硅酸鹽體系鉆井液在頁巖氣探查井中的應用研究

陳 兵, 張 峰, 徐海洋, 馬小平, 張桂芳

((湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

硅酸鹽體系鉆井液在頁巖氣探查井中的應用研究

陳 兵, 張 峰, 徐海洋, 馬小平, 張桂芳

((湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

頁巖氣地質勘探中主要工作對象為泥頁巖,在地質探查井鉆進過程中,局部軟弱孔段經常出現縮徑、垮塌、埋鉆等現象。針對湖北地區頁巖氣勘探主要地層情況,分析硅酸鹽體系鉆井液的作用機理,通過大量的室內試驗,優選出適合頁巖氣勘探井硅酸鹽體系鉆井液的泥漿配方;在泥頁巖的鉆井施工中驗證硅酸鹽泥漿具有護壁、防塌效果和優良的抑制性。

頁巖氣勘查;泥頁巖;硅酸鹽體系鉆井液;泥漿配方

中國地質調查局提出,在“十三五”期間地質工作要加大“頁巖氣、非常規氣”的勘探,保障國家能源安全。2014年以來,湖北省地質局第八地質大隊開展頁巖氣調查評價地質井的鉆探工作,已完成12口頁巖氣資料(調查)井鉆探施工。在泥頁巖地層鉆進施工中,常發生縮徑、坍塌問題,導致孔徑擴大率增大,極易發生孔內事故,既造成經濟損失,也影響了勘探工作的質量和進度。筆者以鄂西北鉆探技術中心為平臺,分析湖北地區泥頁巖地層巖性特征,試驗優選出適合泥頁巖地層鉆進的硅酸鹽泥漿配方。在茅地1井進行現場試驗,驗證硅酸鹽泥漿優良的護壁、防塌效果,通過物探測井證明硅酸鹽體系泥漿對泥頁巖優良的抑制性能。

1 研究背景

1.1 湖北省頁巖氣調查區塊地層特點

湖北省內富含頁巖氣的地層主要有寒武系牛蹄塘組、震旦系陡山沱組、志留系下統龍馬溪組和二疊系上統大隆組、龍潭組頁巖。寒武系牛蹄塘組泥頁巖及震旦系陡山沱組頁巖,各地厚度分布不均;下志留統龍馬溪組為一套黑色含碳硅質巖及含碳粘土質頁巖、粘土質粉砂巖;大隆組為一套黑色薄層含碳硅質頁巖及炭質頁巖,龍潭組主要為炭質頁巖夾煤層[1]。

泥頁巖地層巖石中粘土礦物含量、脆性礦物含量及巖石力學性能、礦物成分均有較大的差異,泥頁巖受構造、水力活動等影響,極易形成可塑狀軟弱夾層,在部分頁巖中存在粉狀的炭質頁巖夾層。此類地層在鉆進時極易塌孔、縮徑而造成孔內事故,在目前已施工的鉆井中大隆組、龍馬溪組、陡山沱組泥頁巖中均存在此類情況。

1.2 頁巖氣調查(資料)井施工中鉆井液存在的問題

地質部門所用水基鈣處理泥漿、鉀基泥漿、乳化瀝青泥漿主要使用粘土粉為固相添加不同的處理劑配置而成,對泥頁巖的抑制能力差,防塌效果達不到要求,常造成孔內事故。固相含量高、泥皮過厚對儲層保護不利,影響評價效果。必須根據頁巖氣調查(資料)井施工的特點和泥頁巖的固有特性,研制新型鉆井沖洗液。

1.3 硅酸鹽體系水基泥漿

20世紀80年代以來硅酸鹽聚合物鉆井液率先在油氣鉆井中逐漸得到應用,可以單獨使用也可以混合使用,對未膠結的泥頁巖地層也有良好的護壁、防塌效果,成本較低,易于配制,其性能及特點能滿足頁巖氣地質探查井的要求。

2 硅酸鹽鉆井液的防塌機理

2.1 硅酸鹽粒度分布的影響

濃度為7%的硅酸鹽平均粒度最小,分布范圍最狹窄,最容易進入泥頁巖較小的孔隙內部,從而能夠通過吸附、嵌入粘土顆粒之間,在粘土表面形成致密層,阻止水分子進入,延緩粘土水化,達到抑制泥頁巖分散的作用。加入適量NaCl和KCl可以顯著降低硅酸鹽的粒度,從而增強其進入孔隙或裂隙內部有效封堵的幾率。由于K+具有良好的抑制性,采用K鹽具有良好的抑制能力,現場采用K鹽和硅酸鹽復配效果更好[2](表1)。

