陸相頁巖氣水平井段井壁失穩機理及水基鉆井液對策

王 波 孫金聲 申 峰 李 偉 張文哲

1.中國石油大學（華東）石油工程學院 2.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院3.中國石油集團工程技術研究院有限公司

0 引言

中國頁巖氣資源豐富，勘探開發前景良好[1-2]，水平井鉆井是其開發的核心技術。鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣資源儲量豐富，中生界在三疊紀沉積時期沉積了一套深湖相—半深湖相暗色泥頁巖，巖、電特征明顯，儲層巖性致密、層理發育，單層厚度介于 50 ～ 60 m[3-4]。

在鄂爾多斯盆地早期陸相頁巖氣水平井鉆井過程中，由于井壁易失穩坍塌[5-10]，故一直使用的都是油基鉆井液，因而不可避免地存在著成本高、環境污染嚴重、后期廢棄物處置復雜等問題。因此，研發水基鉆井液以替代油基鉆井液，是低成本高效開發頁巖氣藏的關鍵技術之一[11-17]。國內在頁巖氣井長水平段水基鉆井液技術方面的研究起步較晚[14]，頁巖儲層的地質特征也不同于國外。盡管斯倫貝謝M-I 山洼[15]、哈里伯頓[16]、貝克休斯[17]等國外油服公司都已研發出高性能的頁巖氣水基鉆井液，但在國內頁巖氣水平井鉆井中應用時仍存在著諸多“水土不服”的問題。

為此，筆者針對目前國內關于陸相頁巖氣井壁失穩機理和水基鉆井液技術研究報道較少的現狀，以鄂爾多斯盆地延長區塊上三疊統延長組陸相頁巖為樣本，從頁巖儲層礦物組成、理化特性、比表面積、微觀結構等方面分析了其井壁失穩機理，提出了頁巖氣水基鉆井液技術對策，研發了基于納米封堵的低自由水活度頁巖水基鉆井液體系（PSW-2）；進而測試了PSW-2的抑制封堵性、潤濕性和抗壓強度，評價了該鉆井液體系抑制頁巖黏土礦物水化分散、封堵頁巖微納米孔隙、降低毛細管自吸作用的能力，以期破解該區頁巖氣水平井鉆井過程中井壁失穩的難題。

1 延長組陸相頁巖組構及特征分析

1.1 頁巖礦物組成

頁巖井壁穩定受巖石中礦物組成和黏土礦物含量影響很大，認識中生界陸相頁巖特征首先需對巖石中礦物組成特征進行分析。樣品依據石油行業標準《沉積巖中黏土礦物質總量和常見非黏土礦物X射線衍射定量分析方法：SY/T 6210—1996》和《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線分析方法：SY/T 5163—2010》測試標準檢測，所用巖樣來自鄂爾多斯盆地YY4、YY7、YY8、YY9等中生界上三疊統延長組頁巖地層地質取心及延長組露頭巖樣，頁巖巖樣的全巖礦物和黏土礦物分析測試結果如圖1、2所示。

圖1 延長組頁巖全巖礦物含量三角圖

圖2 延長組頁巖黏土礦物組成相對含量柱狀圖

從圖1巖樣XRD全巖分析結果可知，延長組的長7層陸相頁巖巖樣黏土礦物總量分布在10.5%～ 62.2%，但各井下巖心測試結果離散性較大。石英含量分布在18%～73%，白云石礦物含量較小，分布在0～5.0%。黏土礦物分析結果顯示，中生界頁巖井下巖樣及露頭巖樣的黏土礦物均以伊利石為主，相對含量平均值分別為70.6%和49.7%，間層比均低于15%；伊/蒙混層礦物含量分布在0.2%～24.2%，無蒙脫石，綠泥石含量分布在4.9%～ 27.8%，脆性礦物含量高。可知，延長區塊中生界頁巖地層含有一定的可水化黏土礦物，黏土礦物的離散性分布造成地層頁巖在水化時不均勻膨脹，從而加劇力學強度降低，造成井壁失穩。因此，在頁巖水基鉆井液體系構建和性能指標控制時應考慮鉆井液對陸相頁巖水化膨脹與水化分散的抑制作用。

