晏 軍，張 瀟，梁 沖，郝安樂(lè)，吳 波，陳 慶，劉曉娟

(1中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2中國(guó)石油青海油田公司采油三廠 3西部鉆探克拉瑪依鉆井公司 4玉門油田分公司 5西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

當(dāng)水基鉆井液與地層頁(yè)巖接觸時(shí)，其中鉆井液中的液相在壓差的作用下通過(guò)頁(yè)巖內(nèi)大量發(fā)育的微裂縫和微節(jié)理滲入地層引起一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，從而降低頁(yè)巖地層的坍塌應(yīng)力[1]。影響頁(yè)巖地層坍塌應(yīng)力的因素當(dāng)中，抗壓強(qiáng)度是關(guān)鍵因素所在[2]。研究鉆井液處理劑對(duì)頁(yè)巖地層抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，利于鉆井液性能的進(jìn)一步改善，為降低頁(yè)巖地層坍塌應(yīng)力提供新的研究方向，同時(shí)為井下安全工作提供理論支撐。本文在不同鉆井液處理劑及鉆井液體系浸泡巖心后表現(xiàn)出不同強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，開(kāi)展對(duì)鉆井液處理劑及體系進(jìn)一步優(yōu)化。并將該研究引入鉆井液體系中，解決了長(zhǎng)久以來(lái)鉆井液與頁(yè)巖地層之間可能存在的化學(xué)-力學(xué)耦合作用帶來(lái)的不確定影響，從而為鉆井液處理劑及體系配方優(yōu)選提供指導(dǎo)。

一、長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

本實(shí)驗(yàn)選用的是龍馬溪組頁(yè)巖巖心露頭，無(wú)機(jī)鹽KCl和NaCl，有機(jī)鹽甲酸鉀，封堵劑：納米Fe3O4和聚合醇Ⅰ型，聚胺抑制劑HGI，三軸巖石強(qiáng)度測(cè)試儀RTR-1000。

2.實(shí)驗(yàn)樣品的制備

選取長(zhǎng)寧地區(qū)新鮮露頭頁(yè)巖，鉆取?25 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖心。將頁(yè)巖巖心露頭與不同濃度和不同類型的鉆井液處理劑溶液在專門設(shè)計(jì)的容器、設(shè)定好的地層溫度下浸泡相應(yīng)時(shí)間。將經(jīng)過(guò)處理后的頁(yè)巖巖心露頭(為同層位露頭、均質(zhì)性好的頁(yè)巖)放入三軸巖石強(qiáng)度測(cè)試儀RTR-1000中來(lái)測(cè)定其力學(xué)性質(zhì)(如巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、應(yīng)力值)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.實(shí)驗(yàn)相關(guān)條件的確定

根據(jù)長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖巖心埋藏深度，計(jì)算出測(cè)量時(shí)所需要模擬的溫度及圍壓。實(shí)驗(yàn)所用巖心所處井深為2 500 m，經(jīng)計(jì)算得知所需模擬的地層溫度為80℃，圍壓為25 MPa。

當(dāng)鉆井液與頁(yè)巖接觸時(shí)，鉆井液中的水分會(huì)沿著頁(yè)巖中微裂縫和微節(jié)理滲入，導(dǎo)致頁(yè)巖的吸水量會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，吸水量越多導(dǎo)致頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度下降得越快，并在一定時(shí)間內(nèi)頁(yè)巖吸入的水分趨于飽和[3]。通過(guò)測(cè)定頁(yè)巖巖石飽和水需要多少時(shí)間即利用吸水率來(lái)確定浸泡時(shí)間。

由圖1可以看出，將頁(yè)巖放入鉆井液中，隨著時(shí)間的增加，頁(yè)巖的吸水率呈上升的趨勢(shì)，在前2 h內(nèi)，吸水率急劇上升，在接下來(lái)的4 h內(nèi)，吸水率的增加趨勢(shì)放緩，在6 h左右基本上達(dá)到飽和狀態(tài)，在24 h時(shí)吸水率基本上不再發(fā)生改變?？紤]到長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖巖心浸泡時(shí)間與吸水率的關(guān)系，同時(shí)又本著節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間的目的，確定24 h為理想浸泡時(shí)間。

