劉喜亮 由福昌 吳素珍 嚴銳 鄧聰

摘??????要：頁巖氣開發(fā)主要以大位移井、水平井為主，由于頁巖地層裂縫與層理發(fā)育、水敏性強，在長水平段鉆井過程中極易發(fā)生頁巖脫落掉塊、垮塌和縮徑等井壁失穩(wěn)問題，同時還存在攜巖困難、摩阻大及井眼軌跡難以控制等一系列難題。在對頁巖巖性評價和頁巖井壁失穩(wěn)機理分析的基礎上，探索出了適合于頁巖氣開發(fā)，保持井眼穩(wěn)定的頁巖氣鉆井技術，該技術一方面主要是對頁巖表面微裂縫進行有效的封堵，另一方面主要是對頁巖表面易分散和膨脹性黏土礦物進行有效抑制。

關??鍵??詞：頁巖氣;水平井;失穩(wěn);井眼穩(wěn)定;封堵;抑制

中圖分類號：TE 254 ??????文獻標識碼： A ?????文章編號：?1671-0460（2020）01-0129-05

Mechanism Analysis of Shale Wellbore Instability

and Drilling Fluid Countermeasures

???LIU Xi-liang¹，?YOU Fu-chang²，?WU Su-zhen²， YAN Rui²，?DENG Cong²

（1. China Oilfield Services Co.， Ltd.， Guangdong Zhanjiang 430100， China;

2. Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Hubei Jingzhou 434023， China）

Abstract： Shale gas development mainly uses large displacement wells and horizontal wells. Due to shale formation and bedding development， the water sensitivity is strong， and shale falling?off， collapse?and other problems easy happen in the long horizontal drilling process. Based on the evaluation of shale lithology and analysis on the instability mechanism of shale shaft wall， a?shale gas drilling technology suitable for shale gas development and maintaining?wellbore stability?was developed. The micro-cracks on the surface of the rock can be?effectively blocked?by using the technology， on the other hand， clay minerals that are easy to disperse and expand can be effectively suppressed.

Key words： Shale gas; Horizontal well; Instability; Wellbore stability; Seal; Suppression

頁巖氣通常具有儲量大，生產周期長等特點，針對頁巖氣的成藏特征，頁巖氣鉆井多以采用大位移水平井的鉆井方式為主。由于泥頁巖地層層理較為明顯，微裂縫發(fā)育、水敏性強，在長水平段鉆井過程中，容易發(fā)生掉塊、井垮、井塌等問題，而且頁巖氣水平段一般相對較長（普遍大于1 000 m），從而進一步增大了發(fā)生井壁失穩(wěn)等復雜情況的概率^[1]。因此，在頁巖水平井鉆井過程中，解決井壁失穩(wěn)等問題，就成了鉆井液選擇和設計的關鍵。為解決上述問題，我國目前在頁巖氣大位移水平井鉆井過程中基本都采用油基鉆井液體系進行鉆進，但是油基鉆井液通常面臨著環(huán)境污染和成本高等問題，亟須開發(fā)出一套水基鉆井液體系解決泥頁巖井壁失穩(wěn)的新技術，本文在對泥頁巖礦物組分分析和頁巖井壁失穩(wěn)機理分析，以及油基鉆井液具有較好穩(wěn)定井壁的基礎上，對水基鉆井液相關處理劑在井壁穩(wěn)定性好等方面進行了研究^[2，3]。

1 ?頁巖巖性分析

1.1 ?頁巖礦物組成分析

室內利用X衍射對頁巖氣某井的巖心進行了礦物組分分析，實驗結果如表1-表2。

從表1和表2可以看出，該井頁巖地層礦物以黏土和石英為主，其次為斜長石和白云石，還含有少量的鉀長石、方解石和黃鐵礦。頁巖地層的黏土礦物含量均較高，達到了23%～46%，其中以伊蒙混層和伊利石為主，綠泥石次之，膨脹性黏土礦物含量較低。另外脆性礦物石英含量高，表現出泥頁巖質硬、性碎的特征，這就加劇了此類泥頁巖發(fā)生壁失穩(wěn)的風險。

