渝東南地區(qū)頁巖氣鉆井泥漿優(yōu)化技術(shù)

譚秀華 熊 鑫 曾強滲

(重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司， 重慶 401123)

1 概況

我國南方上揚子地區(qū)廣泛發(fā)育富有機質(zhì)海相頁巖，頁巖氣勘探潛力巨大[1-3]。渝東南地區(qū)在構(gòu)造上屬四川盆地東南緣揚子準地臺(Ⅰ1)上揚子臺內(nèi)坳陷(Ⅱ2)渝東南凹陷褶皺帶(Ⅲ3)。頁巖氣勘探主要目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組 — 下志留統(tǒng)龍馬溪組，其上覆地層主要為志留系新灘組、小河壩組、韓家店組、水車坪組、梁山組、棲霞組、茅口組等地層。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)評價和實鉆資料顯示，龍馬溪 — 五峰組在該區(qū)沉積厚度約400～500 m，底部發(fā)育黑色碳質(zhì)泥頁巖，厚度約80～100 m。為探索該區(qū)域上奧陶統(tǒng)五峰組 — 下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖氣層段的含氣性，共部署實施了ZY1、ZY3、ZY5等多口頁巖氣井，并在ZY3、ZY5進行了有機胺復配甲基葡萄糖甙的新型鉆井液試驗。

2 泥漿優(yōu)化思路

目前頁巖氣鉆井過程中，直井和水平井主要采用鉀基鉆井液和油基鉆井液防止泥頁巖地層垮塌。鉀基鉆井液通過調(diào)整K+含量改變泥漿性能，從而抑制泥頁巖的水化膨脹，但由于其對測井曲線有影響且實際防膨防塌效果有限而受到一定制約。油基鉆井液防塌效果極佳，但成本高，且自身具一定毒性，在環(huán)保要求較高的地方使用受到一定制約。

導致泥頁巖井壁失穩(wěn)的原因錯綜復雜，一般可歸結(jié)為兩方面因素：地層力學因素和物理化學因素。泥漿密度過低會導致泥漿液柱壓力難以支撐力學性質(zhì)不穩(wěn)定的地層；而泥漿液柱壓力高于地層孔隙壓力，可能驅(qū)使泥漿進入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應，使井眼附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，導致泥頁巖強度降低，造成井壁失穩(wěn)破壞。引起井壁破壞的原因主要包括三大類：(1) 泥漿的浸入使泥頁巖含水量增加，密度下降，沿井眼周圍產(chǎn)生微裂縫，導致泥頁巖強度降低；(2) 井眼周圍壓應力過高產(chǎn)生微裂縫，裂紋變深加寬引起井壁坍塌和井眼擴大；(3) 在水敏性泥頁巖中，穩(wěn)定作用取決于顆粒表面之間的氫鍵(由泥頁巖顆粒表面的硅醇形成)。當水溶液削弱了泥頁巖顆粒之間的結(jié)合力時，強度降低，黏土的膨脹力便成為泥頁巖分散的主要因素，因此控制泥漿中的自由水滲入泥頁巖是井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵措施；此外，地層裂縫和微裂縫發(fā)育可增大黏土與水的接觸面積，加劇泥頁巖的水化裂解。

為了更好地解決井壁失穩(wěn)難題，減少井下安全風險，保障鉆完井施工及測井作業(yè)安全順利，結(jié)合渝東南地區(qū)多口頁巖氣井的實鉆數(shù)據(jù)以及區(qū)域地質(zhì)特征、泥頁巖的物理化學特性，主要從防止泥頁巖滲透水化著手優(yōu)化鉆井液。結(jié)合前人的研究成果[4-6]，研究優(yōu)選出可有效降低井壁失穩(wěn)風險的有機胺復配甲基葡萄糖甙新型鉆井液。

