鉆井液活度對川滇頁巖氣地層水化膨脹與分散的影響

劉敬平，孫金聲

（1中國石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206）

鉆井液活度對川滇頁巖氣地層水化膨脹與分散的影響

劉敬平1，孫金聲2

（1中國石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206）

劉敬平等.鉆井液活度對川滇頁巖氣地層水化膨脹與分散的影響[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：31-35.

降低水基鉆井液活度是解決鉆井過程中泥頁巖井段井壁失穩的重要技術手段，川滇地區頁巖氣地層泥質含量高、水敏性強，層理與微裂縫發育，井壁易失穩。以氯化鈣等無機鹽、甲酸鉀等有機鹽及丙三醇等有機化合物作為活度調節劑，通過線性膨脹實驗、熱滾回收實驗研究了鉆井液活度對宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組等頁巖水化膨脹與分散的影響。結果發現，鉆井液活度對頁巖水化膨脹和水化分散影響小，泥頁巖滲透水化不是上述地區頁巖地層井壁失穩的主要原因。解決其井壁失穩問題，應從表面水化、毛管壓力及微裂縫等其他機理入手。

頁巖氣井；水的活度；鉆井液；水化膨脹；水化分散

國內外通常采用降低鉆井液活度防止水敏性泥頁巖滲透水化[1-2]，在鉆井液配制過程中加入氯化鈣等無機鹽、甲酸鉀等有機鹽、丙三醇等有機化合物，以降低濾液與頁巖內部液體之間的活度差，產生滲透壓差，阻止或減緩水向頁巖晶層間擴散、鉆井液向頁巖地層擴散，防止井壁水化膨脹與分散，穩定井壁[3]。如哈里伯頓[4]針對Arkansas地區高含蒙脫石/綠泥石混層的Fayetteville、Morrow頁巖地層，開發了一種以乙二醇為活度調節劑、硅酸鹽為抑制劑、以磺化瀝青為封堵劑的水基鉆井液體-系；針對Texas地區高含伊/蒙混層的Barnett頁巖地層，開發了一種以乙二醇為活度調節劑、硅酸鹽為抑制劑、以磺化瀝青為封堵劑，加有潤滑劑的水基鉆井液體系；針對Louisiana地區不含蒙脫石和蒙脫石/伊利石混層的Haynesville頁巖地層，開發了一種以表面活性劑為核心處理劑的水基鉆井液體系。西弗吉尼亞大學[5]針對West Virginia高含蒙脫石的Marcellus頁巖，開發了一種以無機鹽為活度調節劑、己二胺為抑制劑水基鉆井液體系。斯倫貝謝M-I公司[6]針對對Hayane Block地區高含伊利石和硬石膏的Kurachine Anhydrite頁巖地層，開發了一種以碳酸鉀、氯化鈉為活度調節劑的水基鉆井液體系。目前中國頁巖氣開發主要在川滇地區，地層泥質含量高、水敏性強，層理與微裂縫發育，井壁易失穩，但川滇頁巖氣地層比國外深，礦物組構特征與國外不同，不能照搬國外水基鉆井液技術，必須研究其井壁失穩機理。研究了鉆井液活度對其井壁頁巖水化膨脹與分散影響，為水基鉆井液研制提供了理論依據。

1　實驗部分

1.1全巖分析和黏土礦物分析

選取宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組、昭通龍馬溪組露頭頁巖巖樣，按沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X衍射分析方法（SY/T 5163—2010），用INCA-X射線能譜儀進行巖樣全巖分析和黏土礦物分析。結果分別見表1和表2。

由表1、表2可知，宜賓龍馬溪組露頭頁巖礦物成分主要為方解石，其次為石英，黏土礦物中不含蒙脫石和伊/蒙混層，主要為伊利石（含量為96%），非黏土礦物中還含有少量的鉀長石、黃鐵礦、白云石和斜長石。宜賓五峰組露頭頁巖礦物成分主要為石英，其次為黏土礦物，黏土礦物中不含蒙脫石和伊/蒙混層，主要為伊利石（含量為94%），非黏土礦物中還含有少量的鉀長石、黃鐵礦、白云石和斜長石。昭通龍馬溪組露頭頁巖礦物成分主要為石英（含量41.5%），黏土礦物主要為伊利石（含量88%），不含蒙脫石和伊/蒙混層。宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖都不含蒙脫石和伊/蒙混層，以伊利石為主要黏土礦物。