1.2 ?頁巖膨脹性及分散性

（1）陽離子交換容量限——亞甲基藍實驗

取100目以下頁巖地層巖心粉0.5 g，加入30 mL蒸餾水，按照亞甲基藍測試標準進行實驗，消耗3.2 g/L亞甲基藍溶液5.5 mL達到實驗終點;膨潤土的陽離子交換容量為70 meq/100 g，及70 mL亞甲基藍溶液/g膨潤土，所以可以推算出龍馬溪巖心粉陽離子交換容量為11 meq/100 g。

（2）線性膨脹實驗

取龍馬溪巖心粉100目以下按標準進行膨脹實驗，清水實驗最終膨脹量為1.21 mm;油基鉆井液膨脹量為0.01 mm。

（3）頁巖巖心滾動回收率實驗

室內采用滾動回收率的實驗方法，對比了清水和水基鉆井液對龍馬溪頁巖的抑制性能。實驗方法為，分別在清水和水基鉆井液中加入50 g經過100 ℃烘干后6～10目的龍馬溪組巖屑，經過90 ℃×16 h熱滾，40目篩出，烘至恒重，計算一次滾動回收率。泥頁巖巖心滾動回收率實驗結果如表3。

從表3可以看出，該泥頁巖在清水和水基鉆井液中的回收率均在97%以上，說明泥頁巖水化分散性較弱。

2??頁巖失穩(wěn)機理分析

2.1 ?頁巖失穩(wěn)原因

通過以上實驗分析和研究，影響泥頁巖井壁失穩(wěn)的因素主要有兩個方面。一個是泥頁巖的內部因素的影響，主要是泥頁巖地層的理化性質和力學方面;另一個是外部因素的影響，其主要是頁巖地層鉆進中鉆井液的選用，以及鉆井工程條件等方面。

泥頁巖中的黏土礦物主要是非膨脹性黏土礦物伊利石、伊蒙混層等為主，非黏土礦物主要是石英等硬脆性礦物。根據泥頁巖的組分構成，分析發(fā)現這類泥頁巖主要以脫落掉塊的失穩(wěn)形式呈現出來。此外，泥頁巖層理和微裂縫十分發(fā)育，在鉆井過程中，井下鉆具的機械劇烈振動，會產生誘導裂縫，更加為鉆井液濾液侵入地層提供了通道。在鉆井工程中，井下鉆井液液柱壓力往往大于地層壓力，鉆井液濾液容易沿著泥頁巖納-微孔縫侵入頁巖地層，使地層壓力增大，地層額外壓力又會使微裂縫擴展和延伸，最終導致泥頁巖剝落掉塊，從而導致井塌等事故的發(fā)生。

2.2 ?頁巖井壁失穩(wěn)機理分析

（1）失穩(wěn)模式

硬脆性泥頁巖由于脆性礦物石英含量高，主要表現出較強的脆性。對于近井壁泥頁巖地層，由于上部地層的壓實作用，當其所受的壓力超過其巖石顆粒的黏聚力時，即失去其原有的應力狀態(tài)而發(fā)生井壁失穩(wěn)^[4，5]。

（2）黏土礦物與鉆井液之間的化學反應：

如果泥頁巖含有較多的分散性礦物（如高嶺石、伊利石或伊-蒙混層等），泥頁巖中的礦物就容易水化分散開裂，從而更易導致泥頁巖脫落失穩(wěn)。

（3）各向異性及非連續(xù)性

由于泥頁巖地層巖石具有非均質性，且各向同性。在多數情況下，井壁巖石的失穩(wěn)主要是根據局部的各向異性和非均質性來決定的。針對泥頁巖的層理分布明顯的特點，所以天然裂縫和誘導裂縫是會導致泥頁巖非均質性，從而增加了巖石的這種各向異性^[4，5]。

（4）鉆井液液柱壓力

在頁巖氣鉆井過程中，特別是在起鉆時，由于鉆井液的抽吸壓力，可能產生井底壓力急劇減小的現象，使地層失去支撐作用而發(fā)生坍塌。所以，控制起下鉆速度，對保持泥頁巖井壁穩(wěn)定有著非常關鍵的作用^[6]。

