袁青松 ，馮輝 ， ，張棟 ，李中明 ，代磊 ，董果果

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001；2.地下清潔能源勘查開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，鄭州 450001；3.河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司，鄭州 450001）

河南頁巖氣區(qū)塊井型以直井為主，主要鉆進(jìn)目標(biāo)層位為上古生界二疊系下石盒子組、山西、太原組，井深一般為3000～3500 m[1-3]，區(qū)塊內(nèi)M1井和Z1井在目的層鉆進(jìn)中出現(xiàn)縮徑、坍塌掉塊、卡鉆復(fù)雜，其中下石盒子組井眼縮徑現(xiàn)象明顯，2口井的井徑擴(kuò)大率為21.77%和17.36%，Z1井井徑擴(kuò)大率最大位置達(dá)到了55%。目前中牟區(qū)塊鉆井多借鑒鄂爾多斯盆地大牛地氣田經(jīng)驗(yàn)，采用氯化鉀聚胺鉆井液體系[4]，實(shí)踐表明該體系不能滿足該套頁巖地層安全高效鉆進(jìn)。基于頁巖巖石礦物成分、巖石力學(xué)、地應(yīng)力特征展開研究，對老井鉆井液進(jìn)行室內(nèi)評價(jià)，分析造成泥頁巖井段井壁坍塌掉塊的原因，從加強(qiáng)鉆井液封堵性能和抑制性入手，優(yōu)選鉆井液處理劑，研究出了一套適合于河南二疊系頁巖地層鉆井的水基鉆井液體系，并在現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用效果，也為下一步區(qū)塊進(jìn)行大規(guī)?？碧介_發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征分析

1.1 巖礦組成分析

取M1井山西組和太原組巖心開展了X射線衍射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，巖石礦物主要以黏土礦物、石英為主，含少量長石和菱鐵礦。黏土礦物含量在40%～70%之間，組分以伊利石、高嶺石和伊蒙混層為主（見表1）。

表1 M1井山西-太原組黏土礦物成分分析

1.2 縫孔發(fā)育情況

從M1井取得的巖心照片觀察，層理縫發(fā)育，巖心取至地面后很快沿著層理縫剝離裂開，完整性較差，山西組頁巖巖心長度為89 m，肉眼可觀察裂縫有220條。

圖1 M1井巖心平掃照片

另外采用氬離子拋光-掃描電鏡技術(shù)對巖心薄片進(jìn)行微觀孔縫觀察（見圖2），微孔隙類型主要為無機(jī)孔和有機(jī)質(zhì)孔縫，其中無機(jī)孔最大孔隙為1.939 μm，有機(jī)質(zhì)孔縫為 0.1～0.3 μm。

圖2 黏土礦物聚合物粒間孔（左）和有機(jī)質(zhì)收縮縫（右）

1.3 巖石力學(xué)及地應(yīng)力分析

1.3.1 三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

取M1井太原組巖心在室內(nèi)進(jìn)行三軸巖石力學(xué)測試，在圍壓20 MPa下測定巖石的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量以及泊松比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 三軸巖石力學(xué)測試結(jié)果

由表2可知，巖石抗壓強(qiáng)度較高，楊氏模量為20.8～26.1 GPa，泊松比為0.18～0.38，根據(jù)楊氏模量和泊松比計(jì)算巖石的脆性指數(shù)平均為53.4%，脆性較強(qiáng)，井壁易發(fā)生脆性劈裂破壞。

1.3.2 地應(yīng)力特征分析

原地應(yīng)力狀態(tài)對井壁的穩(wěn)定性有重要影響，通過偶極子聲波測井獲取了M1井地應(yīng)力數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果顯示M1井三向應(yīng)力狀態(tài)為σH＞σv＞σh，最大水平主應(yīng)力平均為66 MPa，最小水平主應(yīng)力平均為55 MPa，水平主應(yīng)力差值為11 MPa，差異系數(shù)較高，表明地層非均質(zhì)性較強(qiáng)。

