鉆井液對頁巖井壁的穩定性能評價方法探討

趙虎，司西強，王善舉，孫舉

中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院 （河南 濮陽 457001）

評價鉆井液井壁穩定能力的主要方法有：相對抑制率、線性膨脹實驗、滾動回收率、陽離子交換容量Zeta電位、毛細管虹吸時間試驗、活度匹配和巖心浸泡等[1-4]。通過對比清水、常規水基鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液的評價結果，指出評價方法的準確度和可操作性及其優缺點，以期為不同區塊頁巖氣開發中選用安全低成本的鉆井液提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

主要試劑為石油醚（沸程30～60℃）、氯化鈉（分析純）、氯化鎂（分析純）等。

1.2 主要儀器

主要儀器有高溫滾子加熱爐、電子分析天平、JS94H2型Zeta電位測試儀、HD-5型智能水活度分析儀、D8型X射線衍射儀、S-4800型掃描電鏡分析儀、YAW-300D型全自動壓力試驗機、RTR-1000型三軸巖石力學測試儀、油田化學劑評級模擬裝置等。

1.3 實驗方法

1.3.1 巖屑滾動回收率

取涪陵地區頁巖氣井焦頁1-3HF井志留系下統龍馬溪組黑色炭質泥頁巖鉆屑（油基鉆井液）（3 500～3 800 m），洗油晾干[5]，稱取粒徑為 2.00～5.27 mm 的巖屑10 g，分別放置在不同液體中，90℃、16 h測定一次回收率和二次回收率。

1.3.2 巖心浸泡及抗壓強度測試

模擬焦石壩地層溫度和三開段鉆完井周期，分別用不同介質，90℃條件下對頁巖巖心連續浸泡5～90 d。在不同的時間段取出不同巖心進行觀察，并采用全自動壓力試驗機勻速緩慢加壓，進行抗壓強度測試。

1.3.3 巖心封堵實驗

將頁巖巖心裝入巖心夾持器，測定巖樣的正向地層水滲透率K1；用水基鉆井液反向損害巖樣，升溫至地層溫度（下表溫度為80℃），壓差3.5 MPa，損害時間2 h，用地層水正向測巖樣的滲透率K2。計算滲透率降低率：R=(K1-K2)/K1×100%。

巖屑Zeta電位、活度分析、礦物組分分析，巖心三軸強度等評價均按自動化儀器通用方法測試。

2 結果與討論

2.1 巖屑分析與評價

2.1.1 巖屑滾動回收率

頁巖滾動回收率測試是評價鉆井液井壁穩定能力較為通用的測試方法，可較為直觀地反映鉆井液抑制黏土礦物分散的能力。焦頁1-3HF井鉆屑在高性能水基鉆井液中抑制性較好，一次回收率和二次回收率均超過90%，與油基鉆井液相當。而在聚磺鉀鹽等鉆井液中回收率較低，表明該井巖屑在高性能鉆井液中穩定性良好，測試結果如圖1所示。然而，較多硬脆性頁巖巖屑在清水中的回收率較高，如長寧H9-3井清水回收率大于90%，再評價鉆井液回收率就沒有太大參考意義。

圖1 頁巖滾動回收率

2.1.2 巖屑Zeta電位

Zeta電位是評價頁巖水敏性的重要方法之一，頁巖活性越高，電負性越強，Zeta絕對值越大。模擬地層溫度在不同介質中浸泡頁巖鉆屑24 h，測試Ze?ta電位數據如表1所示。

表1 頁巖巖屑Zeta電位

由表1中數據可知，高性能水基鉆井液1浸泡頁巖Zeta電位絕對值小于10 mV，巖屑分散能力大幅下降，頁巖趨于穩定；而清水浸泡頁巖Zeta電位絕對值大于20 mV，頁巖活性較強，聚磺鉀鹽鉆井液浸泡頁巖次之。頁巖顆粒的不均性使顆粒運動時相互干擾，運動時彼此影響，可通過多次測定取平均值以降低偶然誤差。

