羅紅芳，張文哲，何小曲，李國(guó)榮

（1.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安716000；2.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安710075）

1 延安東部氣田地層井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

1.1 地層特征分析

延安東部氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，橫跨延長(zhǎng)縣、宜川縣和延川縣。通過對(duì)延安東部氣田上古生界地層礦物組分分析，粘土礦物以伊利石及伊蒙混層為主，屬硬脆性泥頁巖地層［1-2］。由于地層內(nèi)部微裂隙比較發(fā)育（見圖1），井眼鉆開后，若鉆井液的封堵性不高、失水造壁性不強(qiáng)，鉆井液及其濾液高溫高壓下處于紊流狀態(tài)，極易順著裂縫層理面發(fā)生滲流，造成地層水化而強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，發(fā)生坍塌、掉塊和卡鉆等復(fù)雜情況。該區(qū)地層不存在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力，但存在扭轉(zhuǎn)，層理裂縫發(fā)育明顯；該區(qū)古生界地層屬于晚成巖時(shí)期，含易坍塌的多套煤層和炭質(zhì)泥巖，易水化膨脹和分散，發(fā)生縮徑阻卡，需加強(qiáng)鉆井液的抑制水化膨脹作用［3-4］。

圖1 裂縫發(fā)育的石盒子組地層（垂深2103 m）掃描電鏡圖Fig.1 SEM image of Shihezi formation with developed fractures(vertical depth:2103m)

1.2 井壁失穩(wěn)機(jī)理研究

延安氣田“雙石組”泥頁巖滲透率最高僅為100×10-9μm2，屬特低滲地層。由于泥頁巖孔隙很小，屬于微納米級(jí)，毛細(xì)管效應(yīng)突出，比表面大，表面吸附水，吸水能力較強(qiáng)，鉆井液中含有可水化的陽離子水化并伴隨陽離子釋放，削弱巖石之間的聯(lián)結(jié)，加之水化不均勻，導(dǎo)致地層巖石局部強(qiáng)度下降而發(fā)生剝落掉塊。由此可見，必須強(qiáng)化鉆井液封堵能力，最大程度減少鉆井液濾液滲入地層，從而避免或削弱孔隙壓力二次傳遞，降低原狀地層坍塌壓力增量。針對(duì)延安東部氣田泥頁巖地層理化特性的研究表明［5］，造成延安氣田上古生界地層井壁失穩(wěn)的主要原因是鉆井液沿泥頁巖層理裂縫面滲入，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低和井下復(fù)雜。

成膜水基鉆井液［6-9］又稱隔離膜鉆井液，是將交聯(lián)聚合物改性，通過物理吸附或一系列化學(xué)反應(yīng)在井壁表面形成一層隔離膜，這種隔離膜可有效防止鉆井液濾液侵入地層內(nèi)部，強(qiáng)化鉆井液封堵性、抑制性和失水造壁性，有效實(shí)現(xiàn)泥頁巖易坍塌層的井壁穩(wěn)定，對(duì)氣層保護(hù)至關(guān)重要［10-11］。

2 成膜鉆井液體系研發(fā)

針對(duì)上述情況，通過對(duì)核心處理劑評(píng)價(jià)和優(yōu)選，研發(fā)出了密度合理的具有強(qiáng)抑制性的成膜防塌鉆井液體系。該鉆井液體系既能有效防止井壁坍塌，也能夠很好地解決延安東部氣田鉆進(jìn)時(shí)經(jīng)常遇到的井壁失穩(wěn)等復(fù)雜問題。

2.1 處理劑評(píng)價(jià)

2.1.1 降濾失劑RHPT-1的評(píng)價(jià)

抗溫抗鹽兩性離子降濾失劑RHPT-1是聚合物自由基改性后的產(chǎn)物，除了良好的降濾失作用外，提切效果好且增粘有限，保證鉆井液具有很強(qiáng)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和較好的剪切稀釋性，有效地維護(hù)鉆井液性能的穩(wěn)定［12］。實(shí)驗(yàn)對(duì)RHPT-1的加量進(jìn)行確定，配置粘土含量4%的膨潤(rùn)土漿，預(yù)水化24 h，加入1.5%SMC、3%SMP-Ⅱ攪拌30 min，加入7%KCl攪 拌30 min后，分 別 加 入0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%的RHPT-1，攪拌1 h后裝罐，在100℃下熱滾16 h，在50℃測(cè)定6個(gè)轉(zhuǎn)速的讀值（并計(jì)算AV、PV、YP、YP/PV）和高溫高壓失水量大?。ㄒ姳?）。