1.4 井壁失穩(wěn)原因分析

從上述巖石礦物成分、黏土礦物組成、巖石力學(xué)以及地應(yīng)力場分析來看，該套頁巖符合硬脆性泥頁巖特征[6-7]，孔縫發(fā)育，造成井壁坍塌掉塊原因主要有：①地應(yīng)力差異較大，打開地層后，井周應(yīng)力平衡被打破，沿著最小水平主應(yīng)力方向發(fā)生坍塌掉塊；②巖石脆性較強(qiáng)，鉆井液濾液侵入地層后使得巖石膠結(jié)強(qiáng)度降低、孔隙壓力升高[8]，形成局部拉伸破壞，微觀裂縫迅速擴(kuò)展形成宏觀裂縫，加劇了井壁坍塌；③黏土礦物含量較高，泥頁巖水化膨脹造成井壁失穩(wěn)。

2 老井鉆井液性能評價(jià)

已鉆井M1井和Z1井現(xiàn)場采用的鉆井液體系主要為氯化鉀聚胺鉆井液體系，在室內(nèi)對該體系進(jìn)行流變性、抑制性和封堵性評價(jià)。體系配方為：4%淡水土漿+0.2%NaOH+0.3%抑制劑HP+0.5%增黏劑LV-CMC+0.5%降濾失劑PAC-LV+0.5%降濾失劑NH4HPAN+0.3%聚胺+2%CaCO3（800～1000目）+5%KCl。

2.1 流變性

按照現(xiàn)場使用的配方在室內(nèi)進(jìn)行復(fù)配，測試鉆井液各項(xiàng)性能。從表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)場配方老化前后流變性較好，但高溫高壓濾失量偏大。

表3 現(xiàn)場鉆井液室內(nèi)復(fù)配性能(100 ℃×16 h)

2.2 抑制性

取M1井館陶組頁巖鉆屑過6～10目篩，風(fēng)干后加入到鉆井液中，在100 ℃下老化16 h后過40目篩，篩余在105 ℃下烘干后稱重，計(jì)算熱滾后鉆屑回收率。同時(shí)采用人工壓制的膨潤土片進(jìn)行線性膨脹率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4?，F(xiàn)場配方的鉆屑熱滾回收率不足70%，8 h線性膨脹率超過15%，整體看抑制性不足，不能滿足現(xiàn)場對地層中黏土礦物的水化膨脹和分散。

表4 現(xiàn)場鉆井液抑制性評價(jià)

2.3 封堵性能

室內(nèi)模擬低滲砂床，采用60～80目砂子制作砂床，同時(shí)鋪上超細(xì)碳酸鈣進(jìn)一步降低滲透率，評價(jià)現(xiàn)場配方鉆井液體系的封堵性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示30 min砂床侵入深度達(dá)到9 cm（見圖3）。通過對現(xiàn)場氯化鉀聚胺鉆井液體系進(jìn)行室內(nèi)測試分析表明，現(xiàn)場鉆井液體系的流變性能基本穩(wěn)定，但濾失造壁性、抑制性、封堵性較差，無法抑制泥頁巖的水化膨脹和分散，以及對孔縫的封堵，導(dǎo)致了老井出現(xiàn)大量的井下復(fù)雜情況。

圖3 現(xiàn)場配方砂床侵入實(shí)驗(yàn)

3 處理劑優(yōu)選

中牟區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)通常為三開結(jié)構(gòu)，三開井段長度為1500 m左右，下石盒子組泥頁巖易發(fā)生水化膨脹，山西組、太原組泥頁巖脆性強(qiáng)易坍塌掉塊，基于地層泥頁巖特征確定鉆井液研究思路，從加強(qiáng)抑制性和封堵性方面考慮，優(yōu)選鉆井液處理劑。

