關(guān)于頁巖氣井井壁失穩(wěn)機(jī)理及其油基鉆井液技術(shù)探究

南旭（中國石油集團(tuán)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(tài)存在的天然氣，頁巖氣的特點(diǎn)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(shí)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(chǔ)量少，大部分需要進(jìn)口。為了緩解這一矛盾壓力，我國早在2012 年明確提出推進(jìn)頁巖氣的開發(fā)，推進(jìn)天然氣的開發(fā)進(jìn)程。與常規(guī)油井開采相比，頁巖氣的開發(fā)難度大，一方面由于頁巖容易水化膨脹，微裂縫發(fā)育，另外一方面，頁巖氣開采的井型復(fù)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(jié)合具體的開采問題對油基鉆井液進(jìn)行分析介紹。

1 頁巖氣井井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

目前，我國的頁巖氣開發(fā)主要集中在四川盆地區(qū)域。在頁巖氣開采過程中，遇到的最關(guān)鍵的問題是井壁的失穩(wěn)導(dǎo)致坍塌。因此需要對頁巖氣井壁失穩(wěn)導(dǎo)致坍塌的機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而為鉆井液的開發(fā)提供思路。頁巖氣井壁失穩(wěn)坍塌最初研究集中在頁巖水化造成的井壁失穩(wěn)性，后來隨著油基鉆井液的開發(fā)應(yīng)用，頁巖井壁坍塌的機(jī)理研究轉(zhuǎn)移到微觀結(jié)構(gòu)和巖層構(gòu)造，認(rèn)為微裂縫、層理弱面、層理滲透是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)坍塌的主要因素。

1.1 頁巖微觀結(jié)構(gòu)

通過頁巖微觀結(jié)構(gòu)的分析，可以分析粘土礦物晶體的定向排列、膠結(jié)結(jié)構(gòu)以及微裂縫的發(fā)育情況。目前，采取環(huán)境掃描電鏡可以有效觀察巖石內(nèi)部微裂縫等微結(jié)構(gòu)。從巖層的特性力學(xué)角度分析，微裂縫的存在會(huì)大大降低巖層結(jié)構(gòu)的致密性和整體性，使得巖層的整體物理結(jié)構(gòu)性能受到破壞，力學(xué)強(qiáng)度降低。巖層中的微裂縫存在一方面會(huì)誘發(fā)水力劈裂作用，導(dǎo)致井壁巖層結(jié)構(gòu)破碎，另外一方面由于鉆井液的侵入，會(huì)加劇鉆井液物質(zhì)與地層巖層結(jié)構(gòu)的相互作用，降低巖層井壁的穩(wěn)定性，促使井壁失穩(wěn)。

表1：封堵性油基鉆井液性能

1.2 巖層抗壓強(qiáng)度特性

根據(jù)相關(guān)的巖層應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，龍馬溪頁巖本身具有較好的抗壓強(qiáng)度，如果未與鉆井液進(jìn)行接觸，其破壞呈現(xiàn)彈-脆性特性，在鉆井過程中，鉆頭會(huì)導(dǎo)致巖層結(jié)構(gòu)的破壞，此時(shí)會(huì)在井壁周邊區(qū)域中產(chǎn)生大面積的微裂縫，這些微裂縫與鉆井液相互作用，在后續(xù)的長期作用下，可能會(huì)誘發(fā)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(huì)造成巖層自身結(jié)構(gòu)的破壞，使得整體的力學(xué)強(qiáng)度性能受到影響，容易使得井壁產(chǎn)生失穩(wěn)的趨向。因此，選擇鉆井液時(shí)應(yīng)該充分考慮此種情況，選擇的鉆井液應(yīng)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(shí)避免裂縫深入到地層中。一般而言，頁巖氣巖層結(jié)構(gòu)中含有較多的油潤濕性較好的有機(jī)層，油基鉆井液可能會(huì)導(dǎo)致部分有機(jī)質(zhì)發(fā)生溶解，造成流失。使得巖層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)軟化，削弱穩(wěn)定性。因此，選擇鉆井液時(shí)需要充分考慮此種影響。

