頁巖氣調查井復雜地層有機硅聚合物鉆井液體系的研制與應用

張統得, 樊臘生, 劉偉, 蔣炳, 鄧偉, 陸俊澤

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所, 成都 611734; 2.中國地質調查局成都地質調查中心, 成都 610081)

隨著20世紀90年代美國頁巖氣革命的開始,逐漸使美國由天然氣進口國轉變為出口大國,并深刻影響了世界能源格局。而中國作為現今除了北美之外的最大頁巖氣生產國,近年來在頁巖氣勘探開發也取得了重大進展,尤其以四川盆地及周緣為重點,初步建成了涪陵和威遠兩大國家級頁巖氣示范區[1-4]。頁巖氣調查井是以建立重點調查區地層層序,查證主要目的層巖性組合特征,獲取烴源巖與儲層評價所需的樣品,以及標定地球物理解釋成果并獲取地球物理參數為目標而部署的鉆井,因此,該類型鉆井通常布置在新區新層系,可參考的鄰井資料缺乏,存在較大的不可預見性,同時地質條件復雜,鉆探過程中常遇各類復雜地層。所謂復雜地層,一般可分為鹽類地層,黏土、泥頁巖地層,松散破碎地層,裂隙地層,巖溶地層,高壓油、氣、水地層和高溫地層等,部分地層在鉆井中主要表現為井壁松散、破碎,部分表現為遇水后水化、水溶,還有部分表現為漏失、涌水或壓力溫度異常。如在川西南地區頁巖氣調查川沐地1井鉆探過程中多次發生井壁失穩、深厚石膏層造成鉆井液污染等復雜情況,嚴重影響井內安全與工程進度。

在復雜地層中鉆進,不僅對鉆探器具、工藝等提出更高要求,鉆井液性能也是不可忽視的重要因素。一般針對復雜地層鉆探中所使用的鉆井液體系主要包括聚合醇鉆井液體系、有機鹽鉆井液體系、甲基葡萄糖甙鉆井液體系、合成基鉆井液體系和硅酸鹽鉆井液體系[5]。如Statoil公司曾在北海及挪威區域的Statfijord氣田使用合成基鉆井液施工10口試驗鉆井,取得良好效果[6]。Baroid公司使用合成基在Ula油田進行成功應用,相比于傳統油基泥漿和水基泥漿,其效率得到有效提升[7]。李成等[8]針對甲酸鉀水基鉆井液體系難以保障復雜地層安全、加重成本高、加重困難等問題,通過優選乳化瀝青、單封和隨鉆封堵劑對鉆井液進行了優化,保障了延長油田YYP-9井三開陸相泥頁巖復雜地層安全鉆井。鄭洪濤[9]通過對比分析發現,低固相聚合醇鉆井液體系抑制性強,流變性能好,防塌能力強,能在礦區蝕變地層中完成取心鉆進,通過添加瀝青等封堵材料能夠提高孔壁的膠結能力。陳志陽等[10]使用KP共聚物鉆井液體系,通過鉀離子的鑲嵌作用,提高了孔壁的防塌能力,且流動性較好,該鉆井液體系在煤田地質中應用較多。可以看出,在鉆進復雜地層時鉆井液體系普遍需要加強封堵性能,防塌性能和抑制性能,良好的鉆井液體系可以有效支撐鉆進的順利進行,同時保證井身質量。

為此,現基于川西南地區頁巖氣調查井井壁穩定性分析,開展有機硅聚合物鉆井液體系研制與應用分析,以期為今后頁巖氣地質調查井復雜地層鉆探提供借鑒和指導。

1 井壁穩定性分析

通常來講,井壁失穩主要由兩方面原因造成,分別為力學因素和化學因素,若井壁所受應力大于井壁強度,則極易發生井壁失穩,由于應力重分布,井壁持續發生破壞,進一步導致應力集中加劇,其主要表現為地層破碎、易塌。而巖石中所含的黏土礦物與各種離子間的相互作用也是影響井壁穩定性的重要因素,不同的巖性地層所含礦物類型和含量不同,與水接觸后,導致地層中的黏土礦物水化膨脹,易導致井壁失穩,其主要表現為造漿嚴重,巖石膨脹[11-12]。通過對川西南地區頁巖氣調查川沐地2井的鉆遇地層分析,全井主要以裂隙發育的強水敏性泥巖為主,但同時又有硬脆性石英砂巖、軟弱煤層等地層,下部井段還有深厚石膏地層,對鉆井液的綜合防塌、抗污染等能力要求較高。