3.1 封堵材料

目前鉆井行業(yè)多用泥餅封堵技術(shù)防井壁坍塌[9]，山西組、太原組頁巖伊利石含量高，蒙脫石含量少，實(shí)際上壓力傳遞和裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低才是主要原因，單靠增加礦化度提高抑制水化來防止坍塌，實(shí)踐表明效果不好。要封堵微納米級尺寸孔縫，關(guān)鍵就是鉆井液中顆粒的尺寸分布在孔縫尺寸的區(qū)間內(nèi)且能承受一定壓力。在室內(nèi)建立封堵評價(jià)方法，完成對封堵材料的優(yōu)選和效果評價(jià)。

3.1.1 封堵性能評價(jià)方法建立

當(dāng)前測定鉆井液濾失量主要采用常規(guī)的濾紙，濾紙孔徑遠(yuǎn)大于泥頁巖的微孔縫尺寸，難以準(zhǔn)確評價(jià)鉆井液對頁巖微納米孔縫的封堵性能。采用一種新型混合聚合物纖維納米微孔濾膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來評價(jià)封堵材料的封堵性能，該濾膜的孔徑規(guī)格介于0.15～0.8 μm之間，與頁巖的縫孔尺寸相當(dāng)，能夠更加簡單地模擬鉆井液在泥頁巖地層的濾失情況。

3.1.2 封堵材料優(yōu)選

常規(guī)封堵材料均屬于微米級的范疇，無法滿足泥頁巖的封堵要求。室內(nèi)研究根據(jù)納米級封堵材料的特點(diǎn)，采用2種適合于泥頁巖地層特點(diǎn)的封堵材料膠束封堵劑HSM和納微固壁劑HGW。膠束封堵劑HSM是一種嵌段共聚聚醚高分子表面活性劑，其形成的膠束在水溶液中可呈球狀、層狀、棒狀，其尺寸大小在1～100 nm之間， 膠束粒子在孔喉中相互聚集還產(chǎn)生疏水膠團(tuán)， 能夠快速封堵泥巖納米孔喉， 阻止鉆井液中的自由水向泥巖深部侵入。納微固壁劑HGW是憎水性的微交聯(lián)丙烯酸酯微納米乳液， 乳液顆粒尺寸為100～1000 nm，該封堵材料覆蓋在井壁巖石上面后，在壓力作用下可變形粒子緊密堆積形成一層憎水膜，阻止水對巖石的接觸，從而防止泥巖的水化，同時(shí)加固井壁。

3.1.3 封堵效果評價(jià)

在室內(nèi)測試2種處理劑對鉆井液性能的影響及封堵能力，分別使用濾紙和納米膜作為封堵介質(zhì)在高溫高壓濾失量測定儀上考察濾失量與時(shí)間的關(guān)系曲線?；A(chǔ)配方：3%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.3%NaOH+0.4%包被劑+0.3%PAC-LV+1.0%CMC+1.0%降濾失劑+2.0%井壁穩(wěn)定劑+3%KCl+（1%～2%）潤滑劑，表5為加入封堵劑前后鉆井液性能變化，從表5可以看出，加入封堵劑后對鉆井液性能影響較小，只是黏度切力有所上升。

從表6數(shù)據(jù)可以看出，與基礎(chǔ)鉆井液相比，加入封堵劑后在濾紙上6 h濾失量降低了36.9%，在濾膜上6 h濾失量降低了34.9%，隨著時(shí)間的延長，濾失量的增量很小，說明了選取的封堵劑在濾紙和濾膜上均具有很好的封閉性。

表5 封堵劑對鉆井液性能的影響

表6 封堵劑對鉆井液高溫高壓濾失量的影響

3.2 抑制劑

在實(shí)現(xiàn)對地層有效封堵的情況下，仍然需要加強(qiáng)鉆井液體系的抑制性，防止黏土礦物水化膨脹，目前鉆井現(xiàn)場常用的抑制劑為無機(jī)鹽類[10-13]，實(shí)驗(yàn)優(yōu)選強(qiáng)抑制劑胺基硅醇HAS，其作用機(jī)理是在聚胺抑制劑基礎(chǔ)上引入硅羥基，在黏土表面形成疏水層，減緩黏土水化[14-16]。