1.2 頁巖理化特征分析

由頁巖礦物組成分析結果可知，鄂爾多斯盆地中生界陸相頁巖中黏土礦物含量較高且黏土礦物中伊/蒙混層平均相對含量為11.2%，具有一定的水化膨脹特點，因此為研究頁巖井壁微觀失穩機理需進一步測試頁巖理化特性。根據石油行業標準《泥頁巖理化性能試驗方法：SY/T 5613—2000》開展了延長組長7層頁巖巖心的理化特性測試，主要測試分析的內容包括熱滾分散性測試、線性膨脹實驗、陽離子交換容量測定、等溫吸附測定等。

1.2.1 頁巖水化分散性測試

分別測試了不同取心井下頁巖巖樣和露頭巖樣在清水中的滾動回收率和線性膨脹率，每個巖樣分別進行兩次平行測試，結果如表1、2所示。

表1 延長組頁巖巖樣在清水中滾動回收率表

表2 延長組頁巖巖樣清水線性膨脹率表

觀察經熱滾前后巖屑形態可知，井下所取巖心熱滾后濾液有少許渾濁物，顆粒比較完整，發生了較小的分散，而露頭的清水濾液十分混濁，顆粒破碎程度較大，巖屑棱角被磨圓，分散程度較嚴重。由表1、2的測試結果可知使用長7層頁巖井下取心巖屑所測試的滾動回收率介于69.29%～73.89%、線性膨脹率介于5.98%～8.23%，各井之間有一定差異，總體差別不大；長7層頁巖露頭巖樣的滾動回收率55.73%、線性膨脹率15.24%，具有更明顯的水化分散或水化膨脹特點，這一方面與露頭頁巖的黏土礦物含量較高有關，另一方面也與露頭巖樣內部膠結相對地層巖心弱有關。通過分析可知，鄂爾多斯盆地陸相頁巖具有較強的水化分散能力和一定的水化膨脹效果，應重點提高鉆井液體系對頁巖水化的抑制作用[18]。

1.2.2 陽離子交換容量測定

黏土礦物中含有不同形態的晶層結構，晶層間的陽離子具有可交換性，在一定的物理化學條件下其中的陽離子可被交換出從而改變黏土礦物中的晶層間距。陽離子交換容量是指pH值為7時所吸附的K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋等陽離子總量，簡稱CEC。CEC值越大表示黏土礦物所帶的負電荷越大，其水化、膨脹和分散能力越強；反之，其水化、分散及膨脹能力越弱。陽離子交換容量測試方法依據標準SY/T 5613—2000測試，計算公式為：

測試結果如表3所示。

表3 延長組頁巖巖樣CEC值表

由結果看出，不同井下頁巖巖樣陽離子交換容量差別較大，表明不同巖樣中黏土礦物含量離散性較大，這與巖心XRD分析結果一致。YY7井、YY8井巖樣黏土礦物含量相對較低，YY4井、YY9井、露頭巖樣中黏土礦物含量較高，均有相對較強的水化能力，這也表明不同區域間地層頁巖黏土礦物差別大，地層非均質較強。

1.2.3 吸附等溫線測試

吸附等溫線實驗能直接證明頁巖吸水能力的強弱，通過實驗測試了不同頁巖巖樣隨相對濕度變化的等溫吸附率，結果如圖3所示。

圖3 延長組頁巖巖樣的等溫吸附曲線圖

由圖3實驗結果可以看出，頁巖巖心和露頭巖樣均具有一定的吸水能力。隨著相對濕度增加，所有頁巖吸水量隨之增加，相比之下，相同條件下，露頭頁巖和YY7井巖心吸水能力較其他巖心強，露頭頁巖表現出的這種現象最明顯。其原因主要有：①黏土礦物水化；②頁巖節理、裂縫、孔隙特別發育，毛細管效應突出；③頁巖節理、裂縫、孔隙特別發育，微裂縫、孔隙多、比表面積大，表面吸附水；④含有可水化的離子；⑤有機質水化等。

