蘇力才，蒙學禮*，李永衛(wèi)，王嘉瑤，李明星，付 帆

（1.廣西第一地質(zhì)工程公司，廣西 南寧 530031；2.北京探礦工程研究所，北京 100083）

0 引言

廣西柳州市魚峰區(qū)雒容鎮(zhèn)區(qū)塊頁巖氣地層受地質(zhì)構(gòu)造的影響，部分地層嚴重破碎，膠結(jié)性差，具有水敏不穩(wěn)定性。位于該區(qū)域的桂柳地1井設(shè)計井深2350 m，根據(jù)鄰井鉆遇地層資料，破碎的泥巖層量多、厚度大，伊利石、高嶺石和綠泥石等粘土礦物總含量高，水化膨脹性較強。在破碎、水敏不穩(wěn)定地層深孔鉆進，要求沖洗液維持孔壁穩(wěn)定的能力更強，需要沖洗液能有效封堵裂隙，強化孔壁作用；更低的濾失量，減弱水化作用；更強的成膜抑制效果，能夠在孔壁較快速成膜隔水［1-4］。PVA1788體系無固相沖洗液具有粘度低及較高的潤滑性能，具有一定的充填裂隙、吸附成膜抑制防塌能力，在固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查鉆探中取得很好的應(yīng)用效果，因此，在此基礎(chǔ)上添加成膜A劑為主的處理劑進行試驗研究，應(yīng)用于桂柳地1井深孔復(fù)雜地層。

1 地層簡述

1.1 鉆遇地層巖性

桂柳地1井位于柳州市魚峰區(qū)雒容鎮(zhèn)東塘村東南 約1.2 km處，采 用HXY-8B型 鉆 機，JS122、CHD98繩索取心防斜鉆具鉆進，終孔孔深2004.80 m。鉆遇地層如下：

（1）0～67.15 m為羅城組（C1l）地層。其中0～14.90 m為殘坡積層；14.90～67.15 m為基巖，灰色石英砂巖夾深灰色泥巖、含生物鈣質(zhì)泥巖。

（2）67.15～1319.83 m為鹿寨組三段（C1lz3）地層?；液谏鄮r、含粉砂質(zhì)泥巖夾深灰色石英砂巖，局部為灰色含生物屑灰?guī)r。

（3）1319.83～1943.50 m為 鹿 寨 組 二、一 段（C1lz2、C1lz1）。上部為灰黑色泥晶灰?guī)r、礫塊灰?guī)r、生物屑灰?guī)r，局部夾灰黑色鈣質(zhì)泥巖；中部為灰黑色泥巖與深灰色?。袑訝钌皫r互層；下部為灰黑色泥晶灰?guī)r夾黑色?。袑庸栀|(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r、薄層碳質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖，局部為生物屑灰?guī)r。

（4）1943.50～2004.80 m為五指山組（D3w）。扁豆狀、疙瘩狀、條帶狀灰?guī)r，微晶灰?guī)r。

鉆遇部分地層極破碎，如孔深551.05～556.85 m鹿寨組三段（C1lz3）的黑色泥巖（見圖1）。

圖1 桂柳地1井取出的破碎地層巖心Fig.1 Cores taken from broken formation in Well Guiliudi-1

1.2 鄰井不穩(wěn)定泥巖成分分析

桂柳地1井與東塘1井直線距離約1.5 km，委托北京探礦工程研究所對相鄰的東塘1井鹿寨組三段（C1lz3）破碎不穩(wěn)定泥巖成分分析，結(jié)果見表1。

表1 不穩(wěn)定泥巖成分分析Table 1 Component analysis of unstable mudstone

伊利石、高嶺石和綠泥石總含量≥65%，其中，伊利石總含量10%～15%，粘土礦物含量高，水化膨脹性較強［5］。部分泥巖極破碎，沖洗液濾液很容易滲入地層，使孔壁的機械強度進一步降低；粘土礦物以伊利石、高嶺石和綠泥石為主的泥巖，吸水分散，易造漿［6］。