表1 硅酸鹽粒度分布的影響

2.1.1 pH值對硅酸鹽粒度的影響

由于硅酸鹽是弱酸強堿型鹽,硅酸鹽溶膠對pH值是非常敏感的,當溶液的堿性較低時,非常容易發生水解,水解產物容易形成凝膠,起到增稠作用,而生成凝膠的多少與土粒徑存在直接的聯系。當pH值<6.0時,隨著pH值的降低,粒度分布范圍逐漸變寬,粒度逐漸變得不均勻,平均粒度增大;當pH值=6時,硅酸鹽基本呈凝膠狀態,粒度非常大。由于地層流體一般呈弱酸或中性,只要能保證現場使用pH值>11.0,硅酸鹽溶液就能保持較好的分散度[3]。

2.1.2 模數的影響

模數為2.8～3.2的硅酸鹽分布范圍最窄、粒徑最均勻、防塌效果最好,流變性能易于控制。

2.2 硅酸鹽鉆井液水活度分析

活度控制是“化學反滲透”防塌作用機理的關鍵因素之一,當鉆井液的水活度低于地層水活度時,水活度誘導的化學滲透壓可部分抵消井下壓差引起的孔隙壓力傳遞和濾液侵入作用,甚至使地層水反向流入鉆井內,起到防塌的效果[4](表2)。

表2 硅酸鹽鉆井液水活度

2.3 粘度對硅酸鹽的吸附作用分析

硅酸鹽在粘土表面的吸附屬化學吸附,可增強粘土的穩定性。同時在井壁上的強烈化學吸附,有效地減少孔隙半徑,顯著降低液濾的滲入量,從而有效降低泥頁巖的水化膨脹[5]。

2.4 硅酸鹽鉆井液阻緩壓力傳遞機理

未鉆開地層之前,泥頁巖與地層流體在地層環境下處于一種平衡狀態。當鉆開地層后,鉆井液與泥頁巖接觸破壞了這種平衡,水分子和溶質在鉆井液和泥頁巖之間發生傳遞作用影響了泥頁巖與流體之間的相互作用。如水分子進入泥頁巖,會引起泥頁巖水化,產生水化應力,從而導致泥頁巖膨脹和張性失穩。頁巖中水活度越小,潛在水化應力越大,因此要減少泥頁巖的水化,避免水化應力對井壁穩定性的不利影響,就應盡可能減小水分子從鉆井液向泥頁巖的傳遞[6]。

3 硅酸鹽鉆井液技術要求

3.1 基本要求

從硅酸鹽鉆井液作用機理可分析出,鉆井液中所用硅酸鹽的模數選用2.8～3.2,濃度3%～7%,鉆井液pH值>11。

3.2 性能要求

頁巖氣地質調查井目前井深設計1 000～1 500 m,目的層采取率不低于85%。為保證效率和取芯質量均采用繩索取芯鉆進工藝,繩索取芯鉆進工藝滿足泥漿性能的基本要求。

3.2.1 固相含量

金剛石繩索取芯鉆探工藝需要較高的轉速,為防止繩索鉆桿內結泥皮,必須選用無固相或低固相鉆井液,泥漿中固相含量<4%。

3.2.2 性能參數設定

金剛石繩索取芯鉆進孔壁間隙小,在合理的沖洗液量的情況下,泥漿粘度較高時施工泵壓較高,泥漿粘度太低時泥漿的攜帶巖粉能力和減震的效果就會降低。根據施工經驗泥漿粘度選擇25～35 s,為降低啟動泵壓預防壓裂地層,泥漿必須具備較好的觸變性(表3)。

較低的失水量可減少泥漿中自由水對地層的侵蝕,過低則成本過高,設定泥漿的失水量≤8 mL/30 min。

表3 硅酸鹽鉆井液性能表

4 室內試驗

4.1 泥漿添加劑對泥漿性能的影響

從2014年11月2日開始至2016年5月底,共進行泥漿測試300余次,試驗用添加劑有20余種,采取的巖石標本有興地1井、秭地1井、遠地1井、龍會山的泥頁巖巖樣。經過一年多時間,先后進行了粗分散泥漿、低固相泥漿、無固相泥漿、硅酸鈉泥漿的配方研究和性能測試。