1.3 頁巖比表面積

比表面積是衡量泥頁巖吸附特性的一個重要參數，巨大的比表面積常使得泥頁巖具有較高的化學活性，能優先與侵入地層的外來流體發生化學反應和物理化學作用，并具有較高的化學反應速度[19]。通過實驗，測試了頁巖比表面積和平均孔徑分布，結果如圖4所示。

從圖4測試分析結果可以看出，延長區塊延長組陸相頁巖比表面積分布在0.397～3.590 m2/g，平均1.931 m2/g，頁巖中平均孔徑分布在4.494～8.502 nm。頁巖中孔隙多以納米孔存在，孔隙所產生的毛細管自吸效應加劇了液相向巖心內部侵入，阻止液相侵入的關鍵一方面是必須能有效封堵頁巖中存在的此類納米孔隙，另一方面可改變頁巖表面潤濕性，減弱毛細管附加動力效應[20]。

圖4 陸相頁巖延長組巖樣比表面積與平均孔徑分布圖

1.4 頁巖微觀結構分析

對頁巖巖樣進行掃描電鏡觀察（圖5）可知：來自不同取樣點的頁巖壓實水平高、結構緊密，微裂隙發育，原始狀態下微裂縫開度可達5 μm。微裂縫的發育將破壞巖石的完整性，弱化原巖的力學性能，同時為鉆井過程中，鉆井液進入地層提供了通道。在鉆井正壓差以及毛細管附加壓力作用下，濾液沿裂縫或微裂隙侵入地層誘發水力尖劈作用，加劇井壁地層巖石破碎，同時也提高了鉆井液與地層中黏土礦物和有機質的作用幾率及作用程度，加劇井眼周圍巖石強度降低及井壁失穩。

圖5 頁巖巖心掃描電鏡觀測照片

2 井壁失穩機理及其鉆井液技術對策

2.1 陸相頁巖氣水平井井壁失穩機理分析

經分析研究，延長區塊井下頁巖巖樣黏土礦物總量分布在10.5%～62.2%，節理微裂縫發育、紋理清楚，屬弱膨脹型破碎性（脆性）頁巖，鉆井過程中井壁不穩定機理主要是力學因素、物理化學因素、鉆井機械擾動及其綜合作用的結果。

具體表現為：①延長組頁巖致密，節理、微裂縫、微裂隙發育，脆性大，當鉆井打開頁巖層后，壓力釋放，造成壓力不平衡，加之外來流體（如濾液）沿裂縫滲入，產生水力尖劈作用，導致地層破碎、誘發井壁失穩；②頁巖毛細管效應突出，比表面大，表面吸附水，吸水能力較強，含有可水化的陽離子并伴隨陽離子釋放，削弱頁巖之間的聯結，加之水化不均勻，導致頁巖局部強度下降而發生剝落掉塊；③浸泡時間越長或濾液pH值越高，將促進頁巖陽離子釋放，頁巖層間陽離子釋放可能是間歇式的或無規律性變化，水化不均勻，表現出突發性垮塌；④鉆井過程中鉆井液的沖刷作用以及鉆桿的應力傳遞作用易引起井壁周圍頁巖碎裂、垮塌，或因起下鉆過猛，引起井內激動而導致井壁失穩[21]。

2.2 穩定井壁的鉆井液技術對策

設計防塌鉆井液時，應分析頁巖井壁不穩定機理（坍塌特征）結果，在技術上必須滿足以下要求和對策：

1）黏土礦物均以伊利石為主，含伊/蒙混層礦物，無蒙脫石，比表面積較低，為弱膨脹性頁巖；應強化鉆井液抑制頁巖水化分散的同時兼顧抑制水化膨脹能力。

2）層理、宏觀裂縫、微觀裂紋均較發育；層理面對頁巖力學強度弱化作用顯著，對延長頁巖井壁穩定性具有極大控制作用。在鉆井液壓差、毛細管力以及化學勢的作用下，水相將沿裂縫或微裂紋侵入地層，產生水力尖劈作用，導致坍塌壓力當量密度大幅上升。實際鉆井中，應通過強化微裂隙特別是納微米孔隙的封堵，避免單獨采用提高鉆井液密度方式來維持井壁穩定。