3.2.1 高溫高壓膨脹性測試

采用10 g膨潤土×12 MPa×5 min壓片，在3.5 MPa×100 ℃×16 h環(huán)境下測定膨潤土片的膨脹性，從圖4可以看出，膨潤土片在清水中浸泡不到2 h發(fā)生明顯膨脹，16 h線性膨脹率達(dá)到35%以上。1%胺基硅醇溶液浸泡3 h后開始膨脹，膨脹率隨時(shí)間延長增加幅度緩慢，16 h膨脹率比清水降低41%以上，胺基硅醇HAS具有良好的抑制能力。

圖4 抑制劑高溫高壓膨脹性實(shí)驗(yàn)

3.2.2 對巖石強(qiáng)度影響

將巖石放置在胺基硅醇鉆井液、 油基鉆井液以及常用聚合醇水基鉆井液中浸泡24 h， 然后使用YE-300型壓力試驗(yàn)機(jī)測定浸泡后巖心的單軸抗壓強(qiáng)度變化。胺基硅醇和聚合醇的加量均為1%， 基礎(chǔ)配方為3%淡水漿+0.3%NaOH+0.15% Na2CO3+0.2%PAC-LV+0.2%增黏劑80A51+1.5%防塌劑NPAN+2%磺化瀝青；油基鉆井液配方為：80%5#白油+20%[CaCl2水溶液（濃度為20%）]+2.0%主乳化劑+1.0%輔乳化劑+2.0%堿度調(diào)節(jié)劑+3%有機(jī)土+2.0%潤濕劑+3.0%降濾失劑。浸泡前測定巖石單軸抗壓強(qiáng)度為58 MPa， 聚合醇體系浸泡后巖石強(qiáng)度降低至28 MPa， 油基鉆井液浸泡巖塊強(qiáng)度降低為53 MPa， 胺基硅醇體系浸泡后， 巖石強(qiáng)度降低為49 MPa， 與油基鉆井液基本相當(dāng)， 這表明胺基硅醇通過變潤濕性改變作用， 以及硅羥基和胺基的協(xié)同作用能夠抑制巖石中黏土礦物的水化膨脹和分散，減緩巖石應(yīng)力釋放， 達(dá)到穩(wěn)定巖石強(qiáng)度的效果。

4 鉆井液性能測試

在完成對封堵劑和抑制劑優(yōu)選后，確定了體系配方為：（2%～3%）膨潤土+0.2%NaOH+1%胺基硅醇HAS+3%固壁劑HGW+2%封堵劑HSM+1%表面活性劑HLB+3%KCl+2%防水鎖劑HAR-D+0.3%LV-PAC。在室內(nèi)以流變性、抑制性、封堵性、潤滑性、抗污染能力作為評價(jià)指標(biāo)，對鉆井液性能進(jìn)行評價(jià)。

4.1 流變性

室內(nèi)對鉆井液體系流變性能及抗老化性進(jìn)行評價(jià)。由表7數(shù)據(jù)可知，鉆井液性能穩(wěn)定，具備較好的流變性，在100 ℃下老化72 h后仍具備較好的流變性和失水造壁性，同時(shí)兼具良好的的潤滑性。

表7 強(qiáng)封堵鉆井液流變性及抗老化性能

4.2 抑制性

室內(nèi)通過熱滾回收實(shí)驗(yàn)和線性膨脹率實(shí)驗(yàn)評價(jià)鉆井液抑制性能，實(shí)驗(yàn)用巖屑為M1井館陶組易水化膨脹泥頁巖。實(shí)驗(yàn)可見（表8），強(qiáng)封堵鉆井液體系的巖屑熱滾回收率達(dá)98.5%，10 h線性膨脹率僅為2.34%，說明體系對泥頁巖水化抑制性較強(qiáng)。