2 PVA1788成膜體系無固相沖洗液試驗

2.1 PVA1788成膜體系無固相沖洗液室內(nèi)試驗

在PVA1788體系無固相沖洗液的基礎(chǔ)上，委托北京探礦工程研究所，選擇、添加成膜抑制防塌類處理劑進行室內(nèi)對比試驗。PVA1788體系無固相沖洗液加入5%成膜A劑、0.5%增粘劑GTQ后，提高了沖洗液與蒸餾水相比的相對膨脹降低率，降低了API濾失量；成膜A劑基本不影響沖洗液的潤滑性能。巖樣浸泡試驗成果表明，加入成膜A劑后，沖洗液的成膜抑制防塌能力更強。結(jié)果見表2及圖2。

圖2 不同配比沖洗液巖樣浸泡對比Fig.2 Comparison of immersion of rock samples in different drilling fluid systems

表2 不同配比的PVA1788體系無固相沖洗液室內(nèi)試驗結(jié)果Table 2 Laboratory test results of different PVA1788 system solid-free drilling fluid

2.2 PVA1788成膜體系無固相沖洗液現(xiàn)場試驗

2.2.1 不同的PVA1788無固相沖洗液對比試驗

采用川維120目聚乙烯醇PVA1788、廣譜護壁劑GSP、成膜A劑及分子量1000萬～1200萬、水解度30%～35%的水解聚丙烯酰胺PHP，不同配比的PVA1788體系無固相沖洗液進行對比試驗。成膜A劑對沖洗液塑性粘度影響不明顯。PHP提粘作用較強，在PVA1788及GSP加量相同時，加入PHP濃度為0.05%～0.08%的沖洗液比加入4%～6%成膜A劑的沖洗液塑性粘度高約3～4 mPa·s?，F(xiàn)場使用時應(yīng)采用加入0.01%～0.03%的PHP包被、絮凝鉆屑，控制PHP的用量，必要時，可選擇分子量較低的PHP或其他處理劑作包被、絮凝劑。結(jié)果見表3。

表3 不同配比的PVA1788體系無固相沖洗液現(xiàn)場對比試驗結(jié)果Table 3 Comparative test results in field of different PVA1788 system solid-free drilling fluid

2.2.2 在造漿性地層中抗污染對比試驗

鉆遇伊利石、高嶺石、綠泥石等粘土礦物含量高的泥巖時，具有一定的造漿性能，使沖洗液粘度升高，密度增大。為了評價造漿性地層對PVA1788體系無固相沖洗液的影響，采用在南寧市采購的PVA1788（川維120目）進行沖洗液對比試驗。加入4%人工鈉土漿液后，PHP加量0.02%，PVA1788、GSP加量在0.5%～1.0%時，沖洗液塑性粘度在4～5.5 mPa·s之間，升高2～2.5 mPa·s，沖洗液性能維持在較穩(wěn)定的水平；PHP加量0.03%，PVA1788、GSP加量均為1.5%時，沖洗液塑性粘度高達12.5 mPa·s。根據(jù)羅維礦區(qū)PVA1788體系無固相沖洗液室內(nèi)試 驗 結(jié) 果，PHP、PVA1788加 量 相 同，GSP加 量0.5%～1.5%時，沖洗液的視粘度、塑性粘度變化不明顯，因此，沖洗液粘度增高的主要原因是PVA1788加量過大。結(jié)果見表4。

表4 粘土對PVA1788體系無固相沖洗液影響對比試驗結(jié)果Table 4 Comparative test results of influence of clay on PVA1788 system solid-free drilling fluid

2.2.3 不同產(chǎn)地的PVA1788對比試驗

采用不同采購渠道的PVA1788配制沖洗液，粘度差別較大。根據(jù)多次試驗，在南寧市采購的川維120目PVA1788，4%水溶液塑性粘度均為13 mPa·s左右。在桂柳地1井應(yīng)用PVA1788成膜體系無固相沖洗液過程中，發(fā)現(xiàn)在北京采購的PVA1788配制漿液粘度偏高，為此進行了不同采購地點的PVA1788沖洗液對比試驗，當PVA1788、GSP加量均為0.75%時，北京采購的PVA1788配制沖洗液塑性粘度高達6.5 mPa·s，與南寧采購的PVA1788相比，塑性粘度增高了3.5 mPa·s。結(jié)果見表5。

表5 不同產(chǎn)地的PVA1788無固相沖洗液對比試驗結(jié)果Table 5 Comparative test results of PVA1788 solid-free drilling fluid from different producing origins

