淺談頁巖氣藏地層井壁水化失穩(wěn)機理與抑制方法

宋永康

摘要：世界能源對頁巖氣藏的非常規(guī)能源需求日益攀升，頁巖氣的勘探開發(fā)嫌棄新型能源開發(fā)浪潮，頁巖氣藏開發(fā)成為全球能源開發(fā)熱點。國內(nèi)頁巖氣藏開發(fā)對外需求仍然存在，開發(fā)主力軍是中石油和中石化，中石油作業(yè)區(qū)塊分布在四川盆地及其周邊，中石化作業(yè)區(qū)塊在重慶涪陵及其周邊;在天然氣供需矛盾凸顯的情況下，開發(fā)高質(zhì)量頁巖氣成為改變油氣供需矛盾最重要的組成部分。頁巖氣的開發(fā)會出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等問題，井壁失穩(wěn)會導(dǎo)致卡鉆、井眼報廢等問題，給鉆井工程帶來巨大損失。頁巖氣井水平井段井壁失穩(wěn)是目前頁巖氣資源勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)難題，全面了解頁巖氣藏井壁穩(wěn)定性研究進展十分重要。本文綜合國內(nèi)外研究進展對井壁穩(wěn)定性進行歸納總結(jié)，揭示了頁巖地層井壁水化失穩(wěn)機理和抑制方法。

關(guān)鍵詞：頁巖氣井;井壁水化;井壁失穩(wěn);表面自由能

引言：

頁巖氣藏對增儲上產(chǎn)十分重要，可以有效解決油氣資源緊張，保障國家能源安全。頁巖氣藏是一種非常重要的非常規(guī)氣藏，當前因為國內(nèi)經(jīng)濟的高速增長，谷內(nèi)的頁巖氣藏開發(fā)當前正處在一種技術(shù)不完全的階段，很多重點區(qū)域已經(jīng)成為頁巖氣藏開發(fā)的的前沿陣地，但是在具體的開采鉆井中也暴露出很多作業(yè)工程上的難點，最讓業(yè)界關(guān)注的作業(yè)工程重點難點是頁巖氣藏的地層在作業(yè)過程之中頻繁發(fā)生井壁坍塌事故。

國內(nèi)最初研究頁巖氣藏井壁穩(wěn)定性中主要集中在研究頁巖氣藏井壁水化對井壁安全穩(wěn)定性的影響上，現(xiàn)在隨著頁巖氣藏的井壁坍塌機理逐漸將研究轉(zhuǎn)移到

頁巖本身的層理構(gòu)造上來，逐漸發(fā)現(xiàn)井壁失穩(wěn)的抑制機理。

一、國內(nèi)外頁巖氣藏地層井壁水穩(wěn)定性研究情況

1850年左右是采井井壁穩(wěn)定研究的最早追溯時間，從第一篇研究采井井壁穩(wěn)定性的文章發(fā)表一直到現(xiàn)在來講，和采井井壁穩(wěn)定性有關(guān)的研究論述逐漸在增加，雖然研究井壁穩(wěn)定性的論述著作數(shù)量變得越來越多，但研究方法還是歷經(jīng)了諸多階段，例如力學(xué)、化學(xué)、力化耦合等研究階段。在20世紀的70年代前，力學(xué)與化學(xué)研究是屬于各自獨立的，沒有有機統(tǒng)一結(jié)合。

直到七十年代開始，一直到九十年代，研究人員逐漸把化學(xué)和力學(xué)研究結(jié)合統(tǒng)一起來，但是僅僅只是停留在研究的實驗層面，結(jié)果并不準確。直到就是年代莫得時候，力學(xué)才和化學(xué)有機統(tǒng)一起來，這也促使頁巖氣藏的井壁穩(wěn)定性研究徹底邁進可以定量實驗?zāi)M的具體分析階段。

1.井壁穩(wěn)定的力學(xué)研究

在力學(xué)的范疇之內(nèi)，巖石的強度不穩(wěn)定主要是因為巖石強度不能對破壞應(yīng)力進行強有力的抵抗采造成的。

在這一思想的研究基礎(chǔ)之上，研究人員做了大量的實際實驗工作，同時取得研究成果的飛躍，1940年，關(guān)于井壁穩(wěn)定性問題的第一篇研究文章問世，在文中的假設(shè)中描述了應(yīng)力在水平井四周的彈塑性井眼分散的情況。

