強封堵鉆井液體系在河南頁巖氣鉆井中的研究和應用

袁青松 ，馮輝 ， ，張棟 ，李中明 ，代磊 ，董果果

（1.河南省地質調查院，鄭州 450001；2.地下清潔能源勘查開發產業技術創新戰略聯盟，鄭州 450001；3.河南豫礦地質勘查投資有限公司，鄭州 450001）

河南頁巖氣區塊井型以直井為主，主要鉆進目標層位為上古生界二疊系下石盒子組、山西、太原組，井深一般為3000～3500 m[1-3]，區塊內M1井和Z1井在目的層鉆進中出現縮徑、坍塌掉塊、卡鉆復雜，其中下石盒子組井眼縮徑現象明顯，2口井的井徑擴大率為21.77%和17.36%，Z1井井徑擴大率最大位置達到了55%。目前中牟區塊鉆井多借鑒鄂爾多斯盆地大牛地氣田經驗，采用氯化鉀聚胺鉆井液體系[4]，實踐表明該體系不能滿足該套頁巖地層安全高效鉆進。基于頁巖巖石礦物成分、巖石力學、地應力特征展開研究，對老井鉆井液進行室內評價，分析造成泥頁巖井段井壁坍塌掉塊的原因，從加強鉆井液封堵性能和抑制性入手，優選鉆井液處理劑，研究出了一套適合于河南二疊系頁巖地層鉆井的水基鉆井液體系，并在現場取得了較好的應用效果，也為下一步區塊進行大規模勘探開發提供技術指導。

1 儲層地質特征分析

1.1 巖礦組成分析

取M1井山西組和太原組巖心開展了X射線衍射實驗，實驗結果顯示，巖石礦物主要以黏土礦物、石英為主，含少量長石和菱鐵礦。黏土礦物含量在40%～70%之間，組分以伊利石、高嶺石和伊蒙混層為主（見表1）。

表1 M1井山西-太原組黏土礦物成分分析

1.2 縫孔發育情況

從M1井取得的巖心照片觀察，層理縫發育，巖心取至地面后很快沿著層理縫剝離裂開，完整性較差，山西組頁巖巖心長度為89 m，肉眼可觀察裂縫有220條。

圖1 M1井巖心平掃照片

另外采用氬離子拋光-掃描電鏡技術對巖心薄片進行微觀孔縫觀察（見圖2），微孔隙類型主要為無機孔和有機質孔縫，其中無機孔最大孔隙為1.939 μm，有機質孔縫為 0.1～0.3 μm。

圖2 黏土礦物聚合物粒間孔（左）和有機質收縮縫（右）

1.3 巖石力學及地應力分析

1.3.1 三軸巖石力學實驗

取M1井太原組巖心在室內進行三軸巖石力學測試，在圍壓20 MPa下測定巖石的抗壓強度、楊氏模量以及泊松比，實驗數據見表2。

表2 三軸巖石力學測試結果

由表2可知，巖石抗壓強度較高，楊氏模量為20.8～26.1 GPa，泊松比為0.18～0.38，根據楊氏模量和泊松比計算巖石的脆性指數平均為53.4%，脆性較強，井壁易發生脆性劈裂破壞。

1.3.2 地應力特征分析

原地應力狀態對井壁的穩定性有重要影響，通過偶極子聲波測井獲取了M1井地應力數據，計算結果顯示M1井三向應力狀態為σH＞σv＞σh，最大水平主應力平均為66 MPa，最小水平主應力平均為55 MPa，水平主應力差值為11 MPa，差異系數較高，表明地層非均質性較強。

1.4 井壁失穩原因分析

從上述巖石礦物成分、黏土礦物組成、巖石力學以及地應力場分析來看，該套頁巖符合硬脆性泥頁巖特征[6-7]，孔縫發育，造成井壁坍塌掉塊原因主要有：①地應力差異較大，打開地層后，井周應力平衡被打破，沿著最小水平主應力方向發生坍塌掉塊；②巖石脆性較強，鉆井液濾液侵入地層后使得巖石膠結強度降低、孔隙壓力升高[8]，形成局部拉伸破壞，微觀裂縫迅速擴展形成宏觀裂縫，加劇了井壁坍塌；③黏土礦物含量較高，泥頁巖水化膨脹造成井壁失穩。