3 沖洗液處理劑機理及作用

聚乙烯醇PVA1788：聚合度為1700，醇解度88%，為部分醇解型，保留了部分醋酸基的憎水基，具有表面活性劑性質(zhì)，其水溶液具有潤滑作用；PVA1788的-OH吸附基類似多元醇的化學性質(zhì)［7］。PVA1788具有包裹吸附作用和成膜抑制性，分子鏈上含有大量的-OH側(cè)基吸附基團與孔壁上的泥巖、粘土等強吸附，增大整個分子空間位阻，使分子主鏈剛性增強；分子鏈上的醋酸基憎水基團形成一道憎水屏障，防止水和溶質(zhì)擴散，增強了成膜的理想性［8］。泥巖或粘土吸附表面活性劑后，原來的親水表面可轉(zhuǎn)化為憎水表面，從而使泥巖或粘土憎水［9］。PVA1788的非離子型-OH極性基團與水在粘土表面發(fā)生競爭吸附，優(yōu)先在粘土表面取代部分水分子，形成一個憎水的膜，破壞和阻止了粘土表面導(dǎo)致泥頁巖膨脹分散的結(jié)構(gòu)水層的形成，從而起到抑制作用［10-13］。降失水作用以-OH吸附基為主，PVA1788加量為0.5%～1%時，漿液粘度變化不明顯；加量為1.5%、粘土侵入時，漿液粘度較高。

廣譜護壁劑GSP：充填裂隙及聚合淀粉長鏈、網(wǎng)狀吸附孔壁，具有抑制、防塌、降失水、潤滑等一劑多能的特點［14］。GSP中的植物油腳與具有表面活性的PVA1788聯(lián)合作用，增強沖洗液的潤滑性能。GSP加量0.5%～1.5%時，沖洗液粘度變化不明顯。

成膜A劑：成膜隔水、降失水及封堵作用［15］。不影響沖洗液的潤滑性能，對粘度影響不明顯。

封堵劑GFD-1：裂隙、破碎帶封堵作用。

水解聚丙烯酰胺PHP：絮凝作用。

氫氧化鉀KOH：調(diào)節(jié)pH值，利于成膜A劑的溶解。

防塌減阻劑GFT：低溫軟化變形，粘附性較強，封堵微裂隙，潤滑減阻，不增粘［16］。

4 PVA1788成膜體系無固相沖洗液現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 沖洗液配比及性能維護要求

沖洗液配比：1 m3清水+0.5～0.8 kg PHP+7～15 kg PVA1788+7～20 kg GSP+25～50 kg成膜A劑+0～20 kg GFD-1+0～2 kg KOH。

配制新漿及沖洗液性能要求：相對密度1.02～1.04，塑性粘度5～10 mPa·s，API濾失量5～8 mL，pH值8～11。

現(xiàn)場沖洗液配制及性能調(diào)節(jié)維護：

（1）配制新漿時，基本按沖洗液配比的中值加入處理劑，沖洗液配比：400 L清水+0.26 kg PHP+4.5 kg PVA1788+4.5 kg GSP+15 kg成 膜A劑+4 kg GFD-1+1 kg KOH。

（2）地層相對完整時，置換舊漿，每盤新漿加量：400 L清 水+0.12kg PHP+4 kg PVA1788+4 kg GSP+20 kg成膜A劑+4kg GFD-1。

（3）鉆遇破碎地層時，置換舊漿，每盤新漿加量：400 L清水+0.08 kg PHP+5 kg PVA1788+5 kg GSP+20 kg成膜A劑+6 kg GFD-1。

（4）控制API濾失量5～8 mL，每盤調(diào)節(jié)400 L舊漿加量情況：采用在北京市采購的PVA1788時，先按12.5 kgPVA1788、20.5 kg GSP、25 g成膜A劑的比例配制混合粉，然后，根據(jù)舊漿的性能添加混合粉，使400 L舊漿攪拌后的API濾失量在5～8 mL之間。采用在南寧市采購的PVA1788時，混合粉則按20 kg PVA1788、25 kg GSP、25 g成 膜A劑、17 kg GFD-1的比例配制。

（5）鉆遇特別破碎、不穩(wěn)定地層時，酌情加入防塌減阻劑GFT，每攪拌400 L舊漿加入4 kg防塌減阻劑GFT。

4.2 現(xiàn)場沖洗液性能測試統(tǒng)計結(jié)果

桂柳地1井孔深0～924.05 m采用在北京市采購的PVA1788配制及維護沖洗液，取孔內(nèi)返漿測試沖洗液性能，性能參數(shù)離散較大，塑性粘度較高?？咨?24.05～2004.80 m采用在南寧市采購的PVA1788不再加入KOH提高pH值，性能參數(shù)離散較小，API濾失量在5～8 mL范圍內(nèi)，沖洗液相對密度高與排漿受限、長時間積累有關(guān)，見表6。

