頁巖氣井強化封堵全油基鉆井液體系
——以長寧—威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)威遠(yuǎn)區(qū)塊為例

王曉軍 白冬青 孫云超 李晨光魯政權(quán) 景燁琦 劉 暢 蔣立洲

1. 中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院 2. 中國石油長城鉆探工程有限公司鉆井一公司3. 中國石油遼河石化公司第一聯(lián)合運行部

0 引言

四川盆地長寧—威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)威遠(yuǎn)區(qū)塊鉆井過程中復(fù)雜事故頻發(fā)，嚴(yán)重制約了頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)進度。通過對不同井段的復(fù)雜情況和施工時效統(tǒng)計得出，進入下志留統(tǒng)龍馬溪組后的三開鉆井過程中由于掉塊導(dǎo)致的埋鉆具、起下鉆遇阻、憋扭矩、倒劃困難和井漏的發(fā)生率較高、損失時間長，占損失時間比率超過80%。為此，筆者通過對該區(qū)龍馬溪組頁巖氣地層井壁失穩(wěn)機理的研究分析，探索強化封堵全油基鉆井液體系建立與應(yīng)用[1-3]，以期為降低復(fù)雜事故發(fā)生率、提高頁巖氣資源開發(fā)效率提供技術(shù)思路和解決路徑。

1 龍馬溪組鉆進過程中復(fù)雜情況頻發(fā)的原因

1.1 頁巖礦物組成分析

選取威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣地層巖樣，利用D/max-IIIA X射線衍射儀對頁巖全巖礦物及黏土礦物相對含量進行測定，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，龍馬溪組頁巖礦物主要成分為石英，其次為方解石、菱鐵礦、白云石和黏土礦物[4]，還含有少量的長石和黃鐵礦。其中黏土礦物平均含量為9%，組分以伊蒙混層（平均含量51%）和伊利石（平均含量39%）為主。龍馬溪組頁巖強膨脹性的蒙脫石含量極低，導(dǎo)致其膨脹性較弱，脆性礦物平均含量高達(dá)91%，硬脆屬性特征明顯，極易發(fā)生剝落掉塊。

1.2 頁巖構(gòu)造分析

通過對巖心微觀構(gòu)造分析可以得出（圖1），龍馬溪組頁巖水平層理結(jié)構(gòu)明顯[5]，發(fā)育的微裂縫寬度不一，并且微裂縫具有延伸長度長、彎曲程度大等特點。

1.3 頁巖表面潤濕性分析

采用SCI 50008溫控型接觸角測定儀，分別測定150 ℃條件下不同液體在威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖表面的接觸角大小（圖2）。由圖2可知，頁巖去離子水接觸角為21.7°，白油接觸角28.8°，偏水濕；同時，有機質(zhì)的存在對巖石表面的微觀潤濕性產(chǎn)生一定的影響，使其具有一定的親油性，呈現(xiàn)混合潤濕的特點[6]。

表1 龍馬溪組頁巖全巖礦物組成及黏土礦物組成表

圖1 龍馬溪組頁巖巖樣掃描電鏡圖片

圖2 龍馬溪組頁巖表面潤濕性測定結(jié)果圖

1.4 頁巖巖樣吸液率測定

由于龍馬溪組頁巖具有混合潤濕特性，因此采用巖心浸泡實驗測定的龍馬溪組頁巖在不同液體中的吸液率（表2）。

表2 龍馬溪組頁巖吸液率測定實驗表

由表2可知，威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖自吸水能力極強，30 h吸水率達(dá)7.29%；頁巖巖樣在油相中吸液量較低，30 h吸油率為2.74%。

1.5 井壁失穩(wěn)機理分析

通過對地質(zhì)因素分析得出，龍馬溪組頁巖硬脆屬性特征明顯，水平層理、微納米級孔縫普遍發(fā)育且具有混合潤濕特點，同時具備自吸水和自吸油雙重特性。因此，鉆井過程中無論是水基或者油基鉆井液都會優(yōu)先從滲透性較好的層理、微裂縫侵入地層內(nèi)部，造成近井壁坍塌壓力增加；在液柱壓力和毛細(xì)管力持續(xù)作用下，微裂縫出現(xiàn)開裂、延伸和擴展，使原本膠結(jié)性較差的硬脆掉塊脫離井壁[7-8]；若延展的微裂縫與地層內(nèi)部大裂縫相互貫通，還會引發(fā)井漏事故[9]。