圖1 泥頁(yè)巖吸水率隨時(shí)間變化圖

二、鉆井液處理劑對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的影響

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有不少研究學(xué)者圍繞泥頁(yè)巖地層與不同鉆井液體系接觸時(shí)所表現(xiàn)出的強(qiáng)度特性變化規(guī)律進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。Miller Jamas F[4]等人模擬井下條件下的頁(yè)巖接觸流體，在各種施加壓力和壓差下，通過(guò)流體處理劑之前和之后的滲透率的原位測(cè)量來(lái)評(píng)估效果。Prahlad Kumar Yadav[5]等人發(fā)現(xiàn)通過(guò)鉆井液與儲(chǔ)層巖石接觸產(chǎn)生的化學(xué)-機(jī)械效應(yīng)入手，來(lái)考察鉆井液對(duì)常規(guī)和非常規(guī)巖石樣品力學(xué)性能參數(shù)的影響。鄢捷年和羅健生[6]指出，在鉆井液的性能評(píng)價(jià)中應(yīng)加入巖石抗壓強(qiáng)度。羅平亞和劉向君[7]提出在現(xiàn)有的鉆井液體系評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，通過(guò)泥頁(yè)巖在不同鉆井液體系浸泡下所表現(xiàn)的強(qiáng)度變化來(lái)對(duì)鉆井液體系做進(jìn)一步優(yōu)化。在前人研究的基礎(chǔ)上，將頁(yè)巖浸泡在不同關(guān)鍵鉆井液處理劑浸泡下表現(xiàn)出的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律應(yīng)用于鉆井液體系優(yōu)化中，將前人的研究做進(jìn)一步豐富與完善。

1.原始巖心的抗壓強(qiáng)度

首先測(cè)定了長(zhǎng)寧地區(qū)原始頁(yè)巖巖心的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如下：

圖2為長(zhǎng)寧地區(qū)原始巖心的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，由圖2可知長(zhǎng)寧地區(qū)的原始巖心的強(qiáng)度較高，巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到182.1 MPa,表明具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和彈性變形特征。達(dá)到最大應(yīng)力值后巖心隨即內(nèi)部發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫。

圖2 長(zhǎng)寧地區(qū)原始巖心的變形和破壞規(guī)律

2.無(wú)機(jī)鹽對(duì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的影響

由于K+相對(duì)于其他陽(yáng)離子來(lái)說(shuō)水化能低，因此能夠優(yōu)先被黏土吸附，使得晶層間脫水促使晶層空間受到壓縮，同時(shí)K+粒徑能夠進(jìn)入黏土氧六角環(huán)之間的間隙，形成氫鍵。在這兩種作用下形成較致密的結(jié)構(gòu)，從而起到抑制水化的作用[8]。表1為經(jīng)無(wú)機(jī)鹽浸泡后巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 無(wú)機(jī)鹽浸泡后巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果(長(zhǎng)寧地區(qū))

由表1可看出，在經(jīng)不同濃度KCl溶液浸泡后，頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度均有一定的減小，但減小程度較小，抗壓強(qiáng)度整體保持在 150～170 MPa之間。經(jīng)過(guò)7%濃度KCl溶液浸泡后的巖心應(yīng)力值達(dá)171.0 MPa，與原始頁(yè)巖巖心的應(yīng)力值接近，故視7%濃度的KCl溶液為最佳浸泡濃度。經(jīng)較低濃度NaCl浸泡后頁(yè)巖巖心的應(yīng)力值下降幅度較大，當(dāng)7%濃度時(shí)頁(yè)巖巖心的應(yīng)力值得到提升，說(shuō)明當(dāng)溶液中Na+濃度越高時(shí)，抑制性就越強(qiáng)。從表1數(shù)據(jù)上可以看出相同濃度下NaCl的抑制性弱于KCl。

