川西低滲氣藏井壁修補強化鉆井液技術

吳雄軍 ，林永學 ，金軍斌 ，李大奇 ，劉珂

（1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101）

0 引言

近年來，國內外在低滲氣藏高效鉆井液技術方面取得了顯著進展［1-3］，在一定程度上解決了低滲氣藏鉆探過程中出現的井壁失穩、水平段延伸能力不足等問題，保障了低滲油氣資源的勘探開發。但是，隨著我國油氣資源戰略的推進實施，勘探開發不斷深入，低滲氣藏高效鉆井液技術面臨復雜地質環境下的諸多挑戰［4］。以川西低滲氣藏為例，受構造運動強烈擠壓，沉積物嚴重致密化，地下斷裂發育且發育程度不均衡，屬于典型的致密砂巖裂縫性氣藏。該類氣藏上三疊統和侏羅系陸相碎屑巖地層，如沙溪廟組、千佛崖組、須家河組等，鉆進過程中經常發生掉塊型井壁失穩，不僅會顯著增加鉆井綜合成本，而且還會延誤低滲油氣資源的勘探開發進程［5-6］。筆者以川西低滲氣藏主力開發氣藏沙溪廟組地層為主要研究對象，開展了川西低滲氣藏井壁失穩原因分析，研制了井壁修補強化鉆井液處理劑，開發了川西低滲氣藏井壁修補強化鉆井液技術，為川西低滲氣藏的“提速、提產、提質、提效”開發提供了有力的技術支撐。

1 川西低滲氣藏井壁失穩原因分析

1.1 地層特性

川西陸相低滲儲層沙溪廟組分為2段。其中：沙溪廟組上段以紫紅色含鈣質泥巖為主，夾厚層長石石英砂巖；沙溪廟組下段以厚層巖屑長石砂巖、巖屑石英砂巖為主，偶夾紫紅色泥巖。物性分析結果表明，儲層平均孔隙度為8.66%，平均滲透率為0.021×10-3μm2，屬低滲中低孔儲層。

從沙溪廟組地層巖樣的顯微鏡照片（見圖1）中可以看出，地層巖性以細—中粒巖屑長石砂巖為主，粒間微孔隙及粒內微裂縫發育，且微裂隙尺寸分布范圍廣，表現出明顯的非均質性。

圖1 沙溪廟組地層巖樣顯微鏡照片

1.2 黏土礦物分析

采用X射線衍射儀分析了川西低滲氣藏侏羅系蓬萊鎮組和沙溪廟組2個主力產層的巖樣黏土礦物組成，結果見表1。

表1 蓬萊鎮組和沙溪廟組巖樣黏土礦物組成

從分析結果可以看出，蓬萊鎮組和沙溪廟組黏土礦物中伊利石質量分數高達30%以上，蒙皂石質量分數為0，伊/蒙混層質量分數在2.92%～10.88%，且間層比較低，屬于典型的硬脆性泥頁巖。

1.3 井壁失穩原因

綜合地層特性分析結果和黏土礦物分析結果可以看出，川西低滲氣藏沙溪廟組地層微裂隙發育，采用水基鉆井液鉆進時，若體系中缺少與地層微裂隙相匹配的微納米封堵材料，將難以對微納米級的地層裂隙進行有效封堵［7］。鉆井液濾液沿裂縫侵入后，一方面會使得微裂隙內孔隙壓力增加，弱面摩擦力降低，地層坍塌壓力上升；另一方面還會使得微裂縫中的片狀黏土礦物發生水化膨脹，產生膨脹壓力。在兩方面因素的共同作用下，裂隙周圍的原有應力平衡狀態將不可避免地被打破，引起硬脆性泥頁巖快速分散、剝落，并誘導產生更多新的裂縫或微孔，加速鉆井液濾液的進一步侵入，從而導致井周應力的整體改變，引發嚴重的剝落掉塊與井壁坍塌［8-9］。因此，川西低滲氣藏鉆井液體系選擇時應當首先考慮其與地層裂隙相匹配的封堵防塌性能。