2.1.3 巖屑活度分析

活度是評價頁巖吸水趨勢強弱的重要指標之一，頁巖活度越低，吸水趨勢越強，水基鉆井液濾液越易進入頁巖，井壁失穩的風險越高。通過降低鉆井液的活度，平衡頁巖地層的滲透壓，減少濾液浸入，提高頁巖的穩定性。國內頁巖活度范圍為0.40～0.65（如焦頁20-2HF活度為0.61、焦頁20-2HF為0.65、YS108H3-2為0.41、延頁-平3為0.55），高性能水基鉆井液1可控制活度0.40～0.75，實現與頁巖地層活度平衡，減少濾液浸入；而常規水基鉆井液活度大于0.75（飽和鹽水鉆井液活度為0.75，聚磺鉀鹽鉆井液為0.96），濾液浸入頁巖地層趨勢較高[6]。巖屑和鉆井液活度評價結果較為穩定，但僅能說明頁巖吸水趨勢和鉆井液浸入頁巖地層水量的難易程度，只能作為表征井壁穩定的數據之一。

2.1.4 巖屑礦物組分分析

頁巖中黏土礦物含量也是表征頁巖吸水趨勢強弱的重要指標之一，開展不同介質浸泡后頁巖巖屑黏土礦物損失率，評價鉆井液抑制黏土水化分散能力。如模擬地層溫度在不同介質中浸泡頁巖巖屑3 d，測試浸泡前后礦物組成變化，高性能水基鉆井液1浸泡后黏土礦物（蒙脫石或伊利石）含量接近原始黏土組成，鉆屑分散程度低，對比清水浸泡后黏土礦物損失較高，測試結果如圖2所示。巖屑礦物組成可測試黏土礦物總量，以及黏土中蒙脫石等易水化分散組分的含量，表征頁巖的水敏性；通過鉆井液與清水浸泡后過篩洗滌，再次測試黏土礦物含量，可以表征鉆井液抑制黏土水化分散的能力。需要說明的是，該方法僅作為鉆井液對頁巖井壁穩定能力的定性分析。

圖2 頁巖巖屑在不同介質浸泡后的黏土礦物含量

2.1.5 巖屑浸泡掃描電鏡分析

為了評價頁巖的孔縫和層理結構特征，可對頁巖巖樣（一般可采用頁巖掉塊）進行掃描電鏡分析，同樣可進行鉆井液浸泡（多采用濾液）后再次掃描分析，以評價鉆井液對頁巖的穩定能力。如模擬地層溫度90℃，分別使用高性能水基鉆井液1和清水浸泡焦頁6側鉆水平井龍馬溪掉塊3 d，掃描電鏡觀測表明，5 000倍放大可以看出高性能水基鉆井液1保持片狀層理和微孔結構完整，對比清水浸泡后結構破壞，孔徑擴大率為100%～150%，如圖3所示。該方法可較為直觀地展現頁巖的微觀結構，以及濾液對頁巖的穩定能力，但巖樣平行和垂直層理掃描存在差異，同樣平行層理也存在差異，該方法僅作為鉆井液對頁巖穩定能力的一個定性分析。

圖3 焦頁6側龍馬溪掉塊掃描電鏡5 000倍放大圖

2.2 頁巖巖心分析與評價

2.2.1 頁巖巖心浸泡及抗壓強度測試

模擬地層溫度，使頁巖巖心在不同介質中浸泡不同時間后，觀察巖心外觀的變化，并測試巖心強度變化，考察不同的介質對頁巖巖心的影響情況，可作為評價鉆井液井壁穩定能力的重要依據。由于頁巖地層巖心樣品數量少，獲取難度大，往往采用與實鉆巖心礦物種類和含量相當的露頭巖心開展評價研究。如90℃時將頁巖巖心連續浸泡，在不同的時間段取出巖心觀察，測試抗壓強度，如圖4和圖5所示。

