鉆井液處理劑對長寧地區(qū)頁巖抗壓強度的影響研究

晏 軍，張 瀟，梁 沖，郝安樂，吳 波，陳 慶，劉曉娟

(1中石油勘探開發(fā)研究院 2中國石油青海油田公司采油三廠 3西部鉆探克拉瑪依鉆井公司 4玉門油田分公司 5西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

當(dāng)水基鉆井液與地層頁巖接觸時，其中鉆井液中的液相在壓差的作用下通過頁巖內(nèi)大量發(fā)育的微裂縫和微節(jié)理滲入地層引起一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，從而降低頁巖地層的坍塌應(yīng)力[1]。影響頁巖地層坍塌應(yīng)力的因素當(dāng)中，抗壓強度是關(guān)鍵因素所在[2]。研究鉆井液處理劑對頁巖地層抗壓強度的影響規(guī)律，利于鉆井液性能的進(jìn)一步改善，為降低頁巖地層坍塌應(yīng)力提供新的研究方向，同時為井下安全工作提供理論支撐。本文在不同鉆井液處理劑及鉆井液體系浸泡巖心后表現(xiàn)出不同強度的基礎(chǔ)上，開展對鉆井液處理劑及體系進(jìn)一步優(yōu)化。并將該研究引入鉆井液體系中，解決了長久以來鉆井液與頁巖地層之間可能存在的化學(xué)-力學(xué)耦合作用帶來的不確定影響，從而為鉆井液處理劑及體系配方優(yōu)選提供指導(dǎo)。

一、長寧地區(qū)頁巖抗壓強度實驗

1.實驗藥品與儀器

本實驗選用的是龍馬溪組頁巖巖心露頭，無機鹽KCl和NaCl，有機鹽甲酸鉀，封堵劑：納米Fe3O4和聚合醇Ⅰ型，聚胺抑制劑HGI，三軸巖石強度測試儀RTR-1000。

2.實驗樣品的制備

選取長寧地區(qū)新鮮露頭頁巖，鉆取?25 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖心。將頁巖巖心露頭與不同濃度和不同類型的鉆井液處理劑溶液在專門設(shè)計的容器、設(shè)定好的地層溫度下浸泡相應(yīng)時間。將經(jīng)過處理后的頁巖巖心露頭(為同層位露頭、均質(zhì)性好的頁巖)放入三軸巖石強度測試儀RTR-1000中來測定其力學(xué)性質(zhì)(如巖石抗壓強度、彈性模量、泊松比、應(yīng)力值)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.實驗相關(guān)條件的確定

根據(jù)長寧地區(qū)頁巖巖心埋藏深度，計算出測量時所需要模擬的溫度及圍壓。實驗所用巖心所處井深為2 500 m，經(jīng)計算得知所需模擬的地層溫度為80℃，圍壓為25 MPa。

當(dāng)鉆井液與頁巖接觸時，鉆井液中的水分會沿著頁巖中微裂縫和微節(jié)理滲入，導(dǎo)致頁巖的吸水量會隨著時間的增加而增大，吸水量越多導(dǎo)致頁巖的抗壓強度下降得越快，并在一定時間內(nèi)頁巖吸入的水分趨于飽和[3]。通過測定頁巖巖石飽和水需要多少時間即利用吸水率來確定浸泡時間。

由圖1可以看出，將頁巖放入鉆井液中，隨著時間的增加，頁巖的吸水率呈上升的趨勢，在前2 h內(nèi)，吸水率急劇上升，在接下來的4 h內(nèi)，吸水率的增加趨勢放緩，在6 h左右基本上達(dá)到飽和狀態(tài)，在24 h時吸水率基本上不再發(fā)生改變。考慮到長寧地區(qū)頁巖巖心浸泡時間與吸水率的關(guān)系，同時又本著節(jié)省實驗時間的目的，確定24 h為理想浸泡時間。

圖1 泥頁巖吸水率隨時間變化圖

二、鉆井液處理劑對頁巖強度的影響

近年來，國內(nèi)外有不少研究學(xué)者圍繞泥頁巖地層與不同鉆井液體系接觸時所表現(xiàn)出的強度特性變化規(guī)律進(jìn)行了理論和實驗研究。Miller Jamas F[4]等人模擬井下條件下的頁巖接觸流體，在各種施加壓力和壓差下，通過流體處理劑之前和之后的滲透率的原位測量來評估效果。Prahlad Kumar Yadav[5]等人發(fā)現(xiàn)通過鉆井液與儲層巖石接觸產(chǎn)生的化學(xué)-機械效應(yīng)入手，來考察鉆井液對常規(guī)和非常規(guī)巖石樣品力學(xué)性能參數(shù)的影響。鄢捷年和羅健生[6]指出，在鉆井液的性能評價中應(yīng)加入巖石抗壓強度。羅平亞和劉向君[7]提出在現(xiàn)有的鉆井液體系評價的基礎(chǔ)上，通過泥頁巖在不同鉆井液體系浸泡下所表現(xiàn)的強度變化來對鉆井液體系做進(jìn)一步優(yōu)化。在前人研究的基礎(chǔ)上，將頁巖浸泡在不同關(guān)鍵鉆井液處理劑浸泡下表現(xiàn)出的抗壓強度變化規(guī)律應(yīng)用于鉆井液體系優(yōu)化中，將前人的研究做進(jìn)一步豐富與完善。