2 井壁修補強化鉆井液技術

2.1 井壁修補強化劑研制

2.1.1 井壁修補強化劑合成與表征

針對川西低滲氣藏地層裂隙發育、非均質性明顯、鉆井液體系選擇時難以與不同尺寸微裂隙準確匹配的問題，采用水分散聚合方法設計合成了一種含有溫度響應結構和分子鏈膨脹控制結構的親水性交聯聚合物——井壁修補強化劑（SM-SCH）。

合成反應步驟：配制25%（質量分數，下同）的硫酸銨溶液，加入1.50%～3.00%的丙烯酰胺（AM）和3.00%～5.00%的丙烯酸（AA）；然后，加入3.45%～5.75%的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化胺（DMC）；攪拌均勻后，再加入1.20%～2.75%的交聯劑N-N/-亞甲基雙丙烯酰胺復配物和0.04%～0.10%的引發劑2，2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二鹽酸鹽；在保持充分攪拌的條件下，通入氮氣30～45 min，在 65 ℃下反應 4～6 h 即可得到 SM-SCH［10］。

對合成產物SM-SCH進行紅外光譜分析（見圖2）。

圖2 SM-SCH紅外光譜

從圖2可以看出，3 426.8 cm-1處見酰胺羰基振動峰，1 635.6 cm-1處見羧酸羰基振動峰，963.8 cm-1處見羥基振動峰，1 491.5 cm-1處見與N相連的—CH2振動峰。——說明合成產物SM-SCH分子結構中含有3種聚合單體的結構單元，達到了預期的設計目的。

2.1.2 井壁修補強化劑性能評價

采用掃描電子顯微鏡對合成產物SM-SCH的形貌進行觀察，結果見圖3。可以看出，SM-SCH為粒徑分布在0.5～7.0 μm的球形顆粒，粒徑主要集中在2.5 μm左右。——說明SM-SCH用作鉆井液處理劑時，可進入微納米尺度的地層微裂隙中實施封堵。

圖3 SM-SCH掃描電鏡照片

采用激光粒度分析儀測試了SM-SCH在4%膨潤土漿中的原始尺寸和在不同溫度下老化2 h后的平均粒徑，考察了SM-SCH的溫度響應性能和膨脹性能。實驗結果見表2。

表2 不同溫度下SM-SCH在膨潤土漿中的平均粒徑

從表2可以看出，SM-SCH分散在 22°C，4%膨潤土漿中2 h后，平均粒徑為2.71 μm，較合成產物原始粒徑略有上升。在70℃以下的溫度條件下熱滾老化2 h后，SM-SCH的平均粒徑增大并不明顯，吸水膨脹倍率均在2.5以內。當熱滾老化溫度達到75℃后，在溫度的激發作用下，SM-SCH平均粒徑增大至42.95 μm，表現出良好的溫度激發吸水膨脹特性，膨脹倍率超過15.0。值得注意的是，當熱滾老化溫度繼續升高時，SMSCH的平均粒徑基本保持不變。由此說明，SM-SCH可在75℃時被激發，產生明顯的吸水膨脹。當然，SMSCH的激發溫度和吸水膨脹倍率還可以根據地層需要，通過對聚合單體加量的改變進行調整。考慮到SMSCH合成產物的平均粒徑分布，當它被用作鉆井液處理劑時，在地層溫度下被激發，可以有效提高鉆井液體系的封堵范圍，實現對不同尺寸微裂隙的準確匹配與有效封堵。