2 老井鉆井液性能評價

已鉆井M1井和Z1井現場采用的鉆井液體系主要為氯化鉀聚胺鉆井液體系，在室內對該體系進行流變性、抑制性和封堵性評價。體系配方為：4%淡水土漿+0.2%NaOH+0.3%抑制劑HP+0.5%增黏劑LV-CMC+0.5%降濾失劑PAC-LV+0.5%降濾失劑NH4HPAN+0.3%聚胺+2%CaCO3（800～1000目）+5%KCl。

2.1 流變性

按照現場使用的配方在室內進行復配，測試鉆井液各項性能。從表3實驗數據可以看出，現場配方老化前后流變性較好，但高溫高壓濾失量偏大。

表3 現場鉆井液室內復配性能(100 ℃×16 h)

2.2 抑制性

取M1井館陶組頁巖鉆屑過6～10目篩，風干后加入到鉆井液中，在100 ℃下老化16 h后過40目篩，篩余在105 ℃下烘干后稱重，計算熱滾后鉆屑回收率。同時采用人工壓制的膨潤土片進行線性膨脹率實驗，實驗結果見表4。現場配方的鉆屑熱滾回收率不足70%，8 h線性膨脹率超過15%，整體看抑制性不足，不能滿足現場對地層中黏土礦物的水化膨脹和分散。

表4 現場鉆井液抑制性評價

2.3 封堵性能

室內模擬低滲砂床，采用60～80目砂子制作砂床，同時鋪上超細碳酸鈣進一步降低滲透率，評價現場配方鉆井液體系的封堵性能。實驗結果顯示30 min砂床侵入深度達到9 cm（見圖3）。通過對現場氯化鉀聚胺鉆井液體系進行室內測試分析表明，現場鉆井液體系的流變性能基本穩定，但濾失造壁性、抑制性、封堵性較差，無法抑制泥頁巖的水化膨脹和分散，以及對孔縫的封堵，導致了老井出現大量的井下復雜情況。

圖3 現場配方砂床侵入實驗

3 處理劑優選

中牟區塊井身結構通常為三開結構，三開井段長度為1500 m左右，下石盒子組泥頁巖易發生水化膨脹，山西組、太原組泥頁巖脆性強易坍塌掉塊，基于地層泥頁巖特征確定鉆井液研究思路，從加強抑制性和封堵性方面考慮，優選鉆井液處理劑。

3.1 封堵材料

目前鉆井行業多用泥餅封堵技術防井壁坍塌[9]，山西組、太原組頁巖伊利石含量高，蒙脫石含量少，實際上壓力傳遞和裂紋擴展導致巖石強度降低才是主要原因，單靠增加礦化度提高抑制水化來防止坍塌，實踐表明效果不好。要封堵微納米級尺寸孔縫，關鍵就是鉆井液中顆粒的尺寸分布在孔縫尺寸的區間內且能承受一定壓力。在室內建立封堵評價方法，完成對封堵材料的優選和效果評價。

3.1.1 封堵性能評價方法建立

當前測定鉆井液濾失量主要采用常規的濾紙，濾紙孔徑遠大于泥頁巖的微孔縫尺寸，難以準確評價鉆井液對頁巖微納米孔縫的封堵性能。采用一種新型混合聚合物纖維納米微孔濾膜進行實驗，來評價封堵材料的封堵性能，該濾膜的孔徑規格介于0.15～0.8 μm之間，與頁巖的縫孔尺寸相當，能夠更加簡單地模擬鉆井液在泥頁巖地層的濾失情況。

3.1.2 封堵材料優選

常規封堵材料均屬于微米級的范疇，無法滿足泥頁巖的封堵要求。室內研究根據納米級封堵材料的特點，采用2種適合于泥頁巖地層特點的封堵材料膠束封堵劑HSM和納微固壁劑HGW。膠束封堵劑HSM是一種嵌段共聚聚醚高分子表面活性劑，其形成的膠束在水溶液中可呈球狀、層狀、棒狀，其尺寸大小在1～100 nm之間， 膠束粒子在孔喉中相互聚集還產生疏水膠團， 能夠快速封堵泥巖納米孔喉， 阻止鉆井液中的自由水向泥巖深部侵入。納微固壁劑HGW是憎水性的微交聯丙烯酸酯微納米乳液， 乳液顆粒尺寸為100～1000 nm，該封堵材料覆蓋在井壁巖石上面后，在壓力作用下可變形粒子緊密堆積形成一層憎水膜，阻止水對巖石的接觸，從而防止泥巖的水化，同時加固井壁。

