水平井井壁穩(wěn)定性分析及鉆井液優(yōu)化策略

張大力

摘 要：研究區(qū)域油氣藏是以多種相態(tài)存在、主體上富集于泥頁(yè)巖（部分粉砂巖）地層中的天然氣聚集。具有儲(chǔ)量大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，針對(duì)頁(yè)巖氣的成藏特征，開(kāi)發(fā)以淺層大位移井、叢式水平井布井為主。由于頁(yè)巖地層裂縫發(fā)育、水敏性強(qiáng)，在長(zhǎng)水平段鉆井中，不僅容易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等問(wèn)題，而且由于水平段較長(zhǎng)，還會(huì)帶來(lái)摩阻、攜巖及地層污染等問(wèn)題，從而增大了產(chǎn)生井下復(fù)雜情況的幾率。因此，在水平井鉆井中解決井壁穩(wěn)定、降阻減摩和巖屑床清除等問(wèn)題就成為鉆井液選擇和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。基于水平井鉆井的特點(diǎn)及對(duì)鉆井液的需求，本文就水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)與要求進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：鉆井液；井壁穩(wěn)定性；選擇和設(shè)計(jì)；難點(diǎn)與要求

1水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)分析

與常規(guī)水平井相比，以淺層大位移井、叢式水平井布井為主的頁(yè)巖氣水平井水平段長(zhǎng)，并需要進(jìn)行分段壓裂。對(duì)于要進(jìn)行分段壓裂的水平井，原則上其水平段方位應(yīng)垂直于最大水平主應(yīng)力方向或沿著最小水平主應(yīng)力方向。井眼沿著最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí)，由于頁(yè)巖地層裂縫發(fā)育，長(zhǎng)水平段（1200m左右）鉆井中不僅易發(fā)生井漏、垮塌、泥頁(yè)巖水化膨脹縮徑等問(wèn)題而產(chǎn)生井下復(fù)雜情況，而且在長(zhǎng)水平段，摩阻、攜巖及地層污染問(wèn)題也非常突出，鉆井液性能的好壞將直接影響鉆井效率、井下復(fù)雜情況的發(fā)生率及儲(chǔ)層保護(hù)效果。因此，從鉆井液方面講，井壁穩(wěn)定技術(shù)、降阻減摩技術(shù)和井眼清洗技術(shù)等將成為頁(yè)巖氣水平井鉆井中的關(guān)鍵技術(shù)；同時(shí)，在實(shí)施這些技術(shù)的過(guò)程中，將面臨井壁穩(wěn)定、降阻減摩和巖屑床清除等難題。

1.1井壁穩(wěn)定問(wèn)題

① 孔隙壓力變化造成井壁失穩(wěn)。頁(yè)巖與孔隙液體的相互作用，改變了黏土層之間水化應(yīng)力或膨脹應(yīng)力的大小。濾液進(jìn)入層理間隙，頁(yè)巖內(nèi)黏土礦物遇水膨脹，膨脹壓力使張力增大，導(dǎo)致頁(yè)巖地層（局部）拉伸破裂；相反，如果減小水化應(yīng)力，則使張力降低，產(chǎn)生泥頁(yè)巖收縮和（局部）穩(wěn)定作用。

②對(duì)于低滲透性頁(yè)巖地層，由于濾液緩慢地侵入，逐漸平衡鉆井液壓力和近井壁的孔隙壓力（一般大約為幾天時(shí)間），因此失去了有效鉆井液柱壓力的支撐作用。由于水化應(yīng)力的排斥作用使孔隙壓力升高，頁(yè)巖會(huì)受到剪切或張力方式的壓力，減少使頁(yè)巖粒間聯(lián)結(jié)在一起的近井壁有效應(yīng)力，誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

③對(duì)于層理和微裂縫較發(fā)育、地層膠結(jié)差的水敏性頁(yè)巖地層，濾液進(jìn)入后會(huì)破壞泥頁(yè)巖的膠結(jié)性。水或鉆井液濾液極易進(jìn)入微裂縫，破壞原有的力學(xué)平衡，導(dǎo)致巖石的碎裂。近井壁含水量和膠結(jié)的完整性改變了地層的強(qiáng)度，并使井眼周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，引起應(yīng)力集中，井眼未能建立新的平衡而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

1.2高摩阻和高扭矩問(wèn)題

對(duì)于淺層大位移水平井，由于其定向造斜段造斜率高，斜井段滑動(dòng)鉆進(jìn)，定向時(shí)容易在井壁形成小臺(tái)階，造斜點(diǎn)至A靶點(diǎn)相對(duì)狗腿度較大，起下鉆容易形成鍵槽。在水平井段，定向滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆具與井壁摩擦力大，正常鉆進(jìn)時(shí)鉆頭扭矩大，必須要求鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性，以起到降阻減摩的作用。

1.3巖屑清除問(wèn)題

由于水平井造斜段井斜變化大，井眼難清潔；同時(shí)，在水平段由于頁(yè)巖的坍塌和井中巖屑重力效應(yīng)，影響了井眼清潔；再者，小井眼環(huán)空間隙小，泵壓高，因排量受到限，施工中易形成巖屑床，進(jìn)一步增加磨阻、扭矩和井下復(fù)雜情況發(fā)生的機(jī)率。此時(shí)，鉆井液流變性和攜巖清砂能力顯得更加重要。

2頁(yè)巖氣水平井井壁穩(wěn)定措施及鉆井液體系

2.1提高井壁穩(wěn)定性的方法

針對(duì)上述井壁穩(wěn)定性影響因素分析，井壁穩(wěn)定的措施包括鉆井液的化學(xué)作用（抑制和封堵）、鉆井液密度以及控制環(huán)空壓力激動(dòng)，特別是利用鉆井液的化學(xué)作用來(lái)控制水和離子在頁(yè)巖中的進(jìn)出從而控制水化應(yīng)力、孔隙壓力和頁(yè)巖強(qiáng)度，非常重要。

