延長區(qū)塊炭質(zhì)泥巖高性能水基鉆井液研究

薛少飛，李偉，張文哲，王波，殷嘉偉

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075）

延長地區(qū)頁巖氣井頁巖井段黏土礦物以伊利石為主，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)40%以上，且目的層段常鉆遇有泥巖、灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤巖等不同巖性，不同巖性間膠結(jié)作用差，井壁坍塌風(fēng)險高[1-3]。對此，開展了高性能有土甲酸鹽水機(jī)鉆井液研究，有效解決了長炭質(zhì)泥巖、煤巖井段井壁穩(wěn)定性問題。陸相頁巖氣水平井YYP-10井的水平段為1 000 m，其中炭質(zhì)泥巖、煤巖井段連續(xù)長達(dá)200 m，在陸相頁巖氣水平井YYP-10井中應(yīng)用的改進(jìn)型高性能水基鉆井液PYW-2，進(jìn)一步優(yōu)化了體系配方，保證了優(yōu)異性能的同時，節(jié)約了成本。

1 延長頁巖氣井井壁不穩(wěn)定機(jī)理分析

1.1 地質(zhì)、力學(xué)因素

延長區(qū)塊陸相頁巖氣水平段鉆探層位為山西組，包含有大段炭質(zhì)泥巖、煤層。山西組炭質(zhì)泥巖具有層狀結(jié)構(gòu)，因此，地層在垂直方向上膠結(jié)力較弱，層與層之間膠結(jié)力小，在鉆井過程中，應(yīng)力釋放（卸荷）、鉆具機(jī)械擾動極易導(dǎo)致井壁巖石破裂，使炭質(zhì)泥巖沿層理呈片狀剝落掉塊，誘發(fā)井壁失穩(wěn)，坍塌壓力PC大幅上升[4-5]。

1.2 化學(xué)因素

延長區(qū)塊山西組泥頁巖、炭質(zhì)泥巖微裂縫、微裂隙發(fā)育，毛細(xì)管效應(yīng)突出；含有可水化的陽離子（如Na+等）水化，削弱不同巖性交界處的聯(lián)結(jié)，在外力作用下，易碎裂垮塌[6]。

炭質(zhì)泥巖具有一定的水化能力，若濾液pH值過高，OH－與層面負(fù)電荷較高的氧原子可以形成強(qiáng)烈的氫鍵作用，促進(jìn)層間水化作用。泥頁巖陽離子釋放可能是間歇式的或無規(guī)律性變化，會導(dǎo)致水化不均勻，表現(xiàn)為突發(fā)性垮塌[7]。

2 水基鉆井液PYW-1性能優(yōu)化評價

2.1 抑制劑優(yōu)化

在原高性能水基鉆井液PYW-1中，采用甲酸鉀作為體系的抑制劑和加重劑，但在陸相頁巖氣系列水平井YY-7、YY-8、YY-9井的應(yīng)用情況中發(fā)現(xiàn)，由于其抑制性過強(qiáng)影響膨潤土水化分散和造漿能力，導(dǎo)致初次配漿后黏度和切力過低，不利于攜巖和穩(wěn)定井壁?，F(xiàn)在原配方的基礎(chǔ)上，將甲酸鉀的加量進(jìn)行優(yōu)化，另在體系中引入重晶石作為復(fù)配加重劑，實驗結(jié)果如表1。

表1 抑制劑加量對水基鉆井液PYW-1性能影響

配方：4%膨潤土+0.2%純堿+0.15%XC+0.03%燒堿+2%降濾失劑+2%QS+3%封堵劑RL-2+5%無水聚合醇WJH-1+3%白油+甲酸鉀+重晶石。

實驗結(jié)果表明，在甲酸鉀加量為25%和重晶石加量為25%時，鉆井液體系具有最小的API失水量（2 mL），且具有較高的切力和適當(dāng)?shù)酿ざ?，能夠有效地攜帶巖屑，防止泥頁巖、炭質(zhì)泥巖井段水化膨脹。為進(jìn)一步探究優(yōu)化后高性能水基鉆井液PYW-2的抑制性和沉降穩(wěn)定性，對其進(jìn)行抑制性和沉降穩(wěn)定性評價，結(jié)果如圖1和表2所示。

圖1 PYW-2沉降穩(wěn)定性評價

表2 PYW-1和PYW-2抑制性評價

實驗結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后的高性能水基鉆井液PYW-2體系在靜置6 d的情況下，沉降因子一直小于0.52，僅在第6 d有所增大，說明其具有良好的沉降穩(wěn)定性。高性能水基鉆井液PYW-2滾動回收率僅比PYW-1低0.5%，高達(dá)96.2%；線性膨脹率僅高2.8%，達(dá)到了7.3%，說明高性能水基鉆井液PYW-2體系依然具有強(qiáng)抑制性，能夠有效抑制泥頁巖、炭質(zhì)泥巖段水化膨脹，保證井下安全。