硅酸鹽必須與其他材料一起構成硅酸鈉泥漿方能應用。為了配制較優硅酸鈉泥漿,筆者在試驗室進行了多達200次硅酸鈉泥漿配方試驗,對添加劑進行了篩選,優化了配方。

4.2 膨脹量及膨脹率試驗

采用NP-01膨脹量儀,首先將粉碎烘干后一定數量的巖樣壓實成圓餅,再在泥漿中浸泡24 h,儀器會自動顯示其膨脹率和膨脹量。筆者先后對四個不同地區采集的巖樣進行過測試,2015年5月—2016年1月,經過200余次的實驗,通過測試樣品在泥漿中的膨脹量和膨脹率,對比各種配方泥漿對巖樣的抑制性,優選出3個最優的處理劑及配方(表4)。

4.3 泥漿浸泡實驗

采用1號、2號、3號配方,進行了4次泥頁巖的無壓浸泡試驗、11次黃土的無壓浸泡試驗,兩次黃土膨脹量的對比試驗。

表4 優選泥漿配方

4.3.1 巖樣浸泡實驗

采用“興地1井“泥巖巖樣,巖心直徑49 mm,在空氣中已放置近一年(2014年該孔段施工時發生嚴重孔內事故)。從外表看比較松散,用清水洗凈后,輕輕地用手掰成兩截,可以看到僅僅在用水清洗巖心表面的短時間里,清水已經浸入內部約10 mm。碎巖心投入清水10 min后,巖塊已水化成泥狀。將另外兩塊小巖塊投入普通低固相泥漿中,在24 h后水化。

試塊A長41 mm,投入1號配方的泥漿中。試塊B長54 mm,投入2號配方的泥漿中。試塊C長50 mm,投入3號配方的泥漿中。

投入試塊后,泥漿開始冒泡,3 min后泥漿停止冒泡,10 min后將巖心撈出,樣本沒有破碎跡象。繼續浸泡24 h后,A、B試塊無任何水化或破碎現象,C試塊表面部分水化。在空氣中暴露15日后樣本變得較為堅硬,已經無法從樣本中剝離出小塊。

從這個試驗中可以得出1、2號配方對泥頁巖有明顯抑制垮塌的作用,硅酸鈉泥漿中的硅酸鹽粒子進入巖樣內,膠結了松散的巖樣。

4.3.2 老黃土浸泡實驗

利用脹量儀測定黃土在清水與硅酸鈉泥漿中的膨脹率/量對比,試樣選用襄陽地區漢江二級階地普通黃土,具有一定的濕陷性。

首先將試樣切成細塊,取土樣8 g,不烘干,在不同的泥漿中測量膨脹率/量。土樣在清水中4 h取出時變軟;1、2號配方泥漿中20 min后的膨脹率為-0.01,一直保持到16 h,土樣仍有一定的強度;3號泥漿的浸泡體已有部分水化變稀。實驗表明1、2號硅酸鈉泥漿對老黃土有很好的抑制性,具有阻止老黃土水化的效果。在強水敏性地層中1、2號配方效果優于3號,試樣在經過硅酸鈉泥漿浸泡以后,表面顏色由黃色轉為灰白色,表面覆蓋了一層硅酸鈉泥漿薄膜,19 d后將樣本劈開,發現樣本內有黑色膠結物。

實驗表明:①1號、2號硅酸鹽泥漿對強水敏性巖樣具有很強的抑制性,由于硅酸鹽的滲入和離子置換作用,增加了巖樣的強度。②隨著泥漿中處理劑顆粒和離子的變化,泥漿性能參數產生了變化(表5)。

通過理論分析及室內試驗證明,硅酸鹽泥漿對湖北地區泥頁巖具有較好地抑制其水化和膨脹、坍塌的性能。1、2號配方對強水敏性地層具有很好的抑制性,還可以增強土體的強度;1、2、3號配方泥漿對破碎、膠結較差的地層都具有一定的護壁效果,其中1號配方作用最好;3號配方泥漿具有優良的觸變性,深孔施工可減小壓力激動,預防壓裂地層;隨著處理劑的消耗必須隨時檢測泥漿的性能,補充泥漿處理劑,以穩定泥漿的性能。

表5 泥漿配方浸泡實驗參數表

4.4 野外實驗

4.4.1 實驗鉆井

選擇湖北省建始縣矛田區—長陽縣賀家坪鎮頁巖氣資源調查評價中的茅地1井,其地層屬揚子地層區上揚子地層分區,地層出露較全、連續,從元古代、古生代到中生代皆有不同程度分布,其中大部分地區出露上古生界—中生界三疊系下統嘉陵江組地層。本項目地質調查工作主要圍繞上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組和中—上二疊統孤峰組—大隆組等兩套富有機質泥頁巖層系開展,同時兼顧下寒武統牛蹄塘組、下震旦統陡山組。本次實驗目標主要針對龍馬溪組黑色、灰黑色頁巖、炭質頁巖以及泥質灰巖。