3 新型鉆井液抑制機理和性能評價

3.1 新型鉆井液抑制機理分析

有機胺是通過基團分析及多途徑設(shè)計、合成制備而成的。有機胺抑制劑是在聚醚分子鏈中引入胺基基團，具有非離子和陽離子表面活性劑的雙重特征。這種分子結(jié)構(gòu)獨特，可充填在黏土層間，并把黏土束縛在一起，有效降低黏土水化膨脹；胺分子通過金屬陽離子吸附在黏土表面，或者是在離子交換中取代金屬陽離子形成對黏土的束縛，從而抑制頁巖膨脹。含胺優(yōu)質(zhì)水基鉆井液是近年來提出的符合現(xiàn)代鉆井要求的高性能水基鉆井液，這種鉆井液具備油基鉆井液優(yōu)異的抑制性，并能夠防止鉆頭泥包，是頁巖氣井鉆探的優(yōu)選處理劑。

甲基葡萄糖甙分子結(jié)構(gòu)上既有親油的甲基也有親水的羥基。甲基葡萄糖甙的抑制機理為其所攜帶的羥基對頁巖具有強烈的吸附作用，而分子結(jié)構(gòu)上的甲基是親油基，使吸附了甲基葡萄糖甙的頁巖具有半透膜的特征。當加量達到一定數(shù)量后，其形成的半透膜允許水分子通過，而其他離子則受到阻礙，最終實現(xiàn)鉆井液和地層之間的活度平衡，控制鉆井液和地層水的運移，從而達到抑制頁巖水化、保持井壁穩(wěn)定的目的[7-8]。

有機胺和甲基葡萄糖甙均具有優(yōu)良的抑制泥頁巖水化能力。甲基葡萄糖甙除具有強抑制性外，在降低泥漿潤滑系數(shù)方面也有不錯的表現(xiàn)。將甲基葡萄糖甙作為抑制劑使用，加量較大、成本較高，因此在鉆井液中主要將其作為潤滑劑使用。

3.2 新型鉆井液性能評價

結(jié)合已鉆井鉆井液配方，對鉆井液進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的有機胺復配甲基葡萄糖甙(MEG)鉆井液配方為：7%膨潤土+ 3%SPNH + 0.5%(LV-PAC)+ 0.5%(NH-1)+3% MEG + 2%(SDJ-2)+2%(FT-342)+3%(QS-2)+0.3%(HV-CMC)。

取ZY5井2 184 — 2 272 m井段巖心(龍馬溪組、五峰組泥頁巖)對有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液進行抑制性評價，并將評價結(jié)果與基漿、ZY1井鉆井液進行對比(基漿配方：清水+5%膨潤土+0.3%純堿+0.3%(HV-CMC))，結(jié)果見表1。

從表1看出：當使用基漿進行實驗時，其滾動回收率為35.30%，膨脹率為23.42%；當使用ZY1鉆井液進行實驗時，其滾動回收率為86.42%，膨脹率為17.87%；而使用有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液時，其滾動回收率為97.60%，膨脹率為10.13%。實驗數(shù)據(jù)表明，有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液的抑制性得到了大幅提高。

表1 抑制性對比評價表 %

另外，有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液也具有較好的潤滑性。表2是甲基葡萄糖甙在配方中的質(zhì)量分數(shù)與鉆井液潤滑系數(shù)的對應關(guān)系。

表2 MEG質(zhì)量分數(shù)與鉆井液潤滑系數(shù)的對應關(guān)系

表2表明，隨著有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液體系中的甲基葡萄糖甙加量增加，鉆井液體系潤滑性增加。當甲基葡萄糖甙加量達到7%時，潤滑系數(shù)Ep達到0.157 4，顯示了優(yōu)良的潤滑性能。