表1　不同頁巖巖樣的全巖分析

表2　不同頁巖巖樣的黏土礦物分析

1.2鉆井液活度與調節劑濃度關系

用去離子水配制不同濃度的氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉、氯化鉀、甲酸鉀、乙二醇、丙三醇、乙醇溶液，靜置24 h后，室溫下用HD-3A型智能水分活度測量儀分別測量各種溶液的活度，以飽和NaCl溶液對儀器進行校準，測量范圍為0～0.999，測試溫度為30 ℃，實驗結果見圖1和圖2。

由圖1可知，隨著無機鹽濃度增加，無機鹽水溶液活度降低，無機鹽降低活度能力強到弱順序為：氯化鈣＞氯化鎂＞氯化鈉＞氯化鉀。其中濃度為50%時，氯化鈣水溶液活度為0.276，活度最低。氯化鈉和氯化鉀由于溶解度低，降低活度的能力有限。由圖2可知，隨著有機鹽或有機化合物濃度增加，有機體系活度降低，降低活度能力強弱順序為：甲酸鉀＞乙二醇＞丙三醇＞乙醇。其中濃度為70%時，甲酸鉀水溶液活度為0.414，活度最低。

圖2　有機體系的活度與濃度關系曲線

1.3活度對頁巖膨脹率的影響

用膨脹率實驗評價了不同活度體系對宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組、昭通龍馬溪組露頭頁巖水化膨脹性能的影響[7-10]。將頁巖粉碎，過孔徑為0.154 mm的篩，在202-OA型電熱恒溫干燥箱中80 ℃下干燥6 h，干燥器中冷卻2 h后，稱取冷卻的10 g頁巖粉末，在41.38 MPa壓力下壓5 min成餅，測試其在去離子水和不同活度體系中膨脹率，測試時間為24 h，實驗結果見圖3～圖5。

圖3　無機鹽體系活度與宜賓龍馬溪組頁巖膨脹率關系

圖4　無機鹽體系活度與宜賓五峰組頁巖膨脹率關系

圖5　無機鹽體系活度與昭通龍馬溪組頁巖膨脹率關系

宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖在去離子水中的膨脹率分別為15.56%、16.34%和24.59%。宜賓龍馬溪組和宜賓五峰組黏土礦物組成基本相同，頁巖膨脹率相近。昭通龍馬溪組露頭頁巖膨脹率較大，原因是它的黏土礦物含量高，伊利石、高嶺石和綠泥石含量高，水化膨脹性強。

由圖3～圖5可知，在同一種無機鹽水溶液中，活度越低，頁巖膨脹率下降；不同無機鹽水溶液中，氯化鉀抑制頁巖水化膨脹效果最強，在活度為0.869的氯化鉀水溶液中，宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖膨脹率分別為13.79%、14.35%和21.35%。4種無機鹽都有抑制頁巖水化膨脹效果，但抑制效果不明顯。所以，通過無機鹽體系調節鉆井液活度對以伊利石為主要黏土礦物，不含蒙脫石和伊/蒙混層的頁巖膨脹率影響小。

1.4活度對頁巖回收率的影響

用回收率實驗評價了不同活度體系對宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖水化分散性能的影響[7-10]，結果見圖6～圖8。將頁巖粉碎，篩選粒徑為1.70～3.35 mm的頁巖顆粒，在202-OA型電熱恒溫干燥箱中80 ℃下干燥6 h，干燥器中冷卻2 h后，分別測量頁巖在去離子水和不同活度體系中的滾動回收率（XGRL-4A型高溫滾子加熱爐中100 ℃下熱滾16 h）。