表6 沖洗液現(xiàn)場測試統(tǒng)計結(jié)果Table 6 Results of drilling fluid field test

4.3 PVA1788成膜體系無固相沖洗液應(yīng)用效果

桂柳地1井采用PVA1788成膜體系沖洗液，實現(xiàn)維持孔壁穩(wěn)定、安全鉆進，全孔沒有采用水泥護壁堵漏。835.18～868.10 m孔段巖性為破碎—極破碎灰黑色泥巖，局部巖層面扭曲，產(chǎn)狀近直立，容易發(fā)生孔壁掉塊（見圖3），裸眼維持孔壁穩(wěn)定不發(fā)生坍塌的時間＞99 d。

圖3 不穩(wěn)定地層巖心Fig.3 Cores from unstable formation

4.4 存在的問題

（1）在破碎水敏不穩(wěn)定地層深孔鉆進，需要根據(jù)沖洗液維持孔壁穩(wěn)定的能力，采用多級套管護壁。由于沒有配套S口徑繩索取心鉆具，采用前導(dǎo)向擴孔鉆具擴孔，工作量大，效率低。因擴孔時鉆屑沉積于孔底，835.18～868.10 m孔段未能擴孔到位及時下入套管隔離，出現(xiàn)孔壁掉塊。

（2）前期沖洗液pH值較高，對抑制泥巖水化膨脹與分散不利。

（3）采用TGLW350-692型離心機分離鉆屑，離心機轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1500 r/min，離心前后的沖洗液相對密度降幅多在0.01～0.02之間，固控效果不理想，沖洗液密度持續(xù)增大。應(yīng)采用最大轉(zhuǎn)速為2500 r/min的TGLW350型變頻型離心機，提高固相分離效果。

（4）孔深1641.90～1646.20 m的灰黑色泥巖地層相對完整，與其他孔段的泥巖不同，層間縫內(nèi)石膏半充填，泥巖層間的石膏具有較強的滲透性，容易誘發(fā)泥巖內(nèi)部水化膨脹縮徑。泥巖遇水膨脹產(chǎn)生鉆孔縮徑現(xiàn)象，通常在下大鉆時才發(fā)現(xiàn)，而在鉆進過程中，縮徑孔段一般逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑥娇锥?，鉆遇縮徑孔段時，采用加強掃孔處理，快速往下鉆進。

5 結(jié)語

（1）PVA1788體系無固相沖洗液加入成膜A劑為主的處理劑后，基本不影響沖洗液的潤滑性能，提高了沖洗液與蒸餾水相比的相對膨脹降低率，降低了API濾失量。巖樣浸泡試驗成果表明，加入成膜A劑后，沖洗液的成膜抑制防塌能力更強。在桂柳地1井破碎、水敏復(fù)雜地層中應(yīng)用表明，API濾失量控制在5～8 mL之間，裸眼維持孔壁穩(wěn)定不發(fā)生坍塌時間＞99 d。

（2）根據(jù)廣西來賓市蒙村頁巖氣區(qū)塊桂來地1井應(yīng)用分析，塑性粘度≤7 mPa·s時，沖洗液的密度變化不明顯，固相含量維持在較低的水平。在水敏復(fù)雜地層鉆進，PVA1788加量＞1%，沖洗液塑性粘度過高，鉆屑在地表沉降分離效果差，導(dǎo)致密度持續(xù)增大。建議采用聚合度相同、醇解度為66%～80%的PVA，或采用聚合度稍低、醇解度為88%左右的PVA，降低沖洗液的塑性粘度。

（3）鉆遇破碎或滲透性較強的水敏不穩(wěn)定泥巖，沖洗液的封堵、成膜隔水作用相對滯后，避免不了沖洗液滲入地層。后續(xù)應(yīng)開展吸附成膜速度快的硅酸鹽、氯化鉀等處理劑的研究，以提高沖洗液礦化度，降低沖洗液活度（或化學位），減小或阻止沖洗液中的自由水向地層滲透，減緩泥巖水化膨脹與分散。