表8 強(qiáng)封堵鉆井液抑制性評價(jià)（100 ℃×16 h）

4.3 封堵性測試

4.3.1 濾失量

室內(nèi)分別在FLAPI和FLHTHP濾失量測定儀上測得濾失量隨時(shí)間的變化。由表9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，6 h的FLAPI和FLHTHP分別為7.8 mL和9.0 mL，濾失量較低，表明鉆井液具備較好的封堵性能。

表9 封堵性能測試結(jié)果

4.3.2 巖心封堵實(shí)驗(yàn)

取M1井山西、太原組巖屑磨碎制備成人工巖心，測得的滲透率為79.3 mD，在巖心流動(dòng)試驗(yàn)儀上測定鉆井液對低滲巖心的封堵能力，實(shí)驗(yàn)條件為100 ℃×3.5 MPa×120 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5，其中清水在2.5 min漏失完，強(qiáng)封堵鉆井液在120 min后漏失量仍為0，說明體系對人造巖心的封堵能力很強(qiáng)。

圖5 人造巖心漏失量變化

4.4 抗污染能力

室內(nèi)評價(jià)鉆井液的抗污染能力，包括NaCl、CaCl2、MgCl2以及鉆屑，取M1井鉆屑磨碎后過100目篩網(wǎng)，加入鉆井液中，一定條件老化后觀察性能變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表10）顯示隨著鉆屑加量的增加，鉆井液的表觀黏度、切力以及濾失量增加幅度較小。

表10 強(qiáng)封堵鉆井液抗污染能力評價(jià)

5 在Z2井應(yīng)用情況

Z2井為中牟區(qū)塊部署的第2口頁巖氣探井，該井與M1井直線距離1.5 km，主要鉆進(jìn)層位為下石盒子組、山西組以及太原組，2口井主要目的層埋深、地質(zhì)特征基本一致，Z2井采用三開井身結(jié)構(gòu)，自三開二疊系上石盒子組至奧陶系馬家溝組采用強(qiáng)封堵鉆井液體系。在鉆進(jìn)目的層泥頁巖井段未發(fā)生井眼縮徑以及鉆頭泥包現(xiàn)象，說明鉆井液抑制性較強(qiáng)，在鉆進(jìn)目的層山西、太原組時(shí)，基本未出現(xiàn)井壁坍塌掉塊情況，整個(gè)鉆進(jìn)過程起下鉆順暢。Z2井與鄰井M1井對比，鉆井周期縮短了20%；電測結(jié)果顯示，全井段平均井徑擴(kuò)大率為6.32%，目的層為6.26%（見圖6），相較于M1井降低了70%。應(yīng)用結(jié)果表明使用該鉆井液體系復(fù)雜事故大幅下降，鉆井效率大幅提高實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆進(jìn)的目的。

圖6 Z2井電測井徑對比圖

6 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1.通過研究河南上古生界山西、太原組頁巖地層地質(zhì)特征并結(jié)合老井鉆井液性能室內(nèi)評價(jià)結(jié)果，確定了造成井壁失穩(wěn)、坍塌掉塊的原因，基于“強(qiáng)封堵+強(qiáng)抑制”思路對鉆井液處理劑進(jìn)行優(yōu)選，室內(nèi)對鉆井液性能進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該鉆井液具備較好的流變性，強(qiáng)封堵性、抑制性以及抗污染能力。

2.現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，所研發(fā)的強(qiáng)封堵鉆井液體系對河南頁巖氣井泥頁巖鉆井適用性較好，基本解決了井壁坍塌掉塊、井徑擴(kuò)大率大的難題，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆進(jìn)的目的。

3.根據(jù)目的層硬脆性泥頁巖地質(zhì)特征及井壁失穩(wěn)機(jī)理，建議下一步展開水平井水基鉆井液技術(shù)研究，降低鉆井液使用成本，同時(shí)保護(hù)環(huán)境。