3.有機(jī)鹽甲酸鉀對(duì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的影響

甲酸鉀溶液中高濃度的離子能夠壓縮黏土膠體顆粒雙電層，從而減弱黏土所帶負(fù)電性來(lái)達(dá)到降低頁(yè)巖水化膨脹的目的[9]。表2為經(jīng)不同濃度甲酸鉀浸泡后頁(yè)巖三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 經(jīng)甲酸鉀溶液浸泡后巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，甲酸鉀的抑制效果要優(yōu)于無(wú)機(jī)鹽KCl，在2%濃度下巖心的應(yīng)力值達(dá)到了182.6 MPa，大大提高了頁(yè)巖巖心的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)可以看出甲酸鉀的濃度越高，頁(yè)巖巖心應(yīng)力值呈降低趨勢(shì)，從經(jīng)濟(jì)性和效果來(lái)看，甲酸鉀的最佳濃度在2%左右。

4.抑制劑對(duì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的影響

聚胺在鉆井液中可解離成胺基陽(yáng)離子，在靜電作用下中和黏土表面負(fù)電荷，降低黏土水化斥力；同時(shí)聚胺與黏土晶層表面形成氫鍵，在靜電引力和氫鍵共同作用下束縛黏土片層，排擠出層間吸附水，削弱黏土水化現(xiàn)象；通過(guò)增強(qiáng)黏土表面的疏水性來(lái)阻止水分子的侵入，從而抑制黏土水化分散[10]。故聚胺抑制劑可表現(xiàn)出良好抑制性能。表3為經(jīng)聚胺抑制劑浸泡后巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 經(jīng)抑制劑HGI溶液浸泡后巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)抑制劑HGI溶液浸泡后，巖心的應(yīng)力值較原始巖心應(yīng)力值減小幅度很小。隨著抑制劑HGI溶液的增加，可以看出在1%濃度時(shí)，應(yīng)力值最大(即抗壓強(qiáng)度最大)，達(dá)到173.8 MPa,與原始巖心的應(yīng)力值非常接近，故在配制鉆井液體系時(shí)抑制劑HGI的最佳加量為1%。

5.封堵劑對(duì)頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度的影響

大量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)液相侵入頁(yè)巖內(nèi)部時(shí)，僅提高體系抑制性能，并不能達(dá)到理想穩(wěn)定井壁的目的。因此要達(dá)此目的還需提高體系封堵能力。

聚合醇在壓差的作用下沿頁(yè)巖微裂縫和微孔隙侵入地層，形成封堵，起到防止頁(yè)巖的水化分散的作用，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的[11]。

在做聚合醇浸泡實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將配置好的聚合醇體系加熱到80℃，將巖心露頭放入浸泡16 h，使巖心完全被浸泡的時(shí)間和聚合醇達(dá)到濁點(diǎn)的時(shí)間一致，使聚合醇發(fā)揮最佳效果。隨后將巖心取出在烘箱內(nèi)高于濁點(diǎn)溫度(120℃)烘1 h，取出進(jìn)行三軸抗壓實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)方法為模擬聚合醇I型在地層下與地層接觸并進(jìn)入地層，當(dāng)溫度高于其濁點(diǎn)析出時(shí)的情況。

表 4 經(jīng)聚合醇Ⅰ型溶液浸泡后巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4可知，巖心的抗壓強(qiáng)度與聚合醇I型濃度呈正相關(guān)，由153.1 MPa增加到 171.4 MPa，該數(shù)值接近原始巖心的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明聚合醇I型的加入可以封堵地層孔隙，提高抗壓強(qiáng)度。

6.無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)鹽、封堵劑與抑制劑復(fù)配對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響

由上述實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)鹽、封堵劑和抑制劑浸泡后，巖石的抗壓強(qiáng)度均有一定幅度的降低。下面將無(wú)機(jī)鹽、封堵劑以及抑制劑復(fù)配來(lái)浸泡巖心，來(lái)考察其對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響?，F(xiàn)取鉆井液處理劑最佳加量進(jìn)行配置，將巖心浸泡在7%KCl+2%甲酸鉀+5%聚合醇I型+1%抑制劑HGI的溶液中24 h，然后進(jìn)行三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表5。