根據(jù)龍馬溪組頁巖井壁失穩(wěn)機理分析，提出針對性的技術(shù)對策：采用全油基鉆井液，避免油包水乳化鉆井液存在的維護處理難度大、高溫破乳及滲透失水等問題；強化對微納米級孔縫的封堵能力，改善頁巖膜效率，減少濾失量，進而阻緩壓力傳遞和裂縫擴展。

2 全油基鉆井液體系特點

對比油包水乳化鉆井液，全油基鉆井液配方簡單，不添加任何的水相，不但具有更好的高溫穩(wěn)定性和抗污染性能，還具有更好的井壁穩(wěn)定效果。

2.1 不會發(fā)生滲透濾失問題

當(dāng)油包水乳化鉆井液活度高于地層水活度時，在滲透壓作用下，濾液中的水分子會侵入地層巖石，使其體積變大，產(chǎn)生滲透膨脹，這種體積上的變化是巖石內(nèi)部微裂縫張開并延伸后，在長度和寬度上均具有時間敏感性的結(jié)果[10]。為了減少濾液中的水侵入地層，油基鉆井液的活度應(yīng)該始終保持低于巖石活度0.10～0.15的范圍，但是龍馬溪組頁巖非均質(zhì)性較強，巖石活度隨井深不斷變化，給油包水乳化鉆井液活度調(diào)整帶來諸多挑戰(zhàn)。單純地提高體系鹽濃度有利于井壁穩(wěn)定，但是容易導(dǎo)致鹽重結(jié)晶，引起鉆井液破乳電壓下降，穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致更復(fù)雜的井壁失穩(wěn)問題[1]。

圖3為威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖膨脹率測定分析結(jié)果，其中，油包水基液配方如下：1號油包水基液：白油+3%主乳化劑+2%輔乳乳化劑+15%CaCl2溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%）；2號油包水基液：白油+3%主乳乳化劑+2%輔乳乳化劑+15%CaCl2溶液（飽和）。

圖3 龍馬溪組頁巖在不同鉆井液中膨脹率對比圖

從圖3中可以分析得出，全油基鉆井液體系無任何水相，不會發(fā)生滲透濾失現(xiàn)象，頁巖的膨脹率最低，地層巖石強度降低幅度更小，具有更好地井壁穩(wěn)定效果；同時，頁巖微孔隙在油中的吸液量更低，降低了鉆井液進入微裂縫導(dǎo)致的壓力傳遞，能夠減弱頁巖微裂縫的延伸和擴展[11]。

2.2 頁巖的吸液率更低

比表面積是指單位質(zhì)量泥頁巖具有的表面積，是評價泥頁巖井壁穩(wěn)定的重要參數(shù)，純蒙脫石比表面積823 m2/g，純伊利石比表面積103 m2/g。龍馬溪組頁巖巖樣（取自威202H7-2D井2 851～2 853 m）比表面積、比親水量、比親油量實驗結(jié)果如表3所示。

表3 龍馬溪組頁巖比表面積與比親水量、比親油量實驗結(jié)果表

由表3中數(shù)據(jù)對比可以看出，龍馬溪組頁巖比親水量幾乎是比親油量的2倍，說明浸泡在水中的裂縫性頁巖的水化膜較厚，水化后產(chǎn)生的水化膜斥力較大，更容易導(dǎo)致頁巖沿水化界面的局部變形或破壞（掉塊）。通過進一步測定對比頁巖在白油和油包水乳液中的吸液量得出，由于不添加任何水相，頁巖在全油基鉆井液中的自吸率更低，能夠減弱頁巖微裂縫自吸導(dǎo)致的局部變形或破壞，有利于井壁穩(wěn)定。

2.3 對頁巖表面性質(zhì)改變程度小

由于頁巖層理裂縫發(fā)育，表面性質(zhì)變化對巖石整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會產(chǎn)生重大影響，頁巖表面性質(zhì)變化越大，膠結(jié)力和抗拉抗剪切強度降低幅度越大，會加劇剝落掉塊和誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生；同時，巖屑表面由親水變?yōu)橛H油后會直接參與造漿，加劇油基鉆井液的流變性調(diào)控難度[12-14]；此外，油包水乳化劑會將頁巖表面由偏水潤濕向偏油潤濕轉(zhuǎn)變，頁巖表面親油會對氣態(tài)烴有較強吸附能力，不利于頁巖氣的高效開采[14-16]。