圖6　有機體系活度與宜賓龍馬溪組頁巖膨脹率關系

圖7　有機體系活度與宜賓五峰組頁巖膨脹率關系

由圖6～圖8可知，在同一種有機鹽或有機化合物水溶液中，隨活度降低，宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖膨脹率下降；不同有機鹽或有機化合物水溶液中，丙三醇抑制頁巖水化膨脹效果最強，在活度為0.612的丙三醇水溶液中，宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖膨脹率分別為12.34%、12.89%和19.41%，與頁巖在清水中膨脹率相比略微下降；在活度為0.414的甲酸鉀水溶液中，宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖膨脹率分別為14.97%、15.38%和21.98%，與在活度為0.612的丙三醇水溶液中相比略微升高。所以，以甲酸鉀等有機鹽或丙三醇等有機化合物調節鉆井液活度，對抑制以伊利石為主要黏土礦物，不含蒙脫石和伊/蒙混層的頁巖水化膨脹影響小。

圖8　有機體系活度與昭通龍馬溪組露頭頁巖膨脹率關系

綜上，以氯化鈣等無機鹽、甲酸鉀等有機鹽或丙三醇等有機化合物調節鉆井液活度，對以伊利石為主要黏土礦物，不含蒙脫石和伊/蒙混層的頁巖水化膨脹影響小。

宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖在去離子水中的回收率分別為95.23%、94.62%和82.87%。由圖9～圖11可知，在同一種無機鹽水溶液中，隨活度降低，頁巖回收率略微升高；不同無機鹽水溶液中，氯化鉀抑制頁巖水化分散效果最強。

圖9　無機鹽體系活度與宜賓龍馬溪組頁巖回收率關系

圖10　無機鹽體系活度與宜賓五峰組頁巖回收率關系

圖11　無機鹽體系活度與昭通龍馬溪組頁巖回收率關系

在活度為0.869的氯化鉀水溶液中，宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖回收率分別為96.72%、96.34%和88.42%。4種無機鹽都有抑制頁巖水化分散效果，但抑制效果不明顯。所以，以無機鹽調節鉆井液活度對以伊利石為主要黏土礦物，不含蒙脫石和伊/蒙混層的頁巖水化分散影響小。由圖12～圖14可得，在同一種有機鹽或有機化合物水溶液中，隨活度降低，頁巖回收率升高。不同有機鹽或有機化合物水溶液中，丙三醇抑制頁巖水化分散效果最強。

圖12　有機體系活度與宜賓龍馬溪組頁巖回收率關系

在活度為0.612的丙三醇水溶液中，宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖回收率分別為97.37%、97.24%和90.53%，比頁巖在清水中的回收率略高；在活度為0.414的甲酸鉀水溶液中，宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖回收率分別為95.60%、95.15%和85.23%，與在活度為0.612的丙三醇水溶液中相比略微降低。所以，以甲酸鉀等有機鹽或丙三醇等有機化合物調節鉆井液活度，對抑制以伊利石為主要黏土礦物，不含蒙脫石和伊/蒙混層的頁巖水化分散影響小。

圖13　有機體系活度與宜賓五峰頁巖回收率關系

圖14　有機體系活度與昭通龍馬溪組露頭頁巖回收率關系

綜上，以氯化鈣等無機鹽、甲酸鉀等有機鹽或丙三醇等有機化合物調節鉆井液活度，對以伊利石為主要黏土礦物，不含蒙脫石和伊/蒙混層的頁巖水化分散影響小。因此，川滇頁巖氣井壁水化坍塌應該從表面水化、毛管壓力及微裂縫等其他機理入手，研究有效穩定頁巖氣井壁的途徑。

2　結論

1.宜賓龍馬溪組、宜賓五峰組和昭通龍馬溪組露頭頁巖以伊利石為主要黏土礦物、且不含蒙脫石和伊/蒙混層。

2.對以伊利石為主要黏土礦物、且不含蒙脫石和伊/蒙混層的頁巖，以氯化鈣等無機鹽、甲酸鉀等有機鹽或丙三醇等有機化合物調節鉆井液活度，對其水化膨脹和水化分散影響小。

3.針對川滇頁巖氣井壁水化坍塌應該從表面水化、毛管壓力及微裂縫等其他機理入手，研究有效穩定頁巖氣井壁的途徑。

[1]溫航，陳勉，金衍，等.鉆井液活度對硬脆性頁巖破壞機理的實驗研究[J].石油鉆采工藝，2014，36（1）：57-59. WEN Hang， CHEN Mian， JIN Yan， et al. Experimental research on brittle shale failure caused by drilling fluid activity[J].Oil Drilling & Production Technology， 2014，36（1）：57-59.

