關于頁巖氣井井壁失穩機理及其油基鉆井液技術探究

南旭（中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，遼寧 盤錦124000）

0 引言

頁巖氣是一種位于泥頁巖中，以吸附或自由狀態存在的天然氣，頁巖氣的特點是：巖石致密、滲透率低、吸附氣含量低、孔隙中的自由氣含量高。同時天然氣作為一種清潔無污染的能源，其需求量不斷增加，但由于我國的天然氣油井的存儲量少，大部分需要進口。為了緩解這一矛盾壓力，我國早在2012 年明確提出推進頁巖氣的開發，推進天然氣的開發進程。與常規油井開采相比，頁巖氣的開發難度大，一方面由于頁巖容易水化膨脹，微裂縫發育，另外一方面，頁巖氣開采的井型復雜，對于鉆井液的潤滑性和防塌封堵的性能要求更高，因此本文結合具體的開采問題對油基鉆井液進行分析介紹。

1 頁巖氣井井壁失穩機理分析

目前，我國的頁巖氣開發主要集中在四川盆地區域。在頁巖氣開采過程中，遇到的最關鍵的問題是井壁的失穩導致坍塌。因此需要對頁巖氣井壁失穩導致坍塌的機理進行分析，進而為鉆井液的開發提供思路。頁巖氣井壁失穩坍塌最初研究集中在頁巖水化造成的井壁失穩性，后來隨著油基鉆井液的開發應用，頁巖井壁坍塌的機理研究轉移到微觀結構和巖層構造，認為微裂縫、層理弱面、層理滲透是導致井壁失穩坍塌的主要因素。

1.1 頁巖微觀結構

通過頁巖微觀結構的分析，可以分析粘土礦物晶體的定向排列、膠結結構以及微裂縫的發育情況。目前，采取環境掃描電鏡可以有效觀察巖石內部微裂縫等微結構。從巖層的特性力學角度分析，微裂縫的存在會大大降低巖層結構的致密性和整體性，使得巖層的整體物理結構性能受到破壞，力學強度降低。巖層中的微裂縫存在一方面會誘發水力劈裂作用，導致井壁巖層結構破碎，另外一方面由于鉆井液的侵入，會加劇鉆井液物質與地層巖層結構的相互作用，降低巖層井壁的穩定性，促使井壁失穩。

表1：封堵性油基鉆井液性能

1.2 巖層抗壓強度特性

根據相關的巖層應力-應變數據，龍馬溪頁巖本身具有較好的抗壓強度，如果未與鉆井液進行接觸，其破壞呈現彈-脆性特性，在鉆井過程中，鉆頭會導致巖層結構的破壞，此時會在井壁周邊區域中產生大面積的微裂縫，這些微裂縫與鉆井液相互作用，在后續的長期作用下，可能會誘發更大巖塊的脫落。

因此，在頁巖氣開采過程中，無論采取何種鉆井液，均會造成巖層自身結構的破壞，使得整體的力學強度性能受到影響，容易使得井壁產生失穩的趨向。因此，選擇鉆井液時應該充分考慮此種情況，選擇的鉆井液應該具有較好的巖層封堵能力，最大限度地降低巖層中的微裂縫形成，同時避免裂縫深入到地層中。一般而言，頁巖氣巖層結構中含有較多的油潤濕性較好的有機層，油基鉆井液可能會導致部分有機質發生溶解，造成流失。使得巖層結構出現軟化，削弱穩定性。因此，選擇鉆井液時需要充分考慮此種影響。

2 頁巖氣油基鉆井液技術研究

油基鉆井液由于連續相是油，本身具有良好的潤滑性，可以滿足鉆井過程中對于潤滑性的要求，同時因油基鉆井液不會造成巖層出現水化作用，有較好的抑制作用，充分保證巖層結構穩定性。目前，北美國家使用的鉆井液多數采取油基鉆井液。近幾年來，中國石化和中國石油加大了對油基鉆井液的應用研究，并成功在四川的涪陵、威遠-長寧等地區采取白油基、柴油基鉆井液進行頁巖井開采應用，鉆井過程中的井壁狀態穩定，且巖屑的返出順利，很少出現鉆井液導致的復雜事故情況，取得較好的現場應用效果。油基鉆井液的研究主要圍繞乳化劑、流變調節劑、封堵材料進行。

乳化劑是保證油基鉆井液體系穩定性的關鍵，目前國內采取的乳化劑多為脂肪酸、脂肪酸皂等表面活性劑，該類物質一般同時存在親水基團和親油基團，親油基團分布在油相中，一般親水基團含有負電荷，與水相中的鈣離子相互結合。但正是由于親水基團含有負電荷，在界面上進行排列時受到同種電荷排斥的作用，難以形成致密層，不利于油水界面層的強度提升，對于鉆井液的切力提升也有阻礙，具體表現為乳化穩定程度不高。為此對乳化劑進行了改進，設計分子中含有多個吸附基團，通過化學鍵將吸附基團鏈接到乳化劑分子上，這樣發揮作用時，通過化學鍵的作用，避免出現親水基團的相互排斥情況，改善界面結構。

流變調節劑主要改善鉆井液的流變性能，使得一定鉆井速度和剪切速率條件下，鉆井液高分子結構能夠保持一定的粘度，有效發揮潤滑效果。通過加入流變調節劑，可以提升鉆井液的切力、結構力和動塑比。

有機膨潤土是鉆井液的基本組成成分，主要用于提升粘度、降低濾失量。因此專門用于鉆井液的膨潤土體系較少，近年來很多單位針對鉆井液體系開發研究了特殊膨潤土體系，利用鈉膨潤土與季銨鹽表面活性劑進行充分吸附，使得這種膨潤土在柴油和白油體系中能夠充分分散和發揮增粘效果。

3 頁巖氣油基鉆井液技術應用案例分析

3.1 油基鉆井液的配置

將循環罐、配漿罐及儲備罐清洗干凈后，在配漿罐中放入大約罐體容積2/3的白油，依次加入乳化劑、納米材料、氧化鈣、潤濕劑、封堵材料，加完后，循環剪切時間不低于30min，在攪拌、循環的條件下，將配好的濃度為20%～30%的氯化鈣水溶液加入到上述充分攪拌、循環的含有處理劑的基礎油中，加完后，充分攪拌、循環60min以上。

3.2 鉆井液的應用分析

表1 為油基鉆井液在三口不同水平井段的應用情況，具體的使用效果如下：

(1)良好的封堵性和濾失量

在頁巖氣開采過程中，容易出現井壁失穩復雜地下情況，上述3個水平井段采用的強封堵油基鉆井液體系的抑制性好、封堵能力強，另外潤滑性能優異。在整個鉆井過程中，順利鉆進無坍塌情況出現。

(2)良好的穩定性

通過乳化劑的改進應用，可以保證破乳電壓在600V以上，鉆進過程中通過振動篩返出巖屑的狀況來調整鉆井液的潤濕性。

(3)良好的頁巖力學保持率

通過現場的數據，采取配方油基鉆井液進行鉆進時，三個標段巖層的力學變化率分別為83%、89%、85%。能夠避免水巖相互作用導致頁巖強度降低造成井壁失穩。

4 結語

文章主要結合油基鉆井液的應用進行分析介紹，通過本文數據可以看出油基鉆井液具有較好的應用效果。