通過測定小油滴在不同巖樣表面的接觸角得出（表4），油包水基液浸泡后的頁巖表面接觸角變化幅度較大。全油基鉆井液表面活性成分較少，有利于井壁穩(wěn)定、鉆井液流變性的調(diào)控和儲層保護。

表4 龍馬溪組頁巖表面性質(zhì)變化測定分析結(jié)果表

3 強化封堵全油基鉆井液體系構(gòu)建

3.1 基礎(chǔ)配方的建立

在前期研究基礎(chǔ)上，結(jié)合威遠(yuǎn)頁巖氣地層施工特點，室內(nèi)經(jīng)過處理劑的優(yōu)選和加量配比的優(yōu)化，建立了密度介于1.80～2.40 g/cm3，抗溫150 ℃以上的全油基鉆井液基礎(chǔ)配方，即：3號白油+1.5%～2%有機土+1.5%～2%氧化鈣+3%～5%乳化瀝青+3%～5%有機褐煤+0.3%～0.5%提切劑+重晶石+0.4%潤濕劑。

其中，潤濕劑的加量是以重晶石為準(zhǔn)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，其他處理劑是以白油為準(zhǔn)的質(zhì)量體積百分?jǐn)?shù)。

3.2 油基封堵劑的優(yōu)選

3.2.1 封堵劑的粒徑級配

采用高壓壓汞法測定了龍馬溪組頁巖孔徑分布特征，如圖4所示。龍馬溪組頁巖孔徑分布范圍較廣，從幾個納米到幾個微米；較大孔縫尺寸從0.25～2.50 μm均有分布，樣品介孔（介于2～50 nm）與大孔（超過50 nm）孔隙占總孔隙體積比例達(dá)95%以上。根據(jù)孔縫直徑累計分布曲線得出，優(yōu)選的封堵劑粒徑分布宜為 ：D90=2.3 μm，D50=0.1 μm。

3.2.2 封堵劑的優(yōu)選

針對威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖地層非均質(zhì)性強，層理裂縫普遍發(fā)育的特點，室內(nèi)通過微孔濾膜濾失實驗優(yōu)選出了剛性、彈性和柔性的多種類封堵材料（表5）。

3.2.3 封堵劑的復(fù)配

采用Winner 2116激光粒度分析儀測定3種封堵劑在不同搭配比例下的D90和D50（表6）。由表6可以看出，當(dāng)井眼強化劑、彈性石墨和納米乳液搭配比例為6∶3∶2時，接近龍馬溪組頁巖的微孔隙和裂縫尺寸。

圖4 龍馬溪組頁巖孔徑分布及累積分布曲線圖

表5 室內(nèi)優(yōu)選出的封堵材料的性能表

表6 復(fù)配封堵劑的D90值和D50值表

3.3 體系形成及性能評價

通過封堵性能評價，綜合考慮對基礎(chǔ)配方流變性的影響和性價比，最終構(gòu)建了強化封堵全油基鉆井液體系：3號白油+1.5%～2%有機土+1.5%～2%氧化鈣+3%～5%乳化瀝青+3%～5%有機褐煤+0.3%～0.5%提切劑+2.4%井眼強化劑+1.2%彈性石墨+0.8%納米乳液+重晶石+0.4%潤濕劑+0%～0.5%乳化劑（視外來水相混入量）。

3.3.1 常規(guī)性能

從表7中可以看到，密度為2.4 g/cm3的高密度全油基鉆井液在熱滾前后黏切適中，高溫高壓濾失量低，仍然具有良好的電穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性。

3.3.2 高溫高壓流變性

室內(nèi)采用Fann iX 77高溫高壓流變性測定儀，測試了密度為2.0 g/cm3全油基鉆井液的黏切（表8），以了解井底油基鉆井液的流動狀態(tài)[17-18]。

從表8中數(shù)據(jù)可以看出，高密度全油基鉆井液在高溫高壓的井底環(huán)境下，仍然具有合適的黏切和較高的動塑比[19]，這有利于現(xiàn)場施工過程中鉆井液流變性的調(diào)控，同時能夠滿足威遠(yuǎn)頁巖氣地層長水平段懸浮巖屑及井眼凈化的要求。

表7 全油基鉆井液常規(guī)性能評價表

表8 全油基鉆井液高溫高壓流變性能評價表

3.3.3 抗污染性能

向密度為2.0 g/cm3的全油基鉆井液中分別加入20%巖屑，10%清水后，綜合性能依然良好，說明該鉆井液具有較好的抗污染性能，便于現(xiàn)場施工時維護處理，如圖5所示。

