廖奉武

泥頁巖地層微納米封堵水基鉆井液技術(shù)研究

廖奉武

長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010

泥頁巖地層鉆井過程中容易發(fā)生井壁失穩(wěn)問題，鉆井液濾液侵入后，泥頁巖水化膨脹產(chǎn)生的膨脹壓加劇了裂縫的擴(kuò)展，降低了巖石強(qiáng)度；鉆井液的壓力傳遞作用會減少液柱與井壁巖石的壓差，降低了鉆井液液柱對井壁的支撐作用。本文優(yōu)選了納米封堵劑GW-NBA、亞微米封堵劑GW-MPA、超細(xì)鈣、磺化瀝青作為鉆井液的封堵劑，將剛性封堵劑與柔性封堵劑相結(jié)合，并且其粒徑范圍與一般的泥頁巖微孔隙、微裂縫相近，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一套適用于泥頁巖地層的水基鉆井液體系。結(jié)果表明，該水基鉆井液體系具有較好的封堵性能以及承壓能力，具有較好的流變性、濾失性、抑制性、封堵性，適用于泥頁巖地層鉆井。

泥頁巖 井壁失穩(wěn) 封堵劑 水基鉆井液 水化膨脹

截至2020年，我國頁巖氣可采儲量為3.6×109m3，頁巖油可采儲量為4.5×109t，泥頁巖地層油氣資源較豐富，具有較大的商業(yè)開發(fā)價值［1-2］。由于泥頁巖內(nèi)部存在微孔隙以及縱橫交貫的微裂縫，鉆井液濾液極易沿微裂縫侵入泥頁巖內(nèi)部，導(dǎo)致泥頁巖垮塌、掉塊；同時，雖然泥頁巖黏土礦物以膨脹性不高的伊利石為主，但是泥頁巖裂縫面水化膨脹產(chǎn)生的膨脹壓造成泥頁巖受力不均勻，會加劇微裂縫的擴(kuò)張［3］，因此，在泥頁巖地層鉆井過程中，極易發(fā)生井壁失穩(wěn)問題。油基鉆井液在泥頁巖地層鉆井中得到廣泛的應(yīng)用，但是油基鉆井液存在成本高、環(huán)境污染等問題［4-7］。同時，油基鉆井液在泥頁巖地層鉆井過程中偶發(fā)井壁掉塊問題，而且掉塊尺寸較大，很難被攜帶出來，因此，有必要開展泥頁巖水基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)的研究。以往，泥頁巖地層井壁穩(wěn)定技術(shù)措施著重于鉆井液的抑制性能，但是從近些年油基鉆井過程中也偶發(fā)掉塊問題可以看出，泥頁巖地層井壁穩(wěn)定的難點(diǎn)不僅僅取決于鉆井液的抑制性能。本文分析泥頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)制，并研究相應(yīng)的井壁穩(wěn)定技術(shù)措施。

1　井壁失穩(wěn)機(jī)制研究

在泥頁巖地層鉆井過程中頻發(fā)井壁掉塊等問題，但是在水基鉆井液和油基鉆井液中的掉塊程度有所不同。遼河油田沈224區(qū)塊沙四地層硬脆性泥頁巖在水基鉆井液中發(fā)生的掉塊呈小片狀，而在油基鉆井液中的掉塊呈大塊狀（圖1）。造成這種現(xiàn)象的原因是油基鉆井液的抑制性能較好，井壁僅沿著原有的稍大的天然裂縫剝落。而水基鉆井液的侵入會導(dǎo)致泥頁巖裂縫面水化膨脹程度比泥頁巖內(nèi)部大，膨脹不均產(chǎn)生的膨脹壓會撐開裂縫，使原本較小的微裂縫逐漸張開，使掉塊受壓碎裂，成更小的片狀。

圖1　水基鉆井液和油基鉆井液掉塊情況

將泥頁巖樣品在水中浸泡不同時間后，取樣進(jìn)行電子計算機(jī)斷層掃描（CT）實(shí)驗(yàn)，觀察泥頁巖微裂縫微觀變化狀態(tài)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：隨著浸泡時間的延長，泥頁巖中的微裂縫逐漸擴(kuò)大，一些原本看不見的微裂縫隨著浸泡時間的延長也逐漸顯現(xiàn)出來。這主要是由于泥頁巖中黏土礦物以伊利石為主，其膨脹性不強(qiáng)。但是，水沿著裂縫面侵入泥頁巖內(nèi)部，裂縫面水化程度比非裂縫面強(qiáng)，因而產(chǎn)生了膨脹壓，加劇了裂縫擴(kuò)展。結(jié)合圖2和圖1可知，由于油基鉆井液的抑制性較好，不會造成原本極為細(xì)微的微裂縫在膨脹不均條件下的擴(kuò)大，而且鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力沿著裂縫面?zhèn)鬟f到泥頁巖內(nèi)部，可減小鉆井液液柱與井壁的壓差，鉆井液對井壁的支撐力減小，所以泥頁巖會沿著微裂縫剝落。最終，水基鉆井液中泥頁巖掉塊多而細(xì)，油基鉆井液中泥頁巖掉塊少而大。因此，泥頁巖水基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)不僅僅要提高鉆井液的抑制性，還需提高鉆井液的封堵性能，減少鉆井液對泥頁巖地層的壓力傳遞。

