河南海陸過渡相頁巖氣水基鉆井液室內評價

呂方，張古彬，袁青松，向興金，胡友林

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河南海陸過渡相頁巖氣水基鉆井液室內評價

呂方1，張古彬2，袁青松2，向興金3，胡友林3

（1. 荊州漢科新技術研究所，湖北 荊州 434023； 2. 河南省地質調查院，河南 鄭州 450000； 3. 長江大學 石油工程學院，湖北 荊州 434023）

針對河南省海陸過渡相頁巖氣地層特征，以及鉆井工程中面臨的技術難點，通過低自由水絡合技術和微納米封堵技術，構建出適合海陸過度相頁巖氣地層鉆井的水基鉆井液體系。實驗評價表明該體系具有良好流變性，抑制性強，鉆屑回收率達到95%以上，線性膨脹率僅為6%左右；濾失造壁性好，HTHP濾失量小于10 mL；儲層保護效果好，污染后巖心切片0.5 cm，滲透率恢復值達到90%左右，能夠滿足海陸過渡相頁巖氣鉆井工程需要。

頁巖氣；低自由水絡合劑；微納米封堵劑；水基鉆井液

河南省海陸過渡相頁巖氣是屬于河南省乃至華北地區新區、新層系和新類型的重要發現。該地區地下埋深2 700~3 000 m之間的地層中含有大量豐富的頁巖氣資源。

河南省海陸過渡相地層存在大段泥頁巖，主要目的儲層山西組和太原組泥巖地層煤系發育。由于泥頁巖通常孔喉尺寸在納米級別，且山西組和太原組泥頁巖孔隙度和滲透率總體較低，平均孔隙度為2.7%，平均滲透率為0.132 8×10-3μm2，其中0.001~0.1×10-3μm2占主導地位，常規封堵材料由于多屬于微米級尺寸范圍，很難對泥巖形成有效封堵，所以很難阻礙液相侵害，加上煤層發育，很容易帶來井壁失穩問題，同時也極易帶來水鎖和水敏傷害。針對上述鉆井難點，通過低自由水絡合技術降低鉆井液體系自由水含量，采用微納米封堵技術封堵地層微孔縫，由此構建出適合海陸過渡相頁巖氣鉆井工程的低自由水鉆井液體系。

1 海陸過渡相頁巖氣地層特征

山西組和太原組泥頁巖X射線衍射分析結果顯示，泥頁巖主要以粘土礦物、石英為主，部分地層含少量長石和菱鐵礦，粘土礦物含量高達40%~70%；山西組、太原組泥頁巖地層粘土礦物組分以伊利石、高嶺石和伊蒙混層為主，伊蒙混層比小于20%；電鏡掃描實驗顯示山西組太原組地層微裂縫發育，其特點是硬脆性，分散性弱，有剝落趨勢，鉆井液濾液沿微裂隙進入泥頁巖后伊蒙混層中蒙脫石易水化膨脹，產生水化膨脹壓，而伊利石、高嶺石膨脹性弱，致使巖石受壓不均，易發生剝落掉塊和井壁坍塌，實驗數據見表1和圖1。

表1 頁巖地層粘土礦物組成

圖1 巖石樣品掃描電子顯微鏡分析

2 海陸過渡相頁巖氣水基鉆井液構建思路

由于海陸過渡相頁巖地層粘土礦物含量高，粘土礦物的膨脹性不高，但微裂縫較發育，因此，需要提高鉆井液體系的抑制性，重點應該加強對微裂縫（微納米級）孔縫的封堵，減少濾液對地層的侵入，阻緩壓力傳遞，實現井壁穩定。

3 頁巖氣水基鉆井液體系性能評價

室內通過研究采用自由水絡合技術和微納米封堵技術構建出了頁巖氣水基鉆井液體系，配方為：2%~3%膨潤土漿+0.2% NaOH+0.3%~0.5% LV-PAC +0.5%~1.0% HXY (自由水絡合劑)+3% HDR（降濾失劑）+1% HAS（胺基硅醇）+3% HGW（納微固壁劑）+2% HSM（膠束封堵劑）+2% HBJ（封堵劑）+1%~2% HLB（潤滑劑）+ 3%~5% KCl +2% 防水鎖劑HAR-D +重晶石加重。