3）良好的潤滑性及流變性。因頁巖層理膠結疏松、脆性大，若鉆井液本身及泥餅的摩阻大，就會使鉆進中扭矩大，起下鉆摩阻大，易發生黏附卡鉆事故，不利于頁巖層段井壁穩定，因此保證鉆井液良好的潤滑性是頁巖氣井安全鉆進的特殊要求。鉆進頁巖層段的鉆井液流變性設計必須調控在合理范圍內，尤其在水平段堅持“低波動壓力，好的懸浮、攜屑能力，MTV下紊流和零巖屑床”的原則。

3 水平井水基鉆井液性能評價

經過延長區塊陸相頁巖井壁失穩機理的深入研究，提出了水平井鉆井過程中穩定井壁鉆井液對策。以技術對策為指導，研發了以納米剛性封堵和柔性變形填充結合的復合封堵劑YFD-2，以甲酸鹽為主要抑制劑降低液相活度，并在充分考慮流變性與潤滑性的基礎上經過大量實驗形成提切劑組合BOP＋TQ-1和高效潤滑劑ORH-1，建立了延長區塊陸相頁巖水平井水基鉆井液體系PSW-2。所形成的水基鉆井液體系PSW-2配方組成為：4.0%～6.0%膨潤土＋0.2%～0.5%提切劑BOP＋2.0%～4.0%提切劑TQ-1＋20%～60%甲酸鹽＋2.0%～5.0%降濾失劑＋0.1%～0.3%降黏劑＋6.0%～9.0%封堵劑YFD-2＋2.0%～5.0%潤滑劑ORH-1，密度適用范圍介于1.15～1.45 g/cm3。

使用該水基鉆井液體系在陸相頁巖氣水平井YYP-3井進行了現場應用施工，施工段從井深2 305 m、井斜角39.8°開始，至井深3 715 m順利完鉆，施工長度1 410 m、三開鉆井周期19天，施工作業順利、井下安全。對完井后鉆井液取樣測試，評價PSW-2鉆井液體系實際應用過程中的失水造壁性、流變性、抑制封堵性及潤濕性等性能。

3.1 基本性能評價

使用PSW-2水基鉆井液在YYP-3井鉆進過程中取不同井深時鉆井液試樣進行室內檢測，實驗測試溫度60 ℃，測試結果如表4所示[22]。

由測試結果可知，隨著井深不斷增加，頁巖水平段鉆進時鉆遇800 m長的碳質泥巖，鉆井液密度由1.18 g/cm3提高至1.23 g/cm3，動塑比保持在0.42～0.52 Pa/(mPags)。鉆進過程中井壁穩定良好，控制API濾失量介于2.0～2.8 mL，且鉆井液流變性保持穩定，井眼清潔、無巖屑床沉積。該體系在延長石油陸相頁巖區塊的延長組和山西組進行了5井次現場試驗，試驗井段長度均在1 000 m以上，均順利完鉆，三開鉆井周期最短12天，鉆井液性能保持穩定，各頁巖氣水平井基本性能如表5所示。

表4 YYP-3井三開不同井深鉆井液性能表

3.2 抑制封堵性評價

對完井后的鉆井液體系取樣測試分析，評價鉆井液體系抑制性和封堵能力。取延長組長7層頁巖露頭巖心作為評價實驗用巖心，分別測試了清水、7%KCl溶液、KCl—聚磺鉆井液體系、PSW-2頁巖水基鉆井液體系和油基鉆井液對露頭巖樣的滾動回收率和線性膨脹率，測試結果如圖6、7所示。

表5 使用水基鉆井液施工的5口頁巖氣水平井基本情況

圖6 延長組頁巖露頭巖樣在不同類液相中滾動回收率圖

圖7 延長組頁巖露頭巖樣在不同類液相中線性膨脹率圖

由實驗結果可知，頁巖露頭巖樣在清水中的滾動回收率和線性膨脹率分別為55.73%和15.24%，具有較強的水化分散性和膨脹性。當實驗液體換成7%KCl、KCl—聚磺鉆井液后，隨著抑制劑的含量增加和抑制封堵作用的協同作用增強，滾動回收率不斷提高、線性膨脹率隨之降低，表明巖樣中可發生水化作用的黏土礦物被抑制。對比PSW-2頁巖水基鉆井液體系測試結果可知，滾動回收率提高至95.15%，接近油基鉆井液的98.25%回收率結果，線性膨脹率低至1.38%，頁巖水化膨脹能力大幅度降低。這是由于PSW-2體系中高濃度甲酸鹽含量和納米復合封堵劑的共同作用不僅能封堵頁巖微納米孔隙的滲流通道，而且能提高鉆井液的抑制性、降低了液相活度，大幅度增強對頁巖的抑制作用，達到液相侵入少，侵入影響小的效果。