2 頁巖氣油基鉆井液技術(shù)研究

油基鉆井液由于連續(xù)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(shí)因油基鉆井液不會(huì)造成巖層出現(xiàn)水化作用，有較好的抑制作用，充分保證巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前，北美國家使用的鉆井液多數(shù)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(yīng)用研究，并成功在四川的涪陵、威遠(yuǎn)-長寧等地區(qū)采取白油基、柴油基鉆井液進(jìn)行頁巖井開采應(yīng)用，鉆井過程中的井壁狀態(tài)穩(wěn)定，且?guī)r屑的返出順利，很少出現(xiàn)鉆井液導(dǎo)致的復(fù)雜事故情況，取得較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。油基鉆井液的研究主要圍繞乳化劑、流變調(diào)節(jié)劑、封堵材料進(jìn)行。

乳化劑是保證油基鉆井液體系穩(wěn)定性的關(guān)鍵，目前國內(nèi)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(zhì)一般同時(shí)存在親水基團(tuán)和親油基團(tuán)，親油基團(tuán)分布在油相中，一般親水基團(tuán)含有負(fù)電荷，與水相中的鈣離子相互結(jié)合。但正是由于親水基團(tuán)含有負(fù)電荷，在界面上進(jìn)行排列時(shí)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(qiáng)度提升，對于鉆井液的切力提升也有阻礙，具體表現(xiàn)為乳化穩(wěn)定程度不高。為此對乳化劑進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)分子中含有多個(gè)吸附基團(tuán)，通過化學(xué)鍵將吸附基團(tuán)鏈接到乳化劑分子上，這樣發(fā)揮作用時(shí)，通過化學(xué)鍵的作用，避免出現(xiàn)親水基團(tuán)的相互排斥情況，改善界面結(jié)構(gòu)。

流變調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)能夠保持一定的粘度，有效發(fā)揮潤滑效果。通過加入流變調(diào)節(jié)劑，可以提升鉆井液的切力、結(jié)構(gòu)力和動(dòng)塑比。

有機(jī)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(fā)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(jìn)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(fā)揮增粘效果。

3 頁巖氣油基鉆井液技術(shù)應(yīng)用案例分析

3.1 油基鉆井液的配置

將循環(huán)罐、配漿罐及儲(chǔ)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(huán)剪切時(shí)間不低于30min，在攪拌、循環(huán)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?jǐn)嚢琛⒀h(huán)的含有處理劑的基礎(chǔ)油中，加完后，充分?jǐn)嚢琛⒀h(huán)60min以上。

3.2 鉆井液的應(yīng)用分析

表1 為油基鉆井液在三口不同水平井段的應(yīng)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(xiàn)井壁失穩(wěn)復(fù)雜地下情況，上述3個(gè)水平井段采用的強(qiáng)封堵油基鉆井液體系的抑制性好、封堵能力強(qiáng)，另外潤滑性能優(yōu)異。在整個(gè)鉆井過程中，順利鉆進(jìn)無坍塌情況出現(xiàn)。

(2)良好的穩(wěn)定性

通過乳化劑的改進(jìn)應(yīng)用，可以保證破乳電壓在600V以上，鉆進(jìn)過程中通過振動(dòng)篩返出巖屑的狀況來調(diào)整鉆井液的潤濕性。

(3)良好的頁巖力學(xué)保持率

通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，采取配方油基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，三個(gè)標(biāo)段巖層的力學(xué)變化率分別為83%、89%、85%。能夠避免水巖相互作用導(dǎo)致頁巖強(qiáng)度降低造成井壁失穩(wěn)。

4 結(jié)語

文章主要結(jié)合油基鉆井液的應(yīng)用進(jìn)行分析介紹，通過本文數(shù)據(jù)可以看出油基鉆井液具有較好的應(yīng)用效果。