[2]CHENEVERT M E.Shale control with balanced-activiry oil-continuous muds[C].SPE 2559，1970.

[3]李方，蒲小林，羅興樹，等.幾種有機鹽溶液活度及抑制性實驗研究[J].西南石油學院學報，2009，31（3）：134-138. LI Fang， PU Xiaolin， LUO Xingshu， et al. Experimental research on the activity and inhibition of several typs of organic salt solution[J]. Journal of Southwest Petroleum University. 2009，31（3）：134-138.

[4]JAY P DEVILLE，BRADY FRITZ，MICHAEL JARRETT. Development of water- based drilling fluids customized for shale reservoirs[C]. SPE 140868-PA，2011.

[5]IKE ELEANYA O，H LLKIN BILGESU，SAM AMERI. Study of drilling fluid additives and their impact on smectite inhibition， marcellus shale inhibition， and filtration and rheological properties of bentonite based drilling fluids[C]. SPE 149271-MS， 2011.

[6]TOMISLAVSORIC，PAVELMARINESCU，ROBERTHUELKE. Silicate-based drilling fluids deliver optimum shale inhibition and wellbore stability[C]. SPE/ IADC 87133-MS， 2004.

[7]EDWIN A R， HACKETT J L. A laboratory technique for screening shale swelling inhibitors[C]. SPE 11117-MS，1982.

[8]ZHANG J G， CHENEVERT M E.， BAZALI T A， et al. A new gravimetric-swelling test for evaluating water and ion uptake in shales[C]. SPE 89831-MS， 2004.

[9]AHMED SAMIR，OSAMA AHMED EL BAKLY. Custom designed water-based mud systems help minimize hole washouts in high temperature wells- case history from western desert， Egypt[C]. SPE 108292-MS， 2007.

[10]RUSSELL T E， MORTON E K. Shale swelling tests using optimized water content and compaction load[C]. SPE 121334-MS， 2009.（收稿日期2016-1-25；HGF=1602F3；編輯付玥穎）

Effects of Drilling Fluid Activity on Hydration and Dispersion of Formation Rocks in Shale Gas Drilling in Chuan-Dian Area

LIU Jingping1, SUN Jinsheng2
(1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China; 2. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206, China)

Reducing the activity ofthe filtrate of drilling fluid is an important technology in mitigating shale problems during drilling. In shale gas drilling in the Chuan-Dian area， highly water sensitive clayey formations with fractures highly developed have been frequently encountered， necessitating the means of borehole wall stabilization. Linear swelling and hot rolling tests using a drilling fluid formulated with CaCl2， potassium formate and glyceryl alcohol as the activity agents， and shale samples from Longmaxi formation (Yibin， Sichuan) and Wufeng formation （Yibin， Sichuan） show that the activity of the drilling fluid has played a slight role in the hydration and dispersion of the shales， indicating that osmotic hydration of the shales is not the main cause for the shale formations to collapse. Surface hydration， capillary pressure as well as the micro fractures developed in the shale formations may have been causing the shale formation to collapse.

Shale gas well； Activity of water； Drilling fluid； Hydrational swelling； Hydrational dispersion

TE254.3

A

1001-5620（2016）02-0031-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.007

中國石油集團重大專項“浙江油田昭通示范區頁巖氣鉆采工程技術現場試驗”（2014F470205）資助。

劉敬平，博士，1985年生，現為中國石油勘探開發研究院在讀博士研究生，現在從事鉆井液技術研究工作。電話15600563498；E-mail：liujingping20@126.com。通訊作者：E-mail：sunjinsheng@petrochina.com.cn。