通過CT掃描儀，對硬脆性泥頁巖裂縫進行了實驗研究。設備采用德國diondo d2高分辨率CT掃描儀，分辨率為12μm（圖1）。

1^#、2^#、3^#、4^#分別為泥頁巖地層同質巖心，經過切割和加工制備成，通過肉眼觀察，是很難發(fā)現有裂縫分布。

實驗過程：將四塊同質巖心浸泡在不同的流體中，90 ℃保溫36 h。

1#巖心浸泡在清水中;

2#巖心浸泡在傳統(tǒng)水基鉆井液中;

3#巖心浸泡在頁巖氣強抑制性水基鉆井液中;

4#巖心浸泡在油基鉆井液中。

通過觀察圖2和圖3可以看出，經過高分辨率儀器拍攝的浸泡前，巖心表面偶有少量微小的天然裂縫;浸泡后，發(fā)現經清水和水基鉆井液浸泡的，裂縫均呈現不同程度的擴大，而油基鉆井液浸泡后的巖心沒有裂縫出現。

圖4是四塊同質巖心，分別浸泡在四種不同流體中后，經過CT掃描，觀察到的情況，可以看出，從1^#到4^#巖心，裂縫的擴展程度逐漸增大。

綜上所述，該泥頁巖巖心浸泡后的裂縫發(fā)展狀況與初始的裂縫分布相關;巖心在不同的液體浸泡后，都會不同程度的增加裂縫開度和裂縫的數量;在巖心初始狀態(tài)相似的情況下，從1^#到4^#液體對巖心的破壞程度逐漸減小;說明油基鉆井液對頁巖的封堵和抑制效果最好，對穩(wěn)定頁巖井壁的能力最強。

如何解決頁巖的井壁穩(wěn)定問題，在了解和分析油基鉆井液體系在頁巖氣中的成功開發(fā)特點的基礎上就會發(fā)現：

（1）油基鉆井液體系具有極低的高溫高壓濾失量，具有極佳的封堵性能;

（2）油基鉆井液以乳液狀態(tài)的形式存在，其乳滴粒徑分布窄，更容易封堵頁巖的微小孔隙;

（3）油基鉆井液濾液為全部為油相，抑制性強，能夠延緩裂縫的應力釋放，延長垮塌周期。

3 ?頁巖井壁失穩(wěn)對策研究

3.1 ?頁巖井壁失穩(wěn)對策分析

基于對油基鉆井液體系在頁巖氣開發(fā)中的應用，以及對泥頁巖巖性的分析認為：

（1）硬脆性泥頁巖的屬于弱膨脹性、分散性巖石，所以泥頁巖膨脹不是引起頁巖井壁失穩(wěn)主要因素;泥頁巖本身就具有微裂縫，并且經過浸泡以后微裂縫會延伸，擴展范圍就會變大，這就涉及微裂縫變大之后最終崩裂的結果，從而導致頁巖失穩(wěn)及垮塌，存在一個垮塌周期;

（2）該種泥頁巖失穩(wěn)需要解決最主要的問題是防止微裂縫的進一步擴大，需要從兩個方面來解決，一是泥頁巖抑制方式，二是對微裂縫的有效封堵;

（3）改變傳統(tǒng)的水基鉆井液的抑制方式，進而開發(fā)出適合于頁巖氣鉆井的高性能水基鉆井液抑制劑;

（4）結合油基鉆井液的微乳液封堵效果，水基鉆井液需要采用納米封堵技術，降低滲透壓的傳遞;

（5）在鉆井過程中還必須提高鉆井速度，縮短鉆井周期，在頁巖垮塌周期內完鉆。

根據對泥頁巖失穩(wěn)機理的分析研究，提出了如下井壁內定對策，泥頁巖納-微孔縫的封堵和表面抑制改性。通過納米封堵技術，可有效阻緩鉆井液濾液侵入泥頁巖內部，防止因壓力傳遞導致井壁脫落掉塊;通過表面改性抑制，主要是改變其潤濕性，降低表面水化斥力，兩種作用的雙重結果就是，盡最大應力支撐泥頁巖井壁，達到穩(wěn)定泥頁巖井壁的效果^[7]。