1.原始巖心的抗壓強度

首先測定了長寧地區(qū)原始頁巖巖心的抗壓強度，結(jié)果如下：

圖2為長寧地區(qū)原始巖心的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，由圖2可知長寧地區(qū)的原始巖心的強度較高，巖石抗壓強度達(dá)到182.1 MPa,表明具有較強的穩(wěn)定性和彈性變形特征。達(dá)到最大應(yīng)力值后巖心隨即內(nèi)部發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫。

圖2 長寧地區(qū)原始巖心的變形和破壞規(guī)律

2.無機鹽對頁巖抗壓強度的影響

由于K+相對于其他陽離子來說水化能低，因此能夠優(yōu)先被黏土吸附，使得晶層間脫水促使晶層空間受到壓縮，同時K+粒徑能夠進(jìn)入黏土氧六角環(huán)之間的間隙，形成氫鍵。在這兩種作用下形成較致密的結(jié)構(gòu)，從而起到抑制水化的作用[8]。表1為經(jīng)無機鹽浸泡后巖石三軸實驗結(jié)果。

表1 無機鹽浸泡后巖石三軸實驗結(jié)果(長寧地區(qū))

由表1可看出，在經(jīng)不同濃度KCl溶液浸泡后，頁巖抗壓強度均有一定的減小，但減小程度較小，抗壓強度整體保持在 150～170 MPa之間。經(jīng)過7%濃度KCl溶液浸泡后的巖心應(yīng)力值達(dá)171.0 MPa，與原始頁巖巖心的應(yīng)力值接近，故視7%濃度的KCl溶液為最佳浸泡濃度。經(jīng)較低濃度NaCl浸泡后頁巖巖心的應(yīng)力值下降幅度較大，當(dāng)7%濃度時頁巖巖心的應(yīng)力值得到提升，說明當(dāng)溶液中Na+濃度越高時，抑制性就越強。從表1數(shù)據(jù)上可以看出相同濃度下NaCl的抑制性弱于KCl。

3.有機鹽甲酸鉀對頁巖抗壓強度的影響

甲酸鉀溶液中高濃度的離子能夠壓縮黏土膠體顆粒雙電層，從而減弱黏土所帶負(fù)電性來達(dá)到降低頁巖水化膨脹的目的[9]。表2為經(jīng)不同濃度甲酸鉀浸泡后頁巖三軸實驗結(jié)果。

表2 經(jīng)甲酸鉀溶液浸泡后巖石三軸實驗結(jié)果

通過表2中實驗數(shù)據(jù)可以看出，甲酸鉀的抑制效果要優(yōu)于無機鹽KCl，在2%濃度下巖心的應(yīng)力值達(dá)到了182.6 MPa，大大提高了頁巖巖心的抗壓強度，同時可以看出甲酸鉀的濃度越高，頁巖巖心應(yīng)力值呈降低趨勢，從經(jīng)濟性和效果來看，甲酸鉀的最佳濃度在2%左右。

4.抑制劑對頁巖抗壓強度的影響

聚胺在鉆井液中可解離成胺基陽離子，在靜電作用下中和黏土表面負(fù)電荷，降低黏土水化斥力；同時聚胺與黏土晶層表面形成氫鍵，在靜電引力和氫鍵共同作用下束縛黏土片層，排擠出層間吸附水，削弱黏土水化現(xiàn)象；通過增強黏土表面的疏水性來阻止水分子的侵入，從而抑制黏土水化分散[10]。故聚胺抑制劑可表現(xiàn)出良好抑制性能。表3為經(jīng)聚胺抑制劑浸泡后巖石三軸實驗結(jié)果。

表3 經(jīng)抑制劑HGI溶液浸泡后巖石三軸實驗結(jié)果

經(jīng)過抑制劑HGI溶液浸泡后，巖心的應(yīng)力值較原始巖心應(yīng)力值減小幅度很小。隨著抑制劑HGI溶液的增加，可以看出在1%濃度時，應(yīng)力值最大(即抗壓強度最大)，達(dá)到173.8 MPa,與原始巖心的應(yīng)力值非常接近，故在配制鉆井液體系時抑制劑HGI的最佳加量為1%。

5.封堵劑對頁巖抗壓強度的影響

大量實驗表明，當(dāng)液相侵入頁巖內(nèi)部時，僅提高體系抑制性能，并不能達(dá)到理想穩(wěn)定井壁的目的。因此要達(dá)此目的還需提高體系封堵能力。

聚合醇在壓差的作用下沿頁巖微裂縫和微孔隙侵入地層，形成封堵，起到防止頁巖的水化分散的作用，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的[11]。