1.1 巖石礦物組分分析

采樣9組頁巖氣調查川沐地2井上部泥巖巖心,并采用X射線衍射方法進行全巖及黏土礦物分析,具體分析結果如表1所示。

表1 采樣泥巖礦物種類與含量Table 1 Types and contents of sampled mudstone minerals

從表1可以看出,9組巖樣中的石英和黏土礦物占比較高,最低占比81%,最高占比可達96%,其余巖礦物占比較低,而黏土礦物中伊利石、綠泥石和伊/蒙混層占比較高,其中伊利石占比最高,最高可占67%,表明所采樣泥巖屬于典型的硬脆性泥巖[13-15],在黏土礦物中雖然不含有蒙脫石,但其中的伊/蒙混層及高嶺石仍具有一定的膨脹性,容易引起水化膨脹,進而導致井壁失穩[16-17]。

1.2 巖石微觀結構分析

對采樣泥巖采用SU8010型高分辨場發射掃描電子顯微鏡觀察其微觀結構(scanning electronic microscope, SEM),結果如圖1所示,從圖中可以看出該泥巖層狀結構明顯,且沿著層理水平[圖1(a)]及垂直方向[圖1(b)]均裂隙發育,裂隙寬度以5 ～ 30 μm為主,普遍小于100 μm。因此,在鉆進碎巖過程中隨著應力釋放及鉆具擾動會導致微裂隙寬度進一步增大,為鉆井液的侵入提供通道,加劇了鉆井液與泥巖的水化反應程度,從而進一步降低了井眼穩定性[18-19]。

圖1 采樣泥巖掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscope of sampled mudstone

因此,從以上分析可以得出,該泥巖地層中黏土礦物含量較高,且微裂隙發育,在鉆進過程中極易發生井壁失穩。此外該井還發育有多層煤系地層,質地較脆,強度低,天然裂隙發育(圖2),鉆井液易在液柱壓力下沿著裂隙侵入地層,產生水力尖劈作用,進一步降低煤層強度而導致井壁失穩[20];而在深部石膏層鉆進中也易因石膏在鉆井液中溶解發生井壁失穩或者鉆井液污染等復雜情況[21]。

圖2 脆性煤層發育Fig.2 Development of brittle coal seam

2 鉆井液體系研制

根據地層穩定性分析,在鉆進過程中鉆井液體系既要有較好的抑制性能,同時還要滿足不同復雜地層條件下的護壁防塌及抗污染等要求,對鉆井液的綜合性能要求較高。為了降低鉆探成本,實現高效快速鉆進,基于“抑制水化-物化封固”的多元協同增效防塌理論,結合地層穩定性分析,對鉆井液的體系選擇與性能調控主要以強抑制、強封堵為主,尤其是對微米級裂縫的強化封堵,同時應具有良好的流變性能,因此在鉀銨基聚合物鉆井液體系的基礎上優選了有機硅聚合物鉆井液體系。

有機硅聚合物鉆井液體系它是以有機硅改性聚合物為強抑制劑,利用有機硅分子中的硅羥基與黏土顆粒表面硅羥基發生化學縮合反應,形成牢固的化學吸附,同時在黏土表面形成一層甲基朝外的吸附層,使黏土表面產生潤濕反轉,阻止和減緩黏土表面的水化作用,可有效防止泥巖的水化膨脹和坍塌,具有良好的抑制性及防塌能力[22-24];在封堵材料的選擇上主要根據室內SEM測試得出的地層微裂隙寬度為重要參考依據,優選多級配超細碳酸鈣及乳化石蠟為封堵劑,利用兩者的“剛、柔”特點,與黏土、有機硅改性聚合物等形成顆粒團簇一起被擠入地層微裂隙中形成封堵帶,達到理想的封堵效果;同時配合硅氟聚合物處理劑調節鉆井液流變性能,實現在深部復雜地層安全鉆進的需要。

2.1 試驗器材

2.1.1 試驗儀器

GW300-X型變頻高溫滾子加熱爐、NP-01型膨脹量測定儀、巖樣制備壓力機、LA-960V2型激光粒度分析儀、101型鼓風干燥箱、FA型無滲透濾失儀、ZNN-D6B型電動六速旋轉黏度計、電子分析天平等。

2.1.2 試驗材料

膨潤土,碳酸鈉(Na2CO3),氫氧化鉀(KOH),低黏度聚陰離子纖維素(low viscosity polyanionic cellulose,LV-PAC),水解聚丙烯腈銨鹽(ammonium salt of partially hydrolyzed polyacrylonitrile,NH4HPAN),聚丙烯酸鉀(potassium polyacrylate,K-PAM),有機硅改性聚合物,超細碳酸鈣(800目、1 250目、2 000目),乳化石蠟,硅氟聚合物。

