泥頁巖地層油基鉆井液封堵防塌技術(shù)研究與應(yīng)用

馬少強(qiáng)

（中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

油氣勘探開發(fā)過程中，井壁穩(wěn)定是制約鉆井速度的主要難題，泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定問題更為突出，國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，90%以上的井塌發(fā)生在泥頁巖地層，其中硬脆性泥頁巖地層約占2/3。研究認(rèn)為，硬脆性泥頁巖中普遍發(fā)育的微裂縫是井壁失穩(wěn)的主要原因，改善濾餅質(zhì)量和提高鉆井液封堵性能是維持泥頁巖地層井壁穩(wěn)定的重要手段[1]。隨著近幾年泥頁巖類油氣田的大力勘探開發(fā)，超長的水平井段更是對泥頁巖井壁穩(wěn)定問題提出了新的考驗(yàn)。出于潤滑性、抑制性和封堵性等方面的考慮，目前用于頁巖儲層鉆井的仍然以油基鉆井液為主體。在北美頁巖類油氣田的開發(fā)過程中，有60%～70%的水平井段使用油基鉆井液，水基及其他類型鉆井液體系只占到了30%～40%，我國目前的泥頁巖性油層勘探開發(fā)也多采用油基鉆井液體系[2]。

1 古龍區(qū)塊泥頁巖儲層分析

掃描電子顯微鏡是常用的巖石微觀形態(tài)分析方法，能夠觀察分析巖石自生礦物的微觀形貌、自然的形態(tài)特征、孔隙內(nèi)充填物的礦物類型、產(chǎn)狀、含量和孔隙結(jié)構(gòu)等資料。

從圖1 觀察結(jié)果看，該區(qū)塊巖樣的裂縫、層理較為發(fā)育，其裂縫尺度基本為微米級和納米級，500nm以內(nèi)的微孔縫約占總孔縫的40%，0.5～10μm 孔縫約占50%，觀測到的最小孔隙不足2nm，最小裂縫約為7nm，這為鉆井液侵入提供了通道；巖樣表面可明顯看到書頁狀的蒙脫石及蜂窩狀的伊蒙混層，有立方體狀伊利石貼附于顆粒表面或填充與粒間孔隙中，表明粘土礦物含量高，以伊蒙混層、高嶺石為主。從照片中還可以發(fā)現(xiàn)，巖樣內(nèi)部經(jīng)常可見立方體小顆粒，表明該地層含有方解石、白云石。由于方解石和白云石質(zhì)脆，因此大量發(fā)育該類礦物的巖樣承壓能力通常不高，因此降低鉆井液失水和有效的封堵對該區(qū)塊的鉆探開發(fā)顯得尤為的重要。

2 油基鉆井液體系封堵劑篩選

經(jīng)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，確定最終油基鉆井液的基礎(chǔ)配方為：柴油+2%～4%主乳化劑+1%～2%輔乳化劑+0.2%～0.4%潤濕劑+3%油基增粘劑+3%油基降濾失劑+2%氧化鈣+20%氯化鈣水溶液。

說明：配方中油水比為（80～85）∶（20～15）；氯化鈣水溶液為20%～40%，根據(jù)儲層礦化度決定；柴油的標(biāo)號根據(jù)施工現(xiàn)場的溫度決定，大慶區(qū)塊秋冬一般使用-35#柴油，春夏使用0#柴油。

根據(jù)掃描電子顯微鏡照片中泥頁巖孔縫的大小，在油基鉆井液基礎(chǔ)配方基礎(chǔ)上加入剛性、柔性、納微米級和成膜類的封堵材料，提高鉆井液中固相顆粒的合理級配，進(jìn)一步增加體系的封堵能力，經(jīng)過對封堵劑種類、粒徑大小及加量比例反復(fù)試驗(yàn)，最終確定鉆井液全配方為：柴油+2%～4%主乳化劑+1%～2%輔乳化劑+0.2%～0.4%潤濕劑+3%油基增粘劑+3%油基降濾失劑+2%氧化鈣+20%氯化鈣水溶液+2%（2000 目）碳酸鈣+1%成膜封堵劑+0.7%的納米封堵劑。

從表1中可以看出，在加入剛性、柔性、納微米級和成膜的油基封堵材料后，油基鉆井液的流變性變化不大，動塑比有增加趨勢，高溫高壓失水和砂床侵入厚度降低明顯，破乳電壓也有升高趨勢，在不影響油基鉆井液流變性的前提下，以多種方式方法封堵頁巖微細(xì)、微納米孔縫，從而提高泥頁巖井筒穩(wěn)定性。

表1 油基鉆井液性能對照表

3 高封堵油基鉆井液在古龍區(qū)塊A井的現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)古龍區(qū)塊已鉆井靜態(tài)資料分析和實(shí)測地層孔隙壓力成果，預(yù)測該井青一段地層壓力系數(shù)1.50左右，青一段組破裂壓力梯度在1.63～2.55MPa/100m，經(jīng)在鉆進(jìn)過程中不斷的試探和摸索，最終確定該井的鉆井液密度窗口為1.55～1.72g/cm3，但在實(shí)際的鉆井過程中，在加入各種類型及多種級配的封堵材料后，以接近窗口上限的密度鉆進(jìn)，如表2所示，不僅最大限度地平衡地層壓力，而且鉆井液封堵能力也得到顯著提高。該井使用高封堵油基鉆井液的井段為：2261～4810m，水平段長2050m，鉆井周期18.16d，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)情況，為古龍區(qū)塊泥頁巖儲層的鉆探開發(fā)提供了保障。

表2 A井鉆井液性能表

4 結(jié)論

（1）針對泥頁巖儲層特性及鉆探開發(fā)過程中的要求，油基鉆井液性能穩(wěn)定，流變性好，封堵防塌能力強(qiáng)，濾失量低，同時(shí)潤滑性強(qiáng)，抑制頁巖水化膨脹，穩(wěn)定井壁性強(qiáng)，是目前泥頁巖地層鉆井較優(yōu)的選擇。

（2）在油基鉆井液中加入多種不同類別及合理級配的封堵材料，可有效封堵頁巖微細(xì)、微納米孔縫，防止鉆井液或?yàn)V液進(jìn)入地層,降低因水化或毛細(xì)管力對頁巖地層造成的影響,從根本上解決了頁巖鉆井中的井壁穩(wěn)定問題。

（3）在鉆進(jìn)工程中，根據(jù)勘探及鄰井資料，選擇合理的密度窗口，在不壓裂地層的前提下，盡可能地選擇密度上限，最大限度地平衡地層壓力，穩(wěn)定井壁。