4.4.2 施工情況

施工鉆井采用Φ76 mm繩索取芯施工工藝,0～820 m地層較完整,采用普通無固相泥漿鉆進。2016年8月15日鉆井施工至820 m時,目的層位出現可塑狀夾層(照片1),主要為軟塑狀粘土夾巖石碎屑,施工時出現鉆具下不到位、加不下余尺的現象,經研究決定采用2號配方硅酸鹽泥漿進行施工作業,從8月17日換用泥漿施工,至8月23日井深達到937.35 m,鉆井結束。試驗井段施工順利,施工過程中未再發生垮塌、卡鉆、縮徑現象,試驗泥漿性能基本滿足了要求。

照片1 可塑狀巖芯照片Photo 1 Plastic shape of Core

實驗井段泥漿性能見(表6)。

表6 現場試驗泥漿配方及性能一覽表

4.4.3 孔徑測試情況

圖1選取了一個鉆頭全壽命施工孔段的測井數據變化情況(821.5～880.5 m),從821.5 m孔段下入的76 mm金剛石繩索取芯鉆具,鉆頭直徑75.5 mm,擴孔器直徑76 mm,881 m提鉆。從圖中測井數據可以看出井徑的變化情況:①隨著鉆頭、擴孔器的磨損,鉆孔口徑逐步變小,從821.5 m處7.798 cm到880 m處的7.503 cm;②顯示硅酸鹽泥漿具有顯著的抑制縮徑和護壁作用,在軟弱地層中最大孔段鉆孔直徑為822 m左右孔段的7.864 cm,井徑擴大率僅為3.47%,滿足頁巖氣地質資料井井徑擴大率<15%的要求;③現場未配備泥漿除泥設備,隨著泥漿使用時間的延長,泥漿中有害固相增加,泥皮厚度也逐步增大,878.75 m以后孔段鉆孔直徑<7.6 cm,最小處僅為7.455 cm,孔徑的減小與泥皮厚度相關(881 m換鉆頭后76 mm擴孔器可以正常下入)。

5 結語

通過理論分析、室內及野外現場試驗證明,硅酸鹽體系泥漿對湖北地區泥頁巖的水化和膨脹性質,具有較好的抑制性,具有良好的護壁、防塌效果,能夠滿足生產需要,達到了試驗目的 。但是在施工中發現,使用硅酸鹽體系泥漿后,鉆機的負荷明顯變大,這表明泥漿的潤滑性能較差,需要進一步調整泥漿的配方,增強泥漿的潤滑性,完善泥漿性能。

圖1 試驗孔段物探測井數據Fig.1 Geophysical logging data of test hole section

[1] 陳科.湖北省頁巖氣形成富集條件與資源潛力[J].頁巖氣動態,2014(21):30-31.

[2] 周鳳翔.強抑制性硅酸鹽鉆井液體系研究及其在大港油田的應用[R].天津:大港油田集團有限責任公司,2008.

[3] 郭健康,鄢捷年.硅酸鹽鉆井液體系的研究與應用[J].石油鉆采工藝,2003,5(5):28-29.

[4] 王波,付饒,趙勝英.國內外硅酸鹽鉆井液研究應用現狀[J].斷塊油氣田,2005,5(3):74-75.

[5] 康少偉.硅酸鹽鉆井液體系研究與應用[D].大慶:東北石油大學,2010.

[6] 周鳳翔.強抑制性硅酸鹽鉆井液體系研究及其在大港油田的應用[R].天津:大港油田集團有限責任公司,2008.

(責任編輯：陳文寶)

Application Research of Silicate Drilling Fluid on Shale Exploration Well

CHEN Bing, ZHANG Feng, XU Haiyang, MA Xiaoping, ZHANG Guifang

(EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

The main object is shale in geological exploration of shale gas.In the geological exploration drilling process,the local weak hole section often appear hole shrinkage and collapse and burying drilling.In view of the main formation of shale gas exploration in Hubei area,the authors analyse effect mechanics of silicate drilling fluid,select mud formula suitable for shale gas exploration wells of silicate drilling fluid through laboratory tests.Wall protection effect and anti sloughing effectiveness are verified in the drilling.The good inhibition performance of silicate mud on shale is verified by well logging data.

shale gas exploration; shale; silicate drilling fluid; mud formulation

2016-08-29;改回日期:2016-10-07

陳兵(1970-),男,高級工程師,探礦工程專業,從事巖芯鉆探技術研究工作。E-mail:497821599@qq.com

TE254.3

A

1671-1211(2016)06-0983-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.035

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161025.1438.012.html 數字出版日期:2016-10-25 14:38