圖4 浸泡露頭巖心抗壓強度變化

圖5 巖心在不同介質中浸泡的狀態

由圖4可知，巖心浸泡5 d后，在高性能水基鉆井液和油基鉆井液中的巖心強度較大，其他介質中的巖心強度均下降幅度較大；20 d內清水和常規水基鉆井液浸泡的巖心均出現斷裂，失去抗壓強度；高性能水基鉆井液2中浸泡60 d的巖心抗壓強度降低；高性能水基鉆井液1和油基鉆井液浸泡90 d的巖心抗壓強度變化較小。從圖5可以看到，在清水或常規水基鉆井液浸泡5 d后的巖心均出現不同程度的裂縫；在高性能水基鉆井液和油基鉆井液中浸泡90 d的巖心外觀沒有明顯變化。說明了高性能水基鉆井液1與油基鉆井液具有較長的頁巖穩定周期，高性能水基鉆井液2次之。該方法可以模擬地層溫度，測試巖樣在不同鉆井液中浸泡的穩定周期，操作簡便，復測性較強，可定性說明鉆井液井壁穩定能力，但模擬實鉆程度較低。當然，浸泡巖心也可以放置在密閉承壓容器，并充入一定壓力的氮氣模擬地層壓力，然而，密閉承壓容器不易長期密封和觀察，需要每隔1～2 d檢查一次容器壓力，可測試巖心在90℃、3.5 MPa浸泡5 d后抗壓強度的變化，評價巖心的壓力敏感性。

2.2.2 頁巖巖心三軸強度測試

通過頁巖巖心三軸強度實驗可以獲得巖石在特定條件下的應力-應變曲線，研究巖樣的變形和破壞規律，并求得巖樣的三軸抗壓強度、靜態楊氏模量、靜態泊松比、內聚力和內摩擦角等量化表征巖樣抗破壞能力的巖樣強度參數。同樣可進行鉆井液浸泡后測試，以評價鉆井液對頁巖的穩定能力。如模擬地層溫度90℃，分別使用不同介質浸泡龍馬溪露頭巖心30 d，進行力學性能測試，三軸抗壓強度變化如圖6所示。

圖6 浸泡露頭巖心三軸抗壓強度變化

由圖6可知，巖心在不同介質中浸泡后，三軸抗壓強度都有降低的趨勢，但油基鉆井液浸泡后巖心抗壓強度降低了16%，高性能水基鉆井液浸泡次之，再次為聚磺鉀鹽鉆井液，清水浸泡15 d碎裂，失去抗壓強度。該方法可模擬地層施加三向不同的壓力，更加貼近地層內巖樣受力狀況，測試較單軸抗壓強度測試貼近實鉆情況[7-8]，但仍存在難以模擬頁巖易破碎膠結層面的穩定情況，且操作較為繁瑣，儀器費用較高，該方法可作為表征井壁穩定的數據之一。

2.2.3 頁巖巖心封堵實驗

測試鉆井液污染前后的頁巖巖心滲透率變化，可作為鉆井液井壁穩定能力（重點是封堵能力）的一項參考數據。評價不同類型的鉆井液污染對露頭巖心滲透率的影響，結果見表2。

由表2中數據可知，高性能水基鉆井液在露頭巖心滲透率測試中12 h未通，可以認為滲透率接近0，滲透率降低率接近100%，具有較好的巖芯封堵效果。常規水基鉆井液難以形成致密的封堵層，導致巖心滲透率降低較多。該方法可以表明鉆井液的封堵能力，缺點是頁巖滲透率極低，要求測試儀器承壓能力和密封性較強，誤差率較高。

表2 不同鉆井液的巖心滲透率降低率實驗結果

3 結論與建議

頁巖地層的井壁穩定問題是制約其開發的主要因素之一，影響井壁穩定的因素較多，如鉆井液的密度、抑制性、封堵能力、活度平衡以及與防漏堵漏的關系等。有機構和學者開展了巖石連續刻劃強度測試、巖石裂縫擴展層析成像測試等大型儀器分析；也有對多種評價數據相關性進行分析，更加精準地評價井壁穩定能力。

建議根據不同的地層水敏性及微孔縫層理發育選擇合理評價測試方法：①黏土礦物含量較高，水敏性較強的地層重點評價巖屑滾動回收、Zeta電位、活度和礦物組成等；②微孔縫和層理較為發育的地層重點評價掃描電鏡、抗壓強度、三軸強度和巖心封堵實驗等；③現場易采用巖屑滾動回收等較為簡潔的測試方法，并考慮地質、工程和鉆井液等因素，為現場井壁失穩的預防和快速處理提供技術支撐，以期實現低成本環保開發頁巖氣資源。