圖2　泥頁巖在水中浸泡后微裂縫變化情況

2　封堵劑選擇

2.1　微納米封堵劑的選擇

泥頁巖地層微孔隙的尺寸為10～1 000 nm，介于納米級和亞微米級之間［8-9］。微裂縫的尺寸一般為10～100 μm，屬于微米級［10-11］。因此，選用封堵劑時應(yīng)先考慮泥頁巖微孔隙和微裂縫的尺寸。

室內(nèi)優(yōu)選納米封堵劑GW-NBA和亞微米封堵劑GW-MPA，并采用激光粒度儀對封堵劑進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3和4。由圖3和4可知：納米封堵劑GW-NBA和亞微米封堵劑GW-MPA的平均粒徑分別為28.96和433.53 nm，中位粒徑（50）分別為4.08和330.53 nm，顆粒累積分布為90%的粒徑（90）分別為16.71和542.43 nm。

圖3　納米封堵劑GW-NBA的粒度分布

圖4　亞微米封堵劑GW-MPA的粒度分布

為評價GW-NBA和GW-MPA兩種微納米封堵劑的封堵性能，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)選用納米濾膜（500～1 000 nm）作為濾紙，室溫下通過API濾失儀以及高溫高壓濾失儀評價微納米封堵劑的封堵性能。對兩種微納米封堵劑的封堵性能進(jìn)行了評價，并與常規(guī)封堵劑超細(xì)鈣（6.5 μm）、磺化瀝青進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1　GW-NBA和GW-MPA封堵性能評價

注：API濾膜實(shí)驗(yàn)壓力為0.7 MPa，高壓濾膜實(shí)驗(yàn)壓力為3.5 MPa。

由表1可知：常規(guī)封堵劑超細(xì)鈣對濾膜的封堵能力有限?；腔癁r青具有涂覆封堵作用，雖然對納米濾膜也有一定的封堵能力，但是其高壓濾膜濾失量較大，說明其承壓能力有限。而加入GW-NBA和GW-MPA能大幅降低膨潤土漿的API濾膜濾失量和高壓濾膜濾失量，說明GW-NBA和GW-MPA微納米封堵劑的微納米封堵效果較好。

2.2　常規(guī)封堵劑的選擇

由于泥頁巖中不僅存在微納米級別的微孔隙，還存在一定數(shù)量的微米級尺寸的微裂縫，其尺寸一般為10～100 μm，因此還需優(yōu)選對應(yīng)尺寸的封堵劑。選用不同顆粒尺寸的超細(xì)鈣作為泥頁巖微裂縫封堵劑，3種尺寸超細(xì)鈣（13、25、75 μm）的質(zhì)量比為1∶1∶1。由于超細(xì)鈣、GW-NBA和GW-MPA均為剛性封堵劑，剛性封堵劑顆粒物難以與泥頁巖的天然孔隙、裂縫完全吻合，為了提高鉆井液的封堵性能，還需要加彈性封堵劑與之相配合。因此選用磺化瀝青作為泥頁巖地層水基鉆井液的柔性封堵劑，通過API濾失儀和高溫高壓濾失儀對超細(xì)鈣以及磺化瀝青的封堵性能進(jìn)行了評價，結(jié)果見表2。

表2　超細(xì)鈣和磺化瀝青封堵性能評價

注：API濾膜實(shí)驗(yàn)壓力為0.7 MPa，高壓濾膜實(shí)驗(yàn)壓力為3.5 MPa。

由表2可知：由于超細(xì)鈣難以與孔隙完全吻合，所以單一的超細(xì)鈣封堵能力有限。而磺化瀝青這類彈性封堵劑雖然有一定的封堵作用，在膨潤土漿中加入磺化瀝青后能明顯降低其API濾失量，但是其高壓濾失量較大，說明其承壓能力較弱。而在膨潤土漿中加入超細(xì)鈣和磺化瀝青后API濾失量和高壓濾失量均較小，說明超細(xì)鈣與磺化瀝青配合后具有較好的封堵性能，并且具有一定的承壓能力，可以滿足現(xiàn)場鉆井過程中通過提升鉆井液密度來維持井壁穩(wěn)定性的需求。

3　鉆井液性能評價

通過封堵劑的選擇，構(gòu)建一套適用于泥頁巖地層的水基鉆井液體系。水基鉆井液體系配方：3%膨潤土漿+0.2%燒堿+0.5%聚合物降失水劑+2%吸水樹脂+2%GW-NBA納米封堵劑+2%GW-MPA亞微米封堵劑+2%磺化瀝青+2%超細(xì)鈣（13、25、75 μm 3種顆粒尺寸超細(xì)鈣的質(zhì)量比為1∶1∶1）+3%聚胺抑制劑+2%潤滑劑+3%KCl，用重晶石提升密度。