從表1可以看出，隨著RHPT-1加量增加，鉆井液越來越稠，動(dòng)塑比一直增加，當(dāng)RHPT-1加量為0.5%的時(shí)候，表觀粘度和塑性粘度均不大，且動(dòng)塑比為0.50，能夠使鉆井液有效地?cái)y帶巖屑并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不過強(qiáng)，當(dāng)RHPT-1加量超過0.5%后，鉆井液粘度急劇增大，但HTHP失水量卻減幅很小。因此確定RHPT-1最優(yōu)加量為0.5%。

表1 加入RHPT-1后鉆井液基漿性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of base drilling mud added with RHPT-1

2.1.2 封堵型降濾失劑CMJ-2的評(píng)價(jià)

封堵型降濾失劑CMJ-2具有較好的膜結(jié)構(gòu)（見圖2），高溫高壓封堵性和失水造壁性強(qiáng)，配伍性好，可有效保證鉆井液體系抗溫、抗鹽能力，在高、低密度下均有較好的配伍性和穩(wěn)定性。封堵型降濾失劑CMJ-2已在國(guó)內(nèi)氣井廣泛應(yīng)用，具有易調(diào)配、加量少等優(yōu)點(diǎn)，且使用效果良好［13-15］。

圖2 CMJ-2膜結(jié)構(gòu)（×2590）Fig.2 CMJ-2 membrane structure(×2590)

室內(nèi)對(duì)封堵型降濾失劑CMJ-2的加量進(jìn)行了優(yōu)化，配置4%鈉膨潤(rùn)土的基礎(chǔ)漿，預(yù)水化24 h，加入1.5%SMC、3%SMP-Ⅱ攪拌30 min后，加入7%KCl攪拌30 min，加入0.5%RHPT-1，攪拌30 min后，分別加入1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%CMJ-2，攪拌1 h后裝罐，在100℃下熱滾16 h，在50℃高溫條件下測(cè)定體系流變性能和高溫高壓失水量大?。ㄒ姳?）。

由表2可以看出，當(dāng)加入CMJ-2以后，泥餅變得很薄很致密（見圖3），且HTHP失水量大幅度減少，相比現(xiàn)場(chǎng)常用聚磺鉆井液體系性能提升很高。當(dāng)CMJ-2加量超過2.0%以后鉆井液粘度繼續(xù)增加但失水量基本不變，所以確定其最優(yōu)加量為2.0%。

圖3 HTHP泥餅質(zhì)量對(duì)比Fig.3 Quality HTHP mud cake

表2 加入CMJ-2后鉆井液基漿性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of base drilling fluid added with CMJ-2

2.2 成膜鉆井液配方確定

根據(jù)優(yōu)選出的RHPT-1和CMJ-2處理劑，設(shè)計(jì)出了適用于延長(zhǎng)氣井的成膜鉆井液體系，體系配方：4%土漿+0.15%～0.20%XC+0.50%RHPT-1+2.0%CMJ-2+7%KCl+1.5%～3.0%SMP-2+1.5%～2.0%SMC+2.0%～5.0%EP-2+1.0%～3.0%白瀝青+0.5%～1.5%JN-303+CaCO3（120～200目，密度1.25 g/cm3）。該體系經(jīng)100℃熱滾16 h后，其不同溫度下性能見表3。

表3 成膜鉆井液配方體系性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the film-forming drilling fluid system

2.3 成膜鉆井液性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)就該體系潤(rùn)滑性、抑制性、抗污染能力（抗土侵、抗鈣、抗鹽）、抗溫能力、熱穩(wěn)定性等性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.3.1 潤(rùn)滑性

室內(nèi)通過測(cè)定泥餅粘滯系數(shù)、潤(rùn)滑系數(shù)和極壓膜強(qiáng)度來綜合表征體系潤(rùn)滑性。采用粘滯系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量泥餅粘滯系數(shù)，鉆井液極壓潤(rùn)滑測(cè)試儀測(cè)定潤(rùn)滑系數(shù)和極壓膜強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 成膜鉆井液體系潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Lubricity evaluation results of the film-forming drilling fluid system

由表4可知，該體系的API、HTHP泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)和極壓潤(rùn)滑系數(shù)均較低，且滑塊無任何劃痕跡象，膜強(qiáng)度高。這歸功于體系中潤(rùn)滑劑JN-303和CMJ-2協(xié)同作用的結(jié)果。因此，該水基鉆井液體系具有很好的潤(rùn)滑性能，能有效降低摩阻、防止泥包，減少井下復(fù)雜事故發(fā)生，為安全順利鉆井提供保障。

2.3.2 抑制性

鉆井液抑制性主要考察其滾動(dòng)回收率和線性膨脹率，其結(jié)果見表5和表6。

表5 成膜鉆井液體系滾動(dòng)回收率測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of the rolling recovery rate of the film-forming drilling fluid system

表6 成膜鉆井液體系線性膨脹性測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of linear expansion of the film-forming drilling fluid system