3.1.3 封堵效果評價

在室內測試2種處理劑對鉆井液性能的影響及封堵能力，分別使用濾紙和納米膜作為封堵介質在高溫高壓濾失量測定儀上考察濾失量與時間的關系曲線。基礎配方：3%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.3%NaOH+0.4%包被劑+0.3%PAC-LV+1.0%CMC+1.0%降濾失劑+2.0%井壁穩定劑+3%KCl+（1%～2%）潤滑劑，表5為加入封堵劑前后鉆井液性能變化，從表5可以看出，加入封堵劑后對鉆井液性能影響較小，只是黏度切力有所上升。

從表6數據可以看出，與基礎鉆井液相比，加入封堵劑后在濾紙上6 h濾失量降低了36.9%，在濾膜上6 h濾失量降低了34.9%，隨著時間的延長，濾失量的增量很小，說明了選取的封堵劑在濾紙和濾膜上均具有很好的封閉性。

表5 封堵劑對鉆井液性能的影響

表6 封堵劑對鉆井液高溫高壓濾失量的影響

3.2 抑制劑

在實現對地層有效封堵的情況下，仍然需要加強鉆井液體系的抑制性，防止黏土礦物水化膨脹，目前鉆井現場常用的抑制劑為無機鹽類[10-13]，實驗優選強抑制劑胺基硅醇HAS，其作用機理是在聚胺抑制劑基礎上引入硅羥基，在黏土表面形成疏水層，減緩黏土水化[14-16]。

3.2.1 高溫高壓膨脹性測試

采用10 g膨潤土×12 MPa×5 min壓片，在3.5 MPa×100 ℃×16 h環境下測定膨潤土片的膨脹性，從圖4可以看出，膨潤土片在清水中浸泡不到2 h發生明顯膨脹，16 h線性膨脹率達到35%以上。1%胺基硅醇溶液浸泡3 h后開始膨脹，膨脹率隨時間延長增加幅度緩慢，16 h膨脹率比清水降低41%以上，胺基硅醇HAS具有良好的抑制能力。

圖4 抑制劑高溫高壓膨脹性實驗

3.2.2 對巖石強度影響

將巖石放置在胺基硅醇鉆井液、 油基鉆井液以及常用聚合醇水基鉆井液中浸泡24 h， 然后使用YE-300型壓力試驗機測定浸泡后巖心的單軸抗壓強度變化。胺基硅醇和聚合醇的加量均為1%， 基礎配方為3%淡水漿+0.3%NaOH+0.15% Na2CO3+0.2%PAC-LV+0.2%增黏劑80A51+1.5%防塌劑NPAN+2%磺化瀝青；油基鉆井液配方為：80%5#白油+20%[CaCl2水溶液（濃度為20%）]+2.0%主乳化劑+1.0%輔乳化劑+2.0%堿度調節劑+3%有機土+2.0%潤濕劑+3.0%降濾失劑。浸泡前測定巖石單軸抗壓強度為58 MPa， 聚合醇體系浸泡后巖石強度降低至28 MPa， 油基鉆井液浸泡巖塊強度降低為53 MPa， 胺基硅醇體系浸泡后， 巖石強度降低為49 MPa， 與油基鉆井液基本相當， 這表明胺基硅醇通過變潤濕性改變作用， 以及硅羥基和胺基的協同作用能夠抑制巖石中黏土礦物的水化膨脹和分散，減緩巖石應力釋放， 達到穩定巖石強度的效果。

4 鉆井液性能測試

在完成對封堵劑和抑制劑優選后，確定了體系配方為：（2%～3%）膨潤土+0.2%NaOH+1%胺基硅醇HAS+3%固壁劑HGW+2%封堵劑HSM+1%表面活性劑HLB+3%KCl+2%防水鎖劑HAR-D+0.3%LV-PAC。在室內以流變性、抑制性、封堵性、潤滑性、抗污染能力作為評價指標，對鉆井液性能進行評價。