3.1　流變性評價

將鉆井液提升至所需密度，并在100 ℃下熱滾16 h后測其流變性能，結(jié)果見表3。由表3可知：不同密度下該鉆井液體系均具有較好的流變性能。

表3　鉆井液流變性能評價

注：AV為表觀黏度，PV為塑性黏度,YP為動切力，Gel為靜切力。

3.2　濾失性能評價

將鉆井液密度提升至1.2 g/cm3，在不同溫度下熱滾16 h后，測其API濾失量以及高溫高壓濾失量，結(jié)果見表4。由表4可知：該鉆井液體系在80～120 ℃條件下均具有較好的濾失性能，說明該體系能夠減少因?yàn)V液侵入而造成泥頁巖水化膨脹所產(chǎn)生的井壁失穩(wěn)。

表4　鉆井液濾失性能評價

3.3　抑制性能評價

取10 g經(jīng)烘干、粉碎并過0.150 mm篩的鉆屑粉，在10 MPa下壓制 5 min制成土片，使用高溫高壓線性膨脹儀測定土片在鉆井液和清水中的高溫高壓（100 ℃，3.5 MPa）線性膨脹率，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：該鉆井液體系能夠明顯降低鉆屑的水化膨脹，具有較好的抑制性能，能減少因水化膨脹壓不均導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)。

圖5　高溫高壓線性膨脹率

3.4　封堵性能評價

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，采用壓力傳遞實(shí)驗(yàn)評價構(gòu)建的水基鉆井液體系的封堵性能。該實(shí)驗(yàn)通過在巖心夾持器上下游安裝壓力傳感器，測得上下游的壓力（上游和下游），并在巖心上下游建立初始壓差（3.5 MPa），實(shí)時監(jiān)測巖心下游的壓力變化，實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示。

圖6　壓力傳遞實(shí)驗(yàn)原理

為了更好地模擬泥頁巖地層條件，實(shí)驗(yàn)采用的巖心是將泥頁巖巖屑粉碎后加工成相同規(guī)格的人造巖心，進(jìn)行壓力傳遞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖7。由圖7可知：清水在巖心中的壓力傳遞速度較快，鉆井液在巖心中的壓力傳遞速度較慢，且下游壓力增加較小，所以該鉆井液體系對巖心形成了有效封堵，對泥頁巖地層具有較好的封堵效果以及承壓能力，能夠減少鉆井液液柱壓力向地層內(nèi)部傳遞，保證鉆井液液柱壓力對井壁的有效支撐。此外，良好的封堵性能可以減少濾液侵入泥頁巖地層內(nèi)部，降低了井壁失穩(wěn)的風(fēng)險。

圖7　壓力傳遞實(shí)驗(yàn)

4　結(jié)論

1）泥頁巖地層井壁失穩(wěn)有兩方面原因：鉆井液濾液侵入后，泥頁巖水化膨脹產(chǎn)生的膨脹壓加劇了裂縫的擴(kuò)展，降低了巖石強(qiáng)度；鉆井液的壓力傳遞作用會減少液柱與井壁巖石的壓差，降低了鉆井液液柱對井壁的支撐作用。

2）本文優(yōu)選了納米封堵劑GW-NBA、亞微米封堵劑GW-MPA、超細(xì)鈣（13、25、75 μm 3種顆粒尺寸超細(xì)鈣的質(zhì)量比為1∶1∶1）、磺化瀝青作為鉆井液的封堵劑，將剛性封堵劑與柔性封堵劑相結(jié)合，并且其粒徑范圍與一般的泥頁巖微孔隙、微裂縫相符，具有較好的封堵性能及承壓能力。

3）所優(yōu)選的水基鉆井液體系具有較好的流變性、濾失性、抑制性和封堵性，適用于泥頁巖地層鉆井。

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Research on micr?ano plugging water?based drilling fluid technology in shale formations

LIAO Fengwu

，，124010，

Borehole instability easily occurs during drilling in mud shale formations. This paper studied the mechanism of wellbore instability in mud shale formations. The strength of the rock was reduced after the invasion of drilling fluid filtrate the swelling pressure caused by the hydration expansion of shale accelerated the fracture expansion； the pressure transfer effect of the drilling fluid reduced the pressure difference between the liquid column and the wellbore rock， and reduce the supporting effect of the drilling fluid column on the wellbore wall. In this paper， nanometer plugging agent GW-NBA， submicron plugging agent GW-MPA， ultr-ine calcium， and sulfonated asphalt were selected as plugging agents for drilling fluid， and the rigid plugging agent was combined with the flexible plugging agent. The particle size range was similar to that of general mud shale micr-ores and micr-ractures. On this basis， a set of water-based drilling fluid system suitable for mud shale formations was constructed. The research results showed that the system had good plugging performance and pressure bearing capacity， and had good rheology， fluid loss， inhibition， plugging and other properties， and was suitable for drilling in shale formations.

shale； borehole instability； plugging agent； water based drilling fluid； hydration

2021-11-08

中國石油集團(tuán)重大專項(xiàng)（2016ZX05020-004，2018E-2108）

廖奉武，工程師；研究方向：水基鉆井液技術(shù)；E?mail：1139172150@qq.com

［責(zé)任編輯 林本蘭］