延長區塊炭質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）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075）

延長地區頁巖氣井頁巖井段黏土礦物以伊利石為主，黏土質量分數高達40%以上，且目的層段常鉆遇有泥巖、灰黑色泥巖、炭質泥巖及煤巖等不同巖性，不同巖性間膠結作用差，井壁坍塌風險高[1-3]。對此，開展了高性能有土甲酸鹽水機鉆井液研究，有效解決了長炭質泥巖、煤巖井段井壁穩定性問題。陸相頁巖氣水平井YYP-10井的水平段為1 000 m，其中炭質泥巖、煤巖井段連續長達200 m，在陸相頁巖氣水平井YYP-10井中應用的改進型高性能水基鉆井液PYW-2，進一步優化了體系配方，保證了優異性能的同時，節約了成本。

1 延長頁巖氣井井壁不穩定機理分析

1.1 地質、力學因素

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

1.2 化學因素

延長區塊山西組泥頁巖、炭質泥巖微裂縫、微裂隙發育，毛細管效應突出；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結，在外力作用下，易碎裂垮塌[6]。

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

2 水基鉆井液PYW-1性能優化評價

2.1 抑制劑優化

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井的應用情況中發現，由于其抑制性過強影響膨潤土水化分散和造漿能力，導致初次配漿后黏度和切力過低，不利于攜巖和穩定井壁?，F在原配方的基礎上，將甲酸鉀的加量進行優化，另在體系中引入重晶石作為復配加重劑，實驗結果如表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的黏度，能夠有效地攜帶巖屑，防止泥頁巖、炭質泥巖井段水化膨脹。為進一步探究優化后高性能水基鉆井液PYW-2的抑制性和沉降穩定性，對其進行抑制性和沉降穩定性評價，結果如圖1和表2所示。

圖1 PYW-2沉降穩定性評價

表2 PYW-1和PYW-2抑制性評價

實驗結果表明，經優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96.2%；線性膨脹率僅高2.8%，達到了7.3%，說明高性能水基鉆井液PYW-2體系依然具有強抑制性，能夠有效抑制泥頁巖、炭質泥巖段水化膨脹，保證井下安全。

2.2 封堵劑優化

延長區塊泥頁巖、炭質泥巖這類地層富含微裂縫、細微裂縫，孔隙細小，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泥巖地層的不利影響，加上其本身所具有強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行有效封堵；但是其昂貴的成本、嚴重的污染限制了油基鉆井液的使用[9]。而針對延長地區地層所研制的陸相頁巖氣鉆井液PYW-1已經可以在延長區塊替代油基鉆井液，滿足現場的正常鉆井。但是，在面對復雜地層時，其封堵性能還稍有不足。因此，在改進型高性能水基鉆井液PYW-2中，需進一步優化封堵性，擬優選一種或幾種封堵劑與現體系中封堵劑RL-2進行復配，從而實現對納微米裂縫的多級填充，增強體系的封堵性。

經文獻調研和室內的初步優選后，擬采用封堵劑EP-2、JB53、MN-1中一種或幾種與RL-2進行復配，實驗結果如表3所示，其中各種類封堵劑均已采用最優加量。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 封堵劑復配后鉆井液性能參數及封堵效果

實驗結果表明，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，使孔隙大小進一步減小，最后由微納米級封堵材料MN-1封堵結束，有效實現對地層孔隙的微納米級封堵。

圖2 封堵劑復配后鉆井液封堵效果

3 高性能水基鉆井液PYW-2現場應用效果

經優化后的高性能水基鉆井液PYW-2在陸相頁巖氣水平井YYP-10井成功應用，YYP-10井水平段為1 000 m，鉆遇7套炭質泥巖、6套煤巖，復雜地層井段連續長達近200 m。表4為YYP-10井實鉆鉆井液性能，經現場應用證明，改進型高性能水基鉆井液PYW-2能夠有效穩定長炭質泥巖、煤巖等復雜地層井段，且具有攜砂能力強、潤滑性好、強封堵、強抑制和低成本等特性。

表4 YYP-10井實鉆鉆井液性能

4 結 論

延長地區頁巖氣井目的層段常鉆遇有多套炭質泥巖及煤巖等復雜地層，不同巖性間膠結作用差，井壁坍塌風險高。在高性能水基鉆井液PYW-1的基礎上，對其抑制性和封堵性進行優化，優化后的配方為：4%有機土+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。經性能優化后的高性能水基鉆井液PYW-2在YYP-10井應用證明新體系能夠有效穩定長炭質泥巖、煤巖等復雜地層井段，具有攜砂能力強、潤滑性好、強封堵、強抑制和低成本等優點。