4.1 流變性

室內對鉆井液體系流變性能及抗老化性進行評價。由表7數據可知，鉆井液性能穩定，具備較好的流變性，在100 ℃下老化72 h后仍具備較好的流變性和失水造壁性，同時兼具良好的的潤滑性。

表7 強封堵鉆井液流變性及抗老化性能

4.2 抑制性

室內通過熱滾回收實驗和線性膨脹率實驗評價鉆井液抑制性能，實驗用巖屑為M1井館陶組易水化膨脹泥頁巖。實驗可見（表8），強封堵鉆井液體系的巖屑熱滾回收率達98.5%，10 h線性膨脹率僅為2.34%，說明體系對泥頁巖水化抑制性較強。

表8 強封堵鉆井液抑制性評價（100 ℃×16 h）

4.3 封堵性測試

4.3.1 濾失量

室內分別在FLAPI和FLHTHP濾失量測定儀上測得濾失量隨時間的變化。由表9的實驗結果可知，6 h的FLAPI和FLHTHP分別為7.8 mL和9.0 mL，濾失量較低，表明鉆井液具備較好的封堵性能。

表9 封堵性能測試結果

4.3.2 巖心封堵實驗

取M1井山西、太原組巖屑磨碎制備成人工巖心，測得的滲透率為79.3 mD，在巖心流動試驗儀上測定鉆井液對低滲巖心的封堵能力，實驗條件為100 ℃×3.5 MPa×120 min。實驗結果見圖5，其中清水在2.5 min漏失完，強封堵鉆井液在120 min后漏失量仍為0，說明體系對人造巖心的封堵能力很強。

圖5 人造巖心漏失量變化

4.4 抗污染能力

室內評價鉆井液的抗污染能力，包括NaCl、CaCl2、MgCl2以及鉆屑，取M1井鉆屑磨碎后過100目篩網，加入鉆井液中，一定條件老化后觀察性能變化情況。實驗結果（表10）顯示隨著鉆屑加量的增加，鉆井液的表觀黏度、切力以及濾失量增加幅度較小。

表10 強封堵鉆井液抗污染能力評價

5 在Z2井應用情況

Z2井為中牟區塊部署的第2口頁巖氣探井，該井與M1井直線距離1.5 km，主要鉆進層位為下石盒子組、山西組以及太原組，2口井主要目的層埋深、地質特征基本一致，Z2井采用三開井身結構，自三開二疊系上石盒子組至奧陶系馬家溝組采用強封堵鉆井液體系。在鉆進目的層泥頁巖井段未發生井眼縮徑以及鉆頭泥包現象，說明鉆井液抑制性較強，在鉆進目的層山西、太原組時，基本未出現井壁坍塌掉塊情況，整個鉆進過程起下鉆順暢。Z2井與鄰井M1井對比，鉆井周期縮短了20%；電測結果顯示，全井段平均井徑擴大率為6.32%，目的層為6.26%（見圖6），相較于M1井降低了70%。應用結果表明使用該鉆井液體系復雜事故大幅下降，鉆井效率大幅提高實現了優快鉆進的目的。

圖6 Z2井電測井徑對比圖

6 結論及認識

1.通過研究河南上古生界山西、太原組頁巖地層地質特征并結合老井鉆井液性能室內評價結果，確定了造成井壁失穩、坍塌掉塊的原因，基于“強封堵+強抑制”思路對鉆井液處理劑進行優選，室內對鉆井液性能進行了測試，實驗結果表明，該鉆井液具備較好的流變性，強封堵性、抑制性以及抗污染能力。

2.現場應用結果表明，所研發的強封堵鉆井液體系對河南頁巖氣井泥頁巖鉆井適用性較好，基本解決了井壁坍塌掉塊、井徑擴大率大的難題，實現了優快鉆進的目的。

3.根據目的層硬脆性泥頁巖地質特征及井壁失穩機理，建議下一步展開水平井水基鉆井液技術研究，降低鉆井液使用成本，同時保護環境。