2.2 鉆井液封堵劑優選

川西低滲氣藏主力產層蓬萊鎮組和沙溪廟組地層中微裂隙發育。對中江-高廟區塊地層的微觀測試數據表明，地層中存在大量尺寸在1 μm以下的微裂隙。以江沙某井為例，1 μm以下的微裂隙占比約為40%，1 μm以上的裂隙主要集中在1～10 μm，占比約為45%，最大裂隙約為34.5 μm。對比發現，SM-SCH能夠在地層溫度激發下吸水膨脹，實現對上述尺寸微裂隙的匹配封堵，但吸水膨脹后SM-SCH的強度不可避免會有所降低。為進一步提高對微裂隙的封堵強度，有必要向封堵材料中補充一定量的剛性顆粒類封堵材料［11］。利用D90理想充填模型，對不同粒徑的超細碳酸鈣和改性石蠟的配比進行了優化計算，得到最佳（質量）配比——3 000目超細碳酸鈣∶2 500目超細碳酸鈣∶1 500目超細碳酸鈣∶改性石蠟=2∶4∶3∶1（記作 SM-P1）。

采用FDS動態濾失及地層傷害評價系統，利用取自江沙區塊沙溪廟組的地層巖心進行封堵性優化評價實驗（溫度設定在75℃），以測試4%膨潤土漿中加入不同質量分數的SM-SCH和SM-P1后對地層巖心的封堵效果。具體實驗步驟為：1）采用模擬地層水，以0.025 mL/min的恒定流量，測試通過巖心時的穩定壓力p1；2）用添加不同封堵材料的膨潤土漿在4.2 MPa的壓力下對巖心動態污染30 min；3）采用模擬地層水以與之前相同的恒定流量，測試通過污染后的巖心時的穩定壓力p2。則封堵率η的計算公式為

實驗結果見表3。

表3 不同配比的封堵劑對巖心的封堵效果

從表3可以看出：單獨加入3%的SM-SCH或SMP1時，對巖心的封堵率低于85%；當兩者復配使用時，對巖心的封堵率得到明顯提高，封堵率超過90%，且隨著兩者質量分數的增加，封堵效果更好。結合經濟性考慮，將2%SM-SCH+2%SM-P1作為鉆井液封堵材料推薦配方。

2.3 鉆井液抑制劑優選

利用川西低滲氣藏中江區塊X井沙溪廟組巖心和巖屑，通過線性膨脹率實驗和巖屑回收率實驗，進行鉆井液抑制劑優選［12］。實驗結果見表4。

表4 巖心和巖屑在不同抑制劑中的線性膨脹率和回收率

由表4可以看出，沙溪廟組巖心在3.0%鋁基聚合物防塌劑和3.0%聚胺抑制劑溶液中的線性膨脹率最低，明顯低于在其他幾種抑制劑溶液中的測試結果。綜合考慮巖屑滾動回收率實驗結果，選擇3.0%聚胺抑制劑為鉆井液體系推薦抑制劑。

2.4 鉆井液潤滑劑優選

川西低滲氣藏孔隙度小、滲透率低、非均質性強、自然產能低，為提高單井產量和采收率，大多采用水平井鉆井技術。由于水平井造斜率高、造斜段泥巖段長和鉆井液密度高等不利因素，造成定向段托壓嚴重、機械鉆速低、鉆井作業風險大［13］。此外，由于川西地區水系發達，生態環境脆弱，對鉆井液潤滑劑的環境可接受性也提出了較高的要求。在室內合成環保高性能潤滑劑SMLUB-E的基礎上［14］，采用極壓潤滑系數和泥餅黏附系數測定實驗，對比評價4%膨潤土漿中加入不同質量分數的SMLUB-E與常用潤滑劑時的潤滑性能［15］。實驗結果見表5（熱滾老化條件均為120°C，16 h）。

表5 不同潤滑劑潤滑性對比評價實驗

由表5可以看出，SMLUB-E在較低的質量分數條件下即可獲得明顯優于常用極壓潤滑劑和抗溫抗飽和鹽潤滑劑的潤滑性能，2% SMLUB-E下的極壓潤滑系數和泥餅黏附系數與6%原油相當。因此，選擇2% SMLUB-E作為鉆井液潤滑劑推薦配方。