3.3 潤濕性評價

頁巖中微納米孔隙發育，由微納米孔道引起的毛細管自吸作用加速了液相侵入，促進頁巖地層井壁失穩產生。液相對頁巖巖心的潤濕相越好，液相侵入巖心中的附加壓力越大，液相越易侵入地層，因此改變液相對巖心的潤濕特性，增大頁巖的潤濕角則有利于阻止液相侵入地層，一定程度上達到保持頁巖井壁效果。分別測試了干巖樣和PSW-2體系驅替后的潤濕角，如圖8所示。

圖8 液相在頁巖露頭巖樣上的潤濕情況圖

由圖8可知，頁巖露頭干巖樣潤濕角為26°，表現出較強的親水特性，而巖心經PSW-2體系驅替浸泡后的潤濕角增大為56.5°，相比未處理的干巖樣大幅度減弱了清水在其表面的親水能力，降低毛細管附加壓力對液相引起的自吸作用，有利于阻止液相侵入頁巖地層。

3.4 抗壓強度測試

頁巖巖心在鉆井液中經一定溫度、壓力條件下浸泡后巖石抗壓強度特征會產生一定變化，通過三軸抗壓實驗可以獲得巖石在特定條件下的應力—應變曲線，研究巖石的變形和破壞規律，并計算出巖石的抗壓強度。通過實驗分別測試了在48 h/80 ℃/3.0 MPa條件下，頁巖露頭巖樣在清水和PSW-2體系中浸泡后的抗壓強度，結果如表6所示。

表6 鉆井液浸泡后頁巖露頭樣品抗壓強度測試結果表

從原巖的抗壓強度實驗結果可知，頁巖露頭具有較高的抗壓強度和較強的彈性變形特點。在未與工作液接觸時，原巖抗壓強度為110.7 MPa，清水浸泡后強度和內聚力急劇降低，使用PSW-2鉆井液體系浸泡后抗壓強度增加至95.806 MPa，接近原巖強度。對比浸泡前后的測試結果，由于頁巖中微裂縫及孔隙發育，液相極易進入巖心內部從而誘使巖心內部力學強度降低，當鉆井液中含有強抑制成分和封堵顆粒時，一方面封堵頁巖微納米孔隙降低了液相侵入量，另一方面鉆井液中的強抑制、低活度液相降低巖心中黏土礦物的表面水化作用，抑制膨脹、分散，從兩方面協同作用降低液相侵入對頁巖巖心的力學影響，起到穩定井壁效果。

4 結論

通過對延長區塊中生界延長組陸相頁巖巖心組構分析和水基鉆井液研究，得出以下結論和認識。

1）延長組頁巖黏土礦物總量分布介于10.5%～62.2%，平均含量為32.0%；巖心表現出弱膨脹強水化特點，且頁巖中以納米孔隙為主，節理微裂縫發育、紋理清楚。

2）頁巖井壁失穩是力學因素、物理化學因素、鉆井機械擾動及其綜合作用的結果，頁巖水基鉆井液技術對策應重點強化鉆井液對頁巖水化分散的抑制性能，加強對微裂縫的封堵，避免單純提高鉆井液密度維持井壁穩定性而加劇井壁失穩。

3）已成功應用的頁巖水基鉆井液體系PSW-2流變性及濾失造壁性表現優異，與KCl—聚磺鉆井液和油基鉆井液抑制性相比PSW-2體系具有較強的抑制頁巖水化分散和線性膨脹能力，經浸泡后頁巖巖心抗壓強度相比清水大大提高。