3.2 ?納米封堵技術

劉樹根^[8]在“四川盆地東部地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲層特征”文中提到，通過SEM掃描電鏡研究發(fā)現，泥頁巖中納-微米孔隙和裂縫十分發(fā)育（如圖5），其尺寸主要分布在30?nm～1?μm之間。由此可見，泥頁巖中的孔隙一般在幾十納米到幾百納米之間，該泥頁巖中微裂縫也較發(fā)育，微裂縫縫寬一般在幾微米。

針對上述頁巖中存在的納米孔隙和微裂縫，必須具有針對性的封堵才能夠有效的解決鉆井液濾液侵入納米孔隙和微裂縫的概率，提高頁巖井壁穩(wěn)定性能，為此，實驗室專門優(yōu)選了納米材料封堵劑和多功能材料來封堵納-微米微孔隙和微裂縫，圖6和圖7為兩種材料的粒徑分布曲線，納米材料的粒徑分布在幾十納米到幾百之間，主要用于封堵納米級孔隙;而多功能材料的粒徑分布主要在1～20 μm之間，主要用于封堵微米級微裂縫。

上述兩種材料在實現納米孔隙和微裂縫封堵的同時，降低壓力傳遞，并能夠提高鉆井液的濾失損耗，改善泥餅質量，提高鉆井液的綜合性能。

3.3 ?頁巖抑制方式及抑制機理分析

劉敬平等^[9]基于熱力學第二定律，利用降低頁巖表面自由能以抑制頁巖表面水化的原理，發(fā)現了多碳醇對固體物質具有較強的吸附作用，從而可以改變泥頁巖的表面特性，進而抑制頁巖水化分散的穩(wěn)定井壁的方法。其通過實驗，將頁巖巖樣置于5%的多碳醇溶液中浸泡以對頁巖表面進行改性，泥頁巖改性前表面自由能為52.7 mJ/m³，改性后表面自由能為22.8 mJ/m³，與改性前比較降低了131.1%，取得了較好的效果。由此可以說明頁巖經多碳醇改性后，表面自由能顯著降低了，頁巖表面吸附水分子的能力減弱，進而很大程度抑制頁巖表面水化，有利于頁巖地層井壁的穩(wěn)定。

3.4 ?井眼穩(wěn)定鉆井液技術措施

基于對泥頁巖井壁失穩(wěn)的機理分析，現場可以通過采取以下方法來提高井壁穩(wěn)定：

（1）在水基鉆井液中加入納米級和微米級封堵材料，對泥頁巖納-微孔縫進行有效封堵，阻緩壓力傳遞進入泥頁巖內部，穩(wěn)定泥頁巖井壁;

（2）對于泥頁巖親水的特點，通過進行表面改性抑制的方法，使泥頁巖對水的親和力減弱，也能緩解水侵入泥頁巖，延長泥頁巖井壁穩(wěn)定周期;

（3）控制鉆井液的黏度和切力，鉆進時開泵平穩(wěn)，起下鉆過程中控制速度，減少鉆具對井壁的碰撞和減輕激動壓力。

4 ?結論

（1）傳統(tǒng)的鉆井液抑制性評價方法與手段不能滿足頁巖氣地層對于鉆井液抑制性的評價要求;頁巖氣鉆井中傳統(tǒng)的抑制性不能很好地滿足抑制要求;

（2）頁巖氣開發(fā)用鉆井液必須具有極佳的封堵性能，降低孔隙壓力傳遞，盡量減少鉆井液濾液向裂縫縱深侵入，提高井壁穩(wěn)定性;

（3）通過往水基鉆井液中加入多碳醇的方法，使得頁巖表面自由能降低，同時也降低了泥頁巖對水的吸附，從而保持井眼穩(wěn)定。

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