3.3.4 抑制性能

采用6～10目篩選威202H7-2D井龍一11層巖屑，分別放在強抑制水基鉆井液、全油基鉆井液及油包水鉆井液中，測試150 ℃下巖屑（40目）的一次回收率和二次回收率（表9）。

圖5 全油基鉆井液抗污染性能圖

表9 龍馬溪組頁巖在不同鉆井液分散性評價表

由表9可以看出，全油基鉆井液對龍馬溪組頁巖巖屑分散抑制性能最好，一次回收率和二次回收率分別為100.00%和99.98%，再次驗證全油基鉆井液由于不添加水相和乳化劑，具有更好的井壁穩(wěn)定效果。

3.3.5 封堵性能

常規(guī)砂床和模擬裂縫封堵實驗難以準(zhǔn)確地評價鉆井液對微納米級孔縫的封堵能力。砂盤滲透性封堵實驗通過模擬井下高溫、高壓環(huán)境，選用不同滲透率的陶瓷砂盤（PPA）作為滲濾介質(zhì)測試鉆井液濾失量，在巖心稀缺的條件下，是優(yōu)選封堵劑及加量調(diào)配的有效手段。室內(nèi)采用滲透率為400 mD（對應(yīng)的孔隙直徑為3 μm，模擬龍馬溪組頁巖較大孔徑）陶瓷砂盤，在150 ℃×15 MPa條件下，記錄不同配方的累積濾失量（表10）。

表10 全油基鉆井液添加封堵劑前后PPA濾失量測定表

由表10可以看出，全油基鉆井液添加封堵劑后砂盤濾失量降低幅度較大，說明復(fù)配的封堵劑具有協(xié)同作用的效果，顆粒間緊密結(jié)合、相互擠壓，能夠?qū)ξ⒖住⑽⒘芽p實現(xiàn)有效封堵。

由于巖石中裂縫的長短、寬度和延伸狀態(tài)都存在非均質(zhì)性，因此，模擬封堵設(shè)備并不能完全檢驗封堵劑對地層的封堵效果。以巖心為封堵對象，采取高溫高壓井壁穩(wěn)定性模擬實驗裝置進行壓力傳遞實驗，能更準(zhǔn)確地評價鉆井液體系阻緩壓力傳遞的性能[20-21]。在頁巖巖樣上下兩端建立初始壓差（模擬井筒和地層之間的壓差），實驗過程中保持頂端壓力（4.2 MPa）不變，而將巖樣下端流體封閉（0.7 MPa），與外界沒有物質(zhì)交換，通過壓力傳感器實時監(jiān)測巖樣下端壓力的動態(tài)變化規(guī)律，檢驗封堵層形成的速度和強度，如圖6所示。

圖6 強化封堵全油基鉆井液壓力傳遞評價圖

由圖6可以看出，優(yōu)選的多種類、多粒徑級配的封堵劑添加到全油基鉆井液中，能夠形成致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以明顯降低鉆井液的壓力傳遞，減少濾液侵入巖石內(nèi)部導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)和井眼漏失問題。

4 結(jié)論

1）龍馬溪組頁巖硬脆屬性特征明顯，易發(fā)生剝落掉塊；水平層理、微納米級孔縫普遍發(fā)育，為鉆井液濾液侵入地層提供天然通道。

2）龍馬溪組頁巖表面具有混合潤濕特點，水基鉆井液或油基鉆井液都會優(yōu)先從滲透性較好的微裂縫、層理侵入地層內(nèi)部，微裂縫的延伸、擴展是頁巖地層井壁掉塊的重要原因。

3）采用全油基鉆井液可以解決頁巖表面性質(zhì)改變和滲透濾失對井壁穩(wěn)定的影響，優(yōu)選的多種類、多粒徑級配的復(fù)合封堵配方可以有效封堵頁巖微孔縫，阻緩壓力傳遞，減少復(fù)雜事故發(fā)生率。

4）現(xiàn)場施工過程中，在維護處理好全油基鉆井液性能的基礎(chǔ)上，通過采用防卡鉆具組合、優(yōu)化井眼軌跡、提高排量和轉(zhuǎn)速、加強輕漿與重漿段塞的清掃能力，可以協(xié)同解決頁巖氣開發(fā)難題，真正實現(xiàn)降本增效。