3.1 體系常規性能評價

對配方進行了常規性能測試，實驗表明該體系具有較好的流變性和失水造壁性，高溫高壓失水小于10 mL，數據見表2。

表2 頁巖氣水基鉆井液基本性能

注：老化條件 100 ℃×16 h；密度 1.25 g/cm3

3.2 抑制性能評價

室內采用鄭西頁1井山西組（3 270.16 m）泥頁巖鉆屑，進行低自由水頁巖氣水基鉆井液抑制性評價，評價結果見表3。

實驗結果可以看出，頁巖氣水基鉆井液的滾動回收率高達96.0%，而且11 h的膨脹率僅為6.042%，表明體系能夠有效的抑制泥頁巖地層粘土礦物的水化膨脹和水化分散，具有較好的抑制性，數據見表3。

表3 鉆井液體系的抑制性評價

3.3 微裂縫巖心封堵性能評價

室內模擬制做了鋼制微裂縫巖心。通過測定低頁巖氣鉆井液在3.5 MPa、100 ℃、120 min條件下對微裂縫巖心（縫寬0.05~0.1μm）的封堵能力，實驗數據表明頁巖氣水基鉆井液具有較好的微裂縫封堵性能，120 min無鉆井液漏出，基本阻止了鉆井液對微裂縫的侵入，數據見表4。

3.4 潤滑性能評價

潤滑實驗數據表明低自由水頁巖氣鉆井液具有較好的潤滑性，能夠降低鉆進中的摩擦系數和扭矩，實驗數據見表5。

表4 微裂縫巖心的封堵實驗

表5 頁巖氣水基鉆井液的潤滑性

3.5 油層保護性能評價

室內按照石油天然氣行業標準SY/T6540-2002《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》對頁巖氣水基鉆井液體系儲層保護效果進行了實驗，實驗數據表明頁巖氣水基鉆井液體系對巖心污染后，其滲透率恢復值在85%左右，而切片后其滲透率恢復值達到了90%左右，說明體系對儲層具有良好的儲層保護效果，結果見表6。

表6 頁巖氣水基鉆井液體系巖芯滲透率恢復值

4 結 論

（1）針對河南海陸過渡相頁巖氣地層地質特征，通過分析巖石粘土礦物組構及微觀結構，分析出頁巖氣地層井壁穩定機理；通過采用低自由水絡合技術和納微米技術有效封堵微裂縫，減少濾液對地層的侵入，阻緩壓力傳遞，在基礎上構建出頁巖氣水基鉆井液體系。

（2）室內實驗數據評價表明，低自由水頁巖氣水基鉆井液體系具有較好的流變性，濾失造壁性，HTHP濾失量小于10 mL；抑制性強，鉆屑滾動回收率達到95%以上，11 h線性膨脹率僅為6%左右，封堵能力強，潤滑性優良，巖心污染深度淺，切片0.5 cm滲透率恢復值達到90%，儲層保護效果好，能夠滿足河南海陸過度向頁巖氣鉆井工程需要。

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Evaluation on Water-based Drilling Fluid Systemfor Henan Sea-land Transition Phase Shale Gas Reservoir

12233

(1. Jinzhou HANC New Technology Institute, Hubei Jingzhou 434023, China; 2. Henan Institute of Geological Survey , Henan Zhengzhou 450000, China ; 3. College of Petroleum Engineering ,Yangtze University, Hubei Jingzhou 434023, China)

Based on characteristics of sea-land transition phase shale gas formation in Henan province, and facing the technical difficulties in drilling engineering, through the low free water complexing technology and micro/nano sealing technology, suitable water-based drilling fluid system for marine facies shale gas drilling was developed. Experimental evaluation shows that the system has good rheological property, strong inhibitory; Drilling cuttings recovery is more than 95%, the linear expansion rate is only 6% or so; HTHP filtration quantity is less than 10 mL; Reservoir protection effect is good; When polluted core section is 0.5 cm, permeability recovery value is around 90%, which can meet the needs of shale gas drilling engineering in the sea-land transition phase formation.

shale gas； low free water complexing agent； micro nanometer blocking agent；water-based drilling fluid

TE 254

A

1004-0935（2017）09-0903-03

河南省重大科技專項項目“河南頁巖氣勘查開發及示范應用研究”，項目號：151100311000。

2017-07-17

呂方（1973-），男，高級工程師，碩士，湖北省荊州市人，1994年畢業于江漢石油學院應用化學系，主要從事油田化學，采油化學方面的研究工作。