2.5 鉆井液性能評價

根據處理劑的優選結果，研究形成了適用于川西低滲氣藏的井壁修補強化鉆井液體系推薦配方。即：4%膨潤土漿+2% SM-SCH+2% SM-P1+2% SMLUB-E+（0.5%～1.0%）水解聚丙烯腈鉀鹽+0.2%氫氧化鉀+（0.3%～0.5%）LV-PAC+（3%～5%） 氯化鉀+（0.4%～0.6%）生石灰+（0.1%～0.2%）黃原膠+重晶石。

2.5.1 常規性能評價

對鉆井液體系推薦配方在120℃熱滾老化16 h前后的常規性能進行評價［16］，結果見表6。

表6 鉆井液體系推薦配方常規性能評價

從實驗結果看，按推薦配方配制的井壁修補強化鉆井液體系在120℃老化16 h后，體系黏度和切力雖略有上升，但變化幅度均較小，鉆井液流變性能保持良好。值得注意的是，鉆井液高溫老化后，高溫高壓濾失量明顯降低。——說明SM-SCH與其他鉆井液處理劑具有良好的配伍性能，在溫度激發下產生的吸水膨脹作用，進一步增強了鉆井液體系的封堵性能。

2.5.2 綜合性能評價

評價了鉆井液體系推薦配方在120℃下熱滾老化16h前后的綜合性能。實驗結果見表7。

從表7可以看出，井壁修補強化鉆井液體系推薦配方在120℃老化前后，鉆井液性能整體保持穩定。得益于SM-SCH的溫度激發后吸水膨脹特性，鉆井液體系巖心封堵率進一步提高，表現出良好的封堵防塌性能和潤滑減阻性能。

表7 鉆井液體系推薦配方綜合性能評價

3 現場應用

井壁修補強化鉆井液在川西低滲氣藏GS311HF，JS211-2HF井進行了現場應用，有效解決了沙溪廟組井壁失穩和定向段托壓問題，取得了良好的應用效果。

GS311HF井位于川西坳陷新場構造帶高廟子構造，該井的目標層位為沙溪廟組下段JS33-1層，上部主要鉆遇劍門關組、蓬萊鎮組、遂寧組地層。已完鉆井的井史資料顯示，川西地區蓬萊鎮組、遂寧組、沙溪廟組等地層在鉆開后均不同程度出現井壁掉塊失穩現象，其中以沙溪廟組尤為嚴重。GS311HF井同區塊鄰井在2 385～3 100 m井段均發生明顯的井壁失穩現象。

GS311HF實鉆過程中見明顯掉塊（見圖4a），起下鉆摩阻在78.4～117.6 kN；自2 329 m轉換井壁修補強化鉆井液后，掉塊明顯減少。通過適時補充SMSCH和SM-P1等封堵材料和SMLUB-E潤滑劑，有效提高了鉆井液體系的封堵防塌性能和潤滑減阻性能，在易于發生井壁失穩的2 385～3 100 m井段未見明顯掉塊，返出的鉆屑規則、完整（見圖4b），水平段起下鉆摩阻降為39.2～58.8 kN。測井曲線表明，該井沙溪廟組轉換鉆井液體系前施工井段平均井徑擴大率為13.52%，轉換后施工井段平均井徑擴大率降為5.36%，取得了良好的井壁穩定和潤滑減阻效果。

圖4 轉換井壁修補強化鉆井液前后返出巖樣照片

4 結論

1）采用水分散聚合方法設計合成了一種能夠在溫度激發下吸水膨脹的井壁修補強化劑，研制了可對不同尺寸微裂隙實施準確匹配與有效封堵的封堵材料配方。在此基礎上，優選了聚胺抑制劑、環保高性能潤滑劑等核心處理劑，形成了適用于川西低滲氣藏的井壁修補強化鉆井液。

2）室內評價表明，井壁修補強化鉆井液具有良好的封堵防塌和潤滑減阻性能，能滿足川西低滲氣藏水平井鉆井過程中的井壁穩定和潤滑減阻需求；現場試驗表明，該體系能有效解決川西低滲氣藏沙溪廟組水平井施工中存在的井壁失穩和定向段托壓難題。