由表5可以看出，新建立的成膜鉆井液體系對(duì)紅層土的滾動(dòng)回收率達(dá)到92%以上，比紅層土在清水浸泡條件下效果優(yōu)異很多；對(duì)巖屑的滾動(dòng)回收率保持在95%以上，對(duì)比清水浸泡巖心數(shù)據(jù)，表明該成膜鉆井液體系能有效抑制粘土水化分散。

由表6可以看出，浸泡后，成膜鉆井液體系濾液線性膨脹率均低于10%，可見該體系能夠很好地抑制粘土水化膨脹。結(jié)合滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該體系可有效抑制粘土水化膨脹和水化分散，具有很強(qiáng)的抑制性，可有效保證井壁穩(wěn)定。

2.3.3 抗污染能力

2.3.3.1 抗粘土污染

延安氣田上古生界地層粘土礦物含量高，室內(nèi)就該成膜鉆井液體系抗粘土污染能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見表7。

表7 成膜鉆井液體系抗粘土污染情況Table 7 Anti-clay pollution of the film-forming drilling fluid system

由表7可知，當(dāng)體系加入粘土量在5.0%以內(nèi)時(shí)，該體系流變性幾乎不受粘土影響，體系很穩(wěn)定；粘土加量超過5.0%時(shí)，該體系粘切增加幅度較大，泥漿增稠，剪切稀釋性較差。表明該體系抗粘土侵不超過5.0%，仍具有較強(qiáng)的抗粘土污染能力。

2.3.3.2 抗鹽污染

該體系抗鹽污染能力評(píng)價(jià)結(jié)果見表8。

表8 成膜鉆井液體系抗鹽污染情況Table 8 Salt pollution resistance of the film-forming drilling fluid system

由表8可以看出，當(dāng)NaCl含量從1.0%增加到7.0%時(shí)，該體系流變性能基本保持不變，具有較好的抗鹽能力。

2.3.3.3 抗鈣污染

該體系抗鈣污染能力評(píng)價(jià)結(jié)果見表9。

表9 成膜鉆井液體系抗鈣污染情況Table 9 Anti-calcium pollution of the film-forming drilling fluid system

由表9可以看出，當(dāng)CaSO4含量從0.5%增加到2.0%時(shí)，該體系性能穩(wěn)定，具有較好的抗鈣能力。

2.3.4 熱穩(wěn)定性

該體系的熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果見表10。

表10 成膜鉆井液體系熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)Table 10 Thermal stability evaluation of the film-forming drilling fluid system

由表10可知，在100℃下，隨著熱滾時(shí)間延長(zhǎng)，該體系流變性能和失水造壁性能保持不變，證明該體系具有良好的熱穩(wěn)定能力。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019年，該成膜防塌鉆井液體系在延長(zhǎng)縣張家灘區(qū)3口天然氣水平井中進(jìn)行了應(yīng)用。鉆井施工過程中，井壁穩(wěn)定、有效攜巖和潤(rùn)滑減阻效果好，現(xiàn)場(chǎng) 鉆井液性能測(cè)試結(jié)果如表11所示。

表11 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能測(cè)試結(jié)果Table 11 Drilling fluid performance field test results

從3口水平井現(xiàn)場(chǎng)鉆井情況可知，二開使用的聚合物體系或聚磺體系，在鉆井過程中失水量均較大，經(jīng)測(cè)定滲透率降低率都在30%左右，封堵地層能力較差，導(dǎo)致YYP3、YYP6兩口井二開鉆至2400～2500 m石盒子組泥巖段時(shí)出現(xiàn)掉塊、坍塌等復(fù)雜情況，不能有效穩(wěn)定井壁。而三開轉(zhuǎn)化為成膜防塌水基鉆井液體系后，抑制、封堵作用增強(qiáng)，API失水量控制在3.0 mL以內(nèi)，滲透率降低率＞70%，防塌能力顯著增強(qiáng)。施工過程中井壁始終保持穩(wěn)定，無掉塊、坍塌等復(fù)雜情況發(fā)生，證明了該體系的有效性和適用性，具有一定的推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)對(duì)延安東部氣田地層井壁失穩(wěn)機(jī)理分析，延安東部氣田泥頁巖地層理化特性顯著，地層粘土礦物含量高、層理裂縫發(fā)育，鉆井液沿裂縫面的侵入，粘土水化膨脹和分散加劇，導(dǎo)致地層強(qiáng)度的降低，是造成泥頁巖井壁失穩(wěn)的主要原因。

（2）通過對(duì)主要處理劑RHPT-1和CMJ-2的優(yōu)選，研發(fā)出了密度、粘度合理的成膜防塌鉆井液體系，該體系流變性和失水造壁性較好，且具有很好的抗污染和熱穩(wěn)定能力。

（3）現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用3口水平井，有效解決了延安東部氣田石千峰組和石盒子組地層易井壁失穩(wěn)等問題，優(yōu)快鉆井效果顯著，具有很好的推廣價(jià)值。