鉆井液中添加有0.5%的納米乳液防水鎖劑，可有效降低鉆井液濾液的表面張力，并與濾液中溶解的聚合物處理劑協(xié)同改變巖心表面潤濕性為中性潤濕，大幅降低入侵濾液的毛管力，且納米乳液粒徑較小[12]，可有效封堵巖石微孔喉，進一步削弱儲層水鎖損害。

2）抑制性/防水敏性。選取臨興區(qū)塊致密砂巖氣儲層泥頁巖夾層巖樣進行滾動分散實驗，測得清水、現(xiàn)場鉆井液、儲層保護鉆井液的一次回收率分別為40.6%、78.6%和92.1%，二次回收率分別為30.8%、70.0%和88.5%。由此可知，致密砂巖氣儲層保護鉆井液可有效抑制泥巖水化分散，二次回收率達到88.5%，具有良好的抑制性，能夠防止儲層水敏性損害，有利于維護井壁穩(wěn)定。

3）滲透率恢復值。選取尺寸及孔滲特征相近的臨興區(qū)塊致密砂巖巖樣作為測試巖樣，利用鉆井液動態(tài)污染儀模擬地層條件下鉆井液對儲層巖心的傷害程度[14]，實驗結果如表6所示?？梢钥闯?，由于儲層保護鉆井液可形成一層致密的泥餅，濾失量低，濾液表面張力小，固相顆粒難以侵入巖心，巖心污染后滲透率恢復值為91.3%，表明儲層保護鉆井液具有良好的儲層保護效果。

表6 濾液及固相顆粒運移損害評價實驗結果

4 現(xiàn)場應用

室內(nèi)優(yōu)化的儲層保護鉆井液體系在臨興區(qū)塊進行了現(xiàn)場應用，取得了良好的應用效果。

LX10X-XH為中聯(lián)煤層氣有限責任公司為落實臨興區(qū)塊LX-10X井區(qū)北部盒8段砂巖含氣性及產(chǎn)能而部署的一口調整井水平井，是一口三維繞障井，建井周期約126 d。LX10X-XH井一開用φ311.15 mm鉆頭鉆至井深204.5 m，二開用φ222.3 mm鉆頭鉆至井深235.0 m處造斜，側鉆井深1154 m，鉆至井深1745.0 m處三開（鉆頭尺寸φ152.4 mm）進入水平段，完鉆井深2706 m，水平位移約961 m，全角變化率最大為7.61°/30 m（井深945.82 m），最大井斜為92.46°（井深為2439.15 m）。

LX10X-XH井二開分別鉆至井深2110 m處回填至1008 m、鉆至井深2468 m處回填至1008 m，再次鉆進過程中，由于3個領眼井共用上部井眼，地層浸泡時間極長，井眼上部出現(xiàn)周期性坍塌、掉塊，鉆井液漏失嚴重，起下鉆過程中遇阻卡嚴重，劃眼無效，多次出現(xiàn)扭矩滑脫，憋轉盤現(xiàn)象嚴重，嚴重影響施工進度（約40 d）。同時，該井設計井斜方位變化較大，預計三開水平段巖屑返出困難，井眼清潔困難，且需采取保護氣層措施，因此急需對鉆井液體系性能及時進行調整。

二開鉆至井深1505 m處（井斜角88.8°），循環(huán)鉆井液，增大PAC-HV加量至0.20%，加入1.0%LCZY與1.0%石墨潤滑劑，控制鉆井液塑性黏度為20～30 mPa·s，動切力為7～13 Pa，高溫高壓濾失量控制在9～12 mL，提高封堵效果與潤滑性能。鉆井液調整后，順利鉆至井深1745 m處，進行固井作業(yè)。

三開進入儲層后， 匹配酸溶性暫堵劑超細碳酸鈣， 鉆井液密度由1.25 g/cm3調至1.15～1.18 g/cm3，調整PAC-HV、LCZY及石墨加量，同時加入納米乳液儲層保護劑，轉換為儲層保護鉆井液體系，并維護塑性黏度為30～40 mPa·s，動切力為10～15 Pa，高溫高壓濾失量為6～10 mL，潤滑系數(shù)低于0.100。應用結果表明，儲層保護鉆井液體系流變性能穩(wěn)定，泥餅致密且韌性好，高溫高壓濾失量小，良好地穩(wěn)定了水平段井眼。三開水平井段鉆進順利，起下鉆順利，無掛卡現(xiàn)象，無井下復雜情況，平均井徑擴大率僅為7.5%，遠低于鄰井的14.8%。同時，致密砂巖儲層保護鉆井液體系具有良好的儲層保護效果，該井盒8段壓裂后測試無阻流量約8.5×104m3/d，遠高于鄰井相同層段的4.8×104m3/d。

5 結論

1.臨興區(qū)塊致密砂巖氣儲層巖石膠結致密，孔喉尺寸小，含大量敏感性礦物，潛在嚴重的水鎖損害、中等偏強的水敏性及應力敏感性損害和中等偏弱的速敏性、堿敏性及土酸敏感性損害。

2.臨興區(qū)塊地層非均質嚴重，巖性復雜，鉆進過程中極易出現(xiàn)鉆井液漏失、井眼掉塊、坍塌與水平段摩阻扭矩過大、井眼清潔困難等井下復雜情況，易引起嚴重的儲層損害。

3.致密砂巖氣儲層保護流變性、封堵性能及潤滑性能良好，可降低儲層水敏性損害與水鎖損害，提高巖心滲透率恢復值，滿足現(xiàn)場復雜層段鉆井液鉆進技術要求，具有良好的儲層保護性能。