2002年對非線彈性對井眼四周應(yīng)力如何產(chǎn)生具體作用做研究，得出彈性模型對井內(nèi)四周井壁應(yīng)力估計過大的研究結(jié)果。

2.井壁穩(wěn)定的化學(xué)研究

在頁巖氣藏地層之中，因為泥漿和黏土礦物產(chǎn)生的水化作用，此作用直接造成圍巖的強度變小，直接造成井壁坍塌;黏土礦物的具體水化作用是對井壁失穩(wěn)造成坍塌的主要原因;技術(shù)人員對問題的解決重點在于頁巖氣藏地層水化作用的防塌處理研究上，取得了長足的進展。

3.井壁穩(wěn)定力的化耦合研究

20世紀90年代，井壁的耦合進行一個研究高產(chǎn)階段，很多研究都出具了研究模型供業(yè)界探討。

二、頁巖氣藏地層井壁穩(wěn)定性機理研究

頁巖氣藏地層井壁水化的抑制原理主要是依據(jù)熱力學(xué)第二定律，物質(zhì)總有自發(fā)地減小表面自由能的趨勢，可以通過一定的吸附作用去改變濕潤性，以此降低體系的自由能，這和物質(zhì)界面的動力學(xué)、濕潤性和吸附性特征都有很大的關(guān)系。所以，可以通過把頁巖表面的自由能去減少頁巖對水分子的吸附，充分的抑制頁巖表面的水化程度，穩(wěn)定井壁。頁巖和水與空氣組成的體系中，能通過在頁巖表層接觸角的情況計算出頁巖表面的自由能。

根據(jù)式，能夠讓水在頁巖表面接觸角的抑制劑顯著的增強，對頁巖表層自由能進行有效降低，對表面水化起到抑制作用。

三、頁巖氣藏地層井壁水化失穩(wěn)抑制方法

1.多碳醇可將頁巖表面抑制性能改變

使用細砂紙將頁巖巖樣的表面打磨光滑，頁巖的巖樣厚度在打磨后要保持在 3-5 mm，將頁巖的巖樣置于5%多碳醇水溶液中，浸泡24小時之后在干燥箱中 80℃下干燥6小時，冷卻2小時后，頁巖巖樣在經(jīng)過5%多碳醇水溶液更改性狀后疏水性明顯變強;頁巖巖樣經(jīng)多碳醇進行改性后，巖樣表面的自由能明顯變小，頁巖巖樣表面吸附水分子的強度減弱，這樣的方式很大程度的對頁巖巖樣表面的水化表現(xiàn)起到抑制的作用，在實際的作業(yè)中非常有利于氣藏的井壁穩(wěn)定。

2.巖樣在多碳醇溶液中膨脹作用

多碳醇可以對頁巖的巖樣表面水化起到抑制作用，進一步抑制頁巖巖樣水化的分散與膨脹，多碳醇對頁巖巖樣的穩(wěn)定作用顯而易見。

3.巖樣的單軸壓縮

因為水分子在侵入頁巖巖樣之后，巖樣中的裂縫和孔隙逐漸變多并且出現(xiàn)微裂，頁巖的強度明顯下降，和沒有被浸泡過的巖樣相比較之后強度基本相似，這說明多碳醇可以將井壁表面水化為主的頁巖的抗壓強度有效保持，對井壁的安全穩(wěn)定性的保持非常有利。

四、頁巖氣藏地層井壁水化失穩(wěn)的抑制展望

頁巖井壁穩(wěn)定問題屬于非常復(fù)雜的實際問題，為了實際生產(chǎn)應(yīng)用考慮，提出以下幾點展望：

1.因為鉆井的過程里地應(yīng)力有加強時效作用，所以采用先進的鉆具及時獲取井壁信息，可以提高待鉆地層參數(shù)精準度，充分完全鉆前對井壁穩(wěn)定性的探尋。

2.頁巖氣藏地層的水化機理是了解研究井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)，一定要高度重視，主要涉及頁巖成分和微結(jié)構(gòu)等。

結(jié)論：

要實現(xiàn)頁巖氣藏地層鉆井過程中井壁穩(wěn)定，必須一致井壁表面水化。基于熱力學(xué)的第二定律，可以通過利用降低頁巖表面自由能的方式去抑制頁巖井壁表面水化，建立利用多碳醇吸附的作用，以此改變井壁的濕潤度，有效降低頁巖井壁表面自由能，抑制頁巖井壁表面水化產(chǎn)生的膨脹和分散。

參考文獻

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（遼河油田鉆采工藝研究院 遼寧 盤錦 124010）