①對(duì)于低滲透性頁(yè)巖，當(dāng)鉆井液的活度比孔隙液體的活度低時(shí)，孔隙液體的滲透回流作用可以平衡水力流動(dòng)，使水化減慢、孔隙壓力升高速度降低，地層強(qiáng)度和近井壁有效應(yīng)力增加，此結(jié)果將有利于井眼穩(wěn)定。

②對(duì)于裂隙和裂縫性或?qū)永戆l(fā)育的高滲透性頁(yè)巖，可使用有效的封堵劑進(jìn)行封堵。因?yàn)樵谠嫉貙颖粔毫训那闆r下，即使采用低活度水基鉆井液，也不一定起到穩(wěn)定作用。此時(shí)，可以通過(guò)提高液體濾液黏度或封堵作用與滲透回流作用相結(jié)合，以降低頁(yè)巖滲透率來(lái)降低水力傳導(dǎo)率；采用低相對(duì)分子質(zhì)量的增黏劑以降低滲透率來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頁(yè)巖的目的；采用觸變性鉆井液和低密度鉆井液，盡可能降低鉆井液對(duì)縫隙的穿透能力。

③由于油基鉆井液可提高水濕性頁(yè)巖的毛細(xì)管壓力，防止鉆井液對(duì)頁(yè)巖的侵入，通過(guò)使用油基鉆井液和合成基鉆井液，可以有效地解決井壁不穩(wěn)定的問(wèn)題。即使采用油基鉆井液，對(duì)裂縫或?qū)永戆l(fā)育的頁(yè)巖地層，還必須強(qiáng)化封堵，以減少液體進(jìn)入地層造成的壓力傳遞。

2.2鉆井液體系

2.2.1選擇原則

頁(yè)巖氣水平井鉆井可以采用油基鉆井液和合成基鉆井液，也可以采用強(qiáng)抑制性水基鉆井液，其關(guān)鍵是確保井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑、防卡和井眼清洗。對(duì)于水基鉆井液，保證井壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵是提供良好的抑制性和封堵能力。從抑制性方面講，可以通過(guò)減少鉆井液濾液的水力流入來(lái)減輕頁(yè)巖的不穩(wěn)定性；無(wú)論對(duì)于哪種頁(yè)巖，都可以通過(guò)維持高濾液黏度或采用封堵孔喉的化學(xué)劑降低有效頁(yè)巖滲透率來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，盡管使用低活度水基鉆井液，也只能減少進(jìn)入地層中的水量，不能根本解決井壁穩(wěn)定問(wèn)題。而油基鉆井液可提高水濕性頁(yè)巖的毛細(xì)管壓力，防止鉆井液對(duì)頁(yè)巖的侵入。相對(duì)于水基鉆井液，油基鉆井液和合成基鉆井液用于頁(yè)巖氣水平井鉆井，在井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑、防卡方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2.2.2油基鉆井液和水基鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn)

用于頁(yè)巖氣水平井鉆井，油基鉆井液和水基鉆井液體系各具特點(diǎn)，現(xiàn)將其優(yōu)缺點(diǎn)分別列出。

①油基鉆井液

優(yōu)點(diǎn)：a.井壁穩(wěn)定性好，抑制能力強(qiáng)；b.潤(rùn)滑性好，卡鉆趨勢(shì)低，定向滑動(dòng)鉆進(jìn)不拖壓；c.熱穩(wěn)定性好，高溫、高壓條件下濾失量低；d.抗污染能力強(qiáng)（鹽、膏、固相以及CO2、H2S氣體污染），維護(hù)處理工作量?。籩.無(wú)腐蝕性；f.有利于保護(hù)儲(chǔ)層。

缺點(diǎn)：a.不環(huán)保；b.成本相對(duì)高，后勤保障工作量大；c.影響天然氣浸探測(cè)；d.溫度對(duì)流變性影響較大；e.循環(huán)漏失趨勢(shì)高。

②水基鉆井液

優(yōu)點(diǎn)：a.環(huán)保；b.天然氣浸易發(fā)現(xiàn)；c.溫度對(duì)流變性影響較小；d.成本相對(duì)低；e.遇井漏容易處理。

缺點(diǎn)：a.井壁穩(wěn)定性差；b.熱穩(wěn)定性相對(duì)較差，易于高溫凝膠化；c.抗污染性差（固相及CO2、H2S氣體污染），維護(hù)處理工作量大；d.潤(rùn)滑防卡能力不足。

2.2.3下步需要開(kāi)展的工作

從兩種體系的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比來(lái)看，在目前情況下，油基鉆井液表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì)，故為了實(shí)現(xiàn)防塌需要，同時(shí)獲得良好潤(rùn)滑性的目標(biāo)，淺層大位移頁(yè)巖氣水平井鉆井應(yīng)首先使用油基鉆井液體系。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合油基鉆井液在應(yīng)用中存在的問(wèn)題及需要，研制油基鉆井液降濾失劑、乳化劑、提黏切劑、封堵劑及潤(rùn)濕劑等，以不斷完善油基鉆井液體系，發(fā)展低毒或無(wú)毒油基鉆井液。當(dāng)活性頁(yè)巖暴露于高礦化度（35%CaCl2）的水基鉆井液時(shí)，活性的頁(yè)巖會(huì)發(fā)生失水（或脫水）現(xiàn)象。在高礦化度條件下，頁(yè)巖中的水分反而會(huì)被吸入到鉆井液中去，這樣對(duì)于提高頁(yè)巖地層穩(wěn)定性非常有利。