在做聚合醇浸泡實驗時，需將配置好的聚合醇體系加熱到80℃，將巖心露頭放入浸泡16 h，使巖心完全被浸泡的時間和聚合醇達(dá)到濁點的時間一致，使聚合醇發(fā)揮最佳效果。隨后將巖心取出在烘箱內(nèi)高于濁點溫度(120℃)烘1 h，取出進(jìn)行三軸抗壓實驗。此實驗方法為模擬聚合醇I型在地層下與地層接觸并進(jìn)入地層，當(dāng)溫度高于其濁點析出時的情況。

表 4 經(jīng)聚合醇Ⅰ型溶液浸泡后巖石三軸實驗結(jié)果

從表4可知，巖心的抗壓強度與聚合醇I型濃度呈正相關(guān)，由153.1 MPa增加到 171.4 MPa，該數(shù)值接近原始巖心的抗壓強度，說明聚合醇I型的加入可以封堵地層孔隙，提高抗壓強度。

6.無機鹽、有機鹽、封堵劑與抑制劑復(fù)配對巖石抗壓強度的影響

由上述實驗可知，經(jīng)無機鹽、有機鹽、封堵劑和抑制劑浸泡后，巖石的抗壓強度均有一定幅度的降低。下面將無機鹽、封堵劑以及抑制劑復(fù)配來浸泡巖心，來考察其對巖石抗壓強度的影響。現(xiàn)取鉆井液處理劑最佳加量進(jìn)行配置，將巖心浸泡在7%KCl+2%甲酸鉀+5%聚合醇I型+1%抑制劑HGI的溶液中24 h，然后進(jìn)行三軸應(yīng)力實驗，其結(jié)果如表5。

表5 復(fù)配溶液浸泡后巖石三軸實驗結(jié)果

由表5可以看出，其最大應(yīng)力值為177.4 MPa，十分接近原始巖心的應(yīng)力值，這依賴于良好封堵性與抑制性，一方面無機鹽KCl通過晶格固定和離子交換作用，甲酸鉀電荷中和和低活度形成滲透壓差阻止壓力進(jìn)一步向頁巖巖石內(nèi)部傳遞，來抑制頁巖水化，抑制劑通過靜電中和和表面吸附作用抑制黏土水化，聚合醇封堵劑通過其濁點效應(yīng)來封堵裂縫，經(jīng)過多元協(xié)同作用，達(dá)到穩(wěn)定頁巖井壁的目的。

三、現(xiàn)場應(yīng)用效果

依據(jù)上述試驗所得數(shù)據(jù)及關(guān)鍵處理劑配比在長寧地區(qū)威204H10-7井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明試驗井的鉆井液密度要顯著低于鄰井鉆井液密度，且鉆井液密度可維持在一個穩(wěn)定的范圍，如圖3所示，低鉆井液密度可使鉆速得到提高從而使鉆井周期大幅度縮減。故將頁巖在鉆井液處理劑浸泡后所得抗壓強度變化規(guī)律應(yīng)用于鉆井液體系研究中后，可達(dá)到改進(jìn)和提高鉆速及提高鉆井液體系穩(wěn)定井壁穩(wěn)定性的目的。

圖3 試驗井與鄰井使用的鉆井液密度對比

四、結(jié)論

(1)通過對無機鹽浸泡巖心的結(jié)果分析，無機鹽KCl的加入會大幅度提高巖心的抗壓強度。其中無機鹽KCl通過晶格固定和離子交換作用來抑制頁巖水化，其最佳加量為7%。NaCl則是通過阻止液相侵入來達(dá)到減弱頁巖水化的目的，其抑制效果要弱于KCl。

(2)經(jīng)聚胺抑制劑HGI浸泡后頁巖巖心應(yīng)力值為173.8 MPa，說明聚胺類抑制劑有助于提高頁巖的抗壓強度。聚胺抑制劑是通過靜電中和以及表面吸附作用來阻止黏土的進(jìn)一步水化，從而達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。其中抑制劑HGI的最佳加量為1%。

(3)通過對聚合醇I型浸泡巖心后的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)封堵劑的加入會大幅度提高巖心的抗壓強度，并且產(chǎn)生殘余強度。其中聚合醇封堵劑通過其濁點效應(yīng)來進(jìn)行有效封堵，從而抑制黏土水化。

(4)長寧地區(qū)原始巖心的應(yīng)力值(即抗壓強度)很高，應(yīng)力值最大可達(dá)178.1 MPa，經(jīng)過無機鹽、封堵劑和抑制劑浸泡后的巖心的抗壓強度都有下降的趨勢，但是都沒有將三者按照最佳比例復(fù)配浸泡后巖心抗壓強度下降的幅度小。說明在無機鹽KCl和有機鹽甲酸鉀抑制頁巖水化、封堵劑提供軟化粒子、聚合醇濁點效應(yīng)以及抑制劑靜電中和和表面吸附，在多元協(xié)同作用下起到良好的井壁穩(wěn)定效果。

(5)將頁巖在鉆井液處理劑浸泡后所表現(xiàn)出抗壓強度變化規(guī)律應(yīng)用于鉆井液體系的研究中，對鉆井液體系的優(yōu)化和提高頁巖地層井壁穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支撐。