2.2 封堵劑優(yōu)化

延長區(qū)塊泥頁巖、炭質(zhì)泥巖這類地層富含微裂縫、細(xì)微裂縫，孔隙細(xì)小，為納米至微米級范疇，屬低孔、低滲地層，其滲透率多在10-3～10-7mD之間[8]。若采用油基鉆井液，首先能夠免除水對炭質(zhì)泥巖地層的不利影響，加上其本身所具有強(qiáng)抑制性和毛管附加阻力，使體系中微小固相顆粒和油相滴珠對裂縫地層進(jìn)行有效封堵；但是其昂貴的成本、嚴(yán)重的污染限制了油基鉆井液的使用[9]。而針對延長地區(qū)地層所研制的陸相頁巖氣鉆井液PYW-1已經(jīng)可以在延長區(qū)塊替代油基鉆井液，滿足現(xiàn)場的正常鉆井。但是，在面對復(fù)雜地層時，其封堵性能還稍有不足。因此，在改進(jìn)型高性能水基鉆井液PYW-2中，需進(jìn)一步優(yōu)化封堵性，擬優(yōu)選一種或幾種封堵劑與現(xiàn)體系中封堵劑RL-2進(jìn)行復(fù)配，從而實現(xiàn)對納微米裂縫的多級填充，增強(qiáng)體系的封堵性。

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研和室內(nèi)的初步優(yōu)選后，擬采用封堵劑EP-2、JB53、MN-1中一種或幾種與RL-2進(jìn)行復(fù)配，實驗結(jié)果如表3所示，其中各種類封堵劑均已采用最優(yōu)加量。封堵評價方法采用具有特低滲透（如10～4 mD級）的厚泥餅來進(jìn)行模擬，K為含封堵劑鉆井液體系的泥餅滲透率，用來表征封堵效果，K越小，說明封堵效果越好。

表3 封堵劑復(fù)配后鉆井液性能參數(shù)及封堵效果

實驗結(jié)果表明，采用微軟變形封堵劑EP-2、微納米封堵劑MN-1和納米乳液封堵劑RL-2復(fù)配的鉆井液體系擁有最小的API失水和泥餅滲透率（圖2），以及較好的流變性。這3種封堵劑粒徑大小分布合理，首先由粒徑較大的納米乳液RL-2微米級封堵顆粒先架橋，減小孔縫大小，隨后較小的微米級封堵劑EP-2顆粒填充，使孔隙大小進(jìn)一步減小，最后由微納米級封堵材料MN-1封堵結(jié)束，有效實現(xiàn)對地層孔隙的微納米級封堵。

圖2 封堵劑復(fù)配后鉆井液封堵效果

3 高性能水基鉆井液PYW-2現(xiàn)場應(yīng)用效果

經(jīng)優(yōu)化后的高性能水基鉆井液PYW-2在陸相頁巖氣水平井YYP-10井成功應(yīng)用，YYP-10井水平段為1 000 m，鉆遇7套炭質(zhì)泥巖、6套煤巖，復(fù)雜地層井段連續(xù)長達(dá)近200 m。表4為YYP-10井實鉆鉆井液性能，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用證明，改進(jìn)型高性能水基鉆井液PYW-2能夠有效穩(wěn)定長炭質(zhì)泥巖、煤巖等復(fù)雜地層井段，且具有攜砂能力強(qiáng)、潤滑性好、強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制和低成本等特性。

表4 YYP-10井實鉆鉆井液性能

4 結(jié) 論

延長地區(qū)頁巖氣井目的層段常鉆遇有多套炭質(zhì)泥巖及煤巖等復(fù)雜地層，不同巖性間膠結(jié)作用差，井壁坍塌風(fēng)險高。在高性能水基鉆井液PYW-1的基礎(chǔ)上，對其抑制性和封堵性進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的配方為：4%有機(jī)土+0.2%純堿+0.15%XC+0.03%燒堿+2%降濾失劑+2%QS+3%RL-2+5%EP-2+3%MN-1+5%無水聚合醇WJH-1+3%白油+25%甲酸鉀+25%重晶石。經(jīng)性能優(yōu)化后的高性能水基鉆井液PYW-2在YYP-10井應(yīng)用證明新體系能夠有效穩(wěn)定長炭質(zhì)泥巖、煤巖等復(fù)雜地層井段，具有攜砂能力強(qiáng)、潤滑性好、強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制和低成本等優(yōu)點。