表5 復(fù)配溶液浸泡后巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，其最大應(yīng)力值為177.4 MPa，十分接近原始巖心的應(yīng)力值，這依賴于良好封堵性與抑制性，一方面無(wú)機(jī)鹽KCl通過(guò)晶格固定和離子交換作用，甲酸鉀電荷中和和低活度形成滲透壓差阻止壓力進(jìn)一步向頁(yè)巖巖石內(nèi)部傳遞，來(lái)抑制頁(yè)巖水化，抑制劑通過(guò)靜電中和和表面吸附作用抑制黏土水化，聚合醇封堵劑通過(guò)其濁點(diǎn)效應(yīng)來(lái)封堵裂縫，經(jīng)過(guò)多元協(xié)同作用，達(dá)到穩(wěn)定頁(yè)巖井壁的目的。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

依據(jù)上述試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)及關(guān)鍵處理劑配比在長(zhǎng)寧地區(qū)威204H10-7井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)井的鉆井液密度要顯著低于鄰井鉆井液密度，且鉆井液密度可維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍，如圖3所示，低鉆井液密度可使鉆速得到提高從而使鉆井周期大幅度縮減。故將頁(yè)巖在鉆井液處理劑浸泡后所得抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律應(yīng)用于鉆井液體系研究中后，可達(dá)到改進(jìn)和提高鉆速及提高鉆井液體系穩(wěn)定井壁穩(wěn)定性的目的。

圖3 試驗(yàn)井與鄰井使用的鉆井液密度對(duì)比

四、結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)鹽浸泡巖心的結(jié)果分析，無(wú)機(jī)鹽KCl的加入會(huì)大幅度提高巖心的抗壓強(qiáng)度。其中無(wú)機(jī)鹽KCl通過(guò)晶格固定和離子交換作用來(lái)抑制頁(yè)巖水化，其最佳加量為7%。NaCl則是通過(guò)阻止液相侵入來(lái)達(dá)到減弱頁(yè)巖水化的目的，其抑制效果要弱于KCl。

(2)經(jīng)聚胺抑制劑HGI浸泡后頁(yè)巖巖心應(yīng)力值為173.8 MPa，說(shuō)明聚胺類抑制劑有助于提高頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度。聚胺抑制劑是通過(guò)靜電中和以及表面吸附作用來(lái)阻止黏土的進(jìn)一步水化，從而達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。其中抑制劑HGI的最佳加量為1%。

(3)通過(guò)對(duì)聚合醇I型浸泡巖心后的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)封堵劑的加入會(huì)大幅度提高巖心的抗壓強(qiáng)度，并且產(chǎn)生殘余強(qiáng)度。其中聚合醇封堵劑通過(guò)其濁點(diǎn)效應(yīng)來(lái)進(jìn)行有效封堵，從而抑制黏土水化。

(4)長(zhǎng)寧地區(qū)原始巖心的應(yīng)力值(即抗壓強(qiáng)度)很高，應(yīng)力值最大可達(dá)178.1 MPa，經(jīng)過(guò)無(wú)機(jī)鹽、封堵劑和抑制劑浸泡后的巖心的抗壓強(qiáng)度都有下降的趨勢(shì)，但是都沒(méi)有將三者按照最佳比例復(fù)配浸泡后巖心抗壓強(qiáng)度下降的幅度小。說(shuō)明在無(wú)機(jī)鹽KCl和有機(jī)鹽甲酸鉀抑制頁(yè)巖水化、封堵劑提供軟化粒子、聚合醇濁點(diǎn)效應(yīng)以及抑制劑靜電中和和表面吸附，在多元協(xié)同作用下起到良好的井壁穩(wěn)定效果。

(5)將頁(yè)巖在鉆井液處理劑浸泡后所表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律應(yīng)用于鉆井液體系的研究中，對(duì)鉆井液體系的優(yōu)化和提高頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支撐。