4 現(xiàn)場應用工藝及效果評價

4.1 ZY3井現(xiàn)場應用工藝

ZY3井是位于渝東南凹陷黔江凹陷褶皺帶構(gòu)造的1口頁巖氣預探井。本井在1 700 — 2 150 m泥頁巖井段使用有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液鉆進。鉆井液優(yōu)化步驟主要有4步。(1) 加入降失水材料，滿足泥漿API濾失量小于等于4.0 mL，防止泥頁巖吸水膨脹剝落形成掉塊。加入的降失水材料為3%抗溫抗鹽降濾失劑SPNH和0.5%聚陰離子纖維素 LV-PAC。(2) 加入泥漿抑制劑，抑制泥頁巖水化膨脹，降低井壁垮塌程度。加入的泥漿抑制劑為0.5%聚胺抑制劑NH-1和3%甲基葡萄糖甙。(3) 加入封堵防塌劑，在井壁上形成泥餅維護井壁穩(wěn)定。加入的封堵防塌劑為1%納米級乳化石蠟SDJ-2、2%磺化瀝青粉FT-342和2%超細碳酸鈣QS-2。(4) 提高泥漿黏切力及攜巖能力，攜帶出井內(nèi)掉塊及巖屑，保證井筒清潔及井下作業(yè)安全。加入的配藥為7%預水化膨潤土漿和0.3%高黏 HV-CMC。

運用該鉆井液，本井在鉆進過程中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等井下復雜情況。在1 700 — 2150 m井段井徑擴大率控制在6.0%，較泥漿性能未改進之前的井徑擴大率(20%～28%)下降了70%，并顯示出較好的區(qū)域適應性和可移植性。

4.2 ZY5井現(xiàn)場應用工藝

ZY5井也是渝東南凹陷黔江凹陷褶皺帶構(gòu)造的一口頁巖氣預探井。本井在1 800 — 2 280 m泥頁巖井段使用有機胺加甲基葡萄糖甙鉆井液鉆進。鉆井液優(yōu)化步驟有4步。(1) 加入降失水材料，滿足泥漿API濾失量小于等于4.0 mL，防止泥頁巖吸水膨脹剝落形成掉塊。加入的降失水材料為5%抗溫抗鹽降濾失劑SPNH和0.8%聚陰離子纖維素LV-PAC。(2) 加入泥漿抑制劑，抑制泥頁巖水化膨脹，降低井壁垮塌程度。加入的泥漿抑制劑為0.8%聚胺抑制劑NH-1和5%甲基葡萄糖甙MEG。(3) 加入封堵防塌劑，在井壁上形成泥餅維護井壁穩(wěn)定。加入的封堵防塌劑為2%納米級乳化石蠟SDJ-2，3%磺化瀝青粉FT-342和3%超細碳酸鈣QS-2。(4) 提高泥漿黏切力及攜巖能力，攜帶出井內(nèi)掉塊及巖屑，保證井筒清潔及井下作業(yè)安全。加入的配藥為8%預水化膨潤土漿和0.5%高黏HV-CMC。

應用該鉆井液，本井在鉆進過程中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等井下復雜情況，在1 800 — 2 280 m井段井徑擴大率控制在5.8%，較泥漿性能未改進之前的井徑擴大率(20.0%～28.0%)下降了72%，并顯示出較好的區(qū)域適應性和可移植性。

ZY3井、ZY5井與ZY1井電測井徑對比如圖1所示。其中，ZY1井使用鉆井液為鉀基鉆井液。

圖1 ZY3井、ZY5井與ZY1井電測井徑對比圖

從圖1可以看出，未使用有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液的ZY1井井徑擴大率達到20.0%～28.0%，而使用有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液的ZY3井井徑擴大率為6.0%，ZY5井井徑擴大率為5.8%，顯示了有機胺復配甲基葡萄糖甙鉆井液優(yōu)良的穩(wěn)定井壁能力。

5 結(jié) 語

(1) 有機胺加甲基葡萄糖甙鉆井液在渝東南地區(qū)頁巖氣鉆井過程中能有效抑制泥頁巖水化膨脹，有效控制井壁垮塌，保障井下作業(yè)安全，具有較好的區(qū)域適應性，可以推廣使用。

(2) 雖然有機胺加甲基葡萄糖甙鉆井液在頁巖氣直井中應用非常成功，但是要成功應用于頁巖氣水平井還需進一步試驗。

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