2.2 試驗方法

首先配制頁巖氣調查井原鉀銨基聚合物鉆井液基漿,在此基礎上設置正交試驗組,以0.5%的濃度梯度,1%～2.5%為濃度范圍添加有機硅改性聚合物;以1%為濃度梯度,2%～5%為濃度范圍添加超細碳酸鈣;以0.2%為濃度梯度,0.2%～0.8%為濃度范圍添加硅氟聚合物;以1%為濃度梯度,1%～4%為濃度范圍,添加乳化石蠟;以塑性黏度、動切力和API(American Petroleum Institute)濾失量為指標,找出4種添加劑的最優加量,最終形成有機硅聚合物鉆井液配方,并對其抗鉆屑污染、抗鈣侵、抑制性、封堵性等各項能力開展分析評價。

2.3 結果及分析

2.3.1 正交試驗

正交試驗設計如表2所示,正交試驗結果如圖3所示。對圖3中每組正交試驗結果中的主要因素,如塑性黏度、動切力及API濾失量進行極差分析,找出每個因素的最優水平組合。通過正交試驗的極差分析法初步得到了各項指標所對應的水平的影響大小和優化水平取值,綜合考慮各指標的影響因素的主次并結合體系目標性能、工程成本等,優選出最佳配方為:4% 膨潤土+0.2% Na2CO3+0.3% KOH+1.2% LV-PAC+1.5% NH4-HPAN+1.5%有機硅改性聚合物+3.0%多級配超細碳酸鈣+3%乳化石蠟+0.4%硅氟聚合物。其中多級配超細碳酸鈣是按照m(800目)∶m(1 250目)∶m(2 000目)=1∶3∶2的比例加入。

圖3 正交試驗結果Fig.3 Orthogonal test results

表2 正交試驗表Table 2 Orthogonal test table

2.3.2 性能評價

(1)基本性能評價。鉀銨基聚合物鉆井液體系與有機硅聚合物鉆井液體系基本性能對比如表3所示。

表3 鉀銨基聚合物鉆井液與有機硅聚合物鉆井液體系基本性能對比Table 3 Basic performance comparison of potassium ammonium polymer drilling fluid and organosilicon polymer drilling fluid system

根據表3可見,有機硅鉆井液體系相比具有較低的黏度和切力,同時鉆井液的濾失性能得到一定提升,較適宜在深部復雜地層鉆進中對鉆井液流變性及濾失性能的要求。

(2)抗鉆屑污染性能評價。選取該頁巖氣調查井暗紫紅色泥巖鉆屑,粉碎烘干后磨細過100目篩網,然后按照不同比例加入鉆井液中,觀察鉆井液的性能變化情況。實驗結果如表4所示。

表4 鉆屑加量對鉆井液性能的影響Table 4 Effect of cuttings increment on drilling fluid performance

從表4可以看出,隨著鉆屑加量的增加,有機硅聚合物鉆井液體系黏度和切力略有升高,API濾失量先降低再升高,總體性能變化不大,表明該體系具有較強容納鉆屑和抗黏土鉆屑污染的能力。

(3)抗鈣侵能力評價。以0.5%為濃度梯度,向鉆井液中加入0.5%～2.0%的CaSO4,測試鉆井液的抗鈣能力,實驗結果如表5所示。

表5 有機硅聚合物鉆井液抗鈣能力評價實驗結果Table 5 Test results of calcium resistance evaluation of organosilicon polymer drilling fluid

從表5可以看出,在向有機硅聚合物鉆井液中加入不同加量的CaSO4后流變性能變化不大,API濾失量略有升高,基本滿足在石膏層鉆進中對鉆井液的抗鈣能力要求。

(4)抑制性能評價。為了評價鉆井液的抑制性,選用該泥巖分別開展了膨脹性和分散性室內實驗。膨脹性實驗中選取巖樣進行粉碎磨細,通過100 目孔徑標準篩進行烘干備用,稱取10 g在壓力機上加壓2 MPa并保持5 min制得試驗巖心,使用NP-01型頁巖膨脹儀測試實驗巖心在不同浸泡介質的線性膨脹情況,實驗結果如圖4所示。在分散性實驗中選取6～10目巖樣20 g,將其放入盛有不同鉆井液及蒸餾水的陳化斧中進行熱滾16 h(溫度設定為80 ℃),后取出巖樣過40 目分樣篩,再在清水中清洗1 min,105 ℃下風干直至恒重,稱其重量,計算其滾動回收率,其結果如表6所示。

圖4 膨脹性測試實驗結果Fig.4 Experimental results of swelling test

表6 滾動回收實驗結果Table 6 Rolling recovery test results

通過圖4及表6可以看出,有機硅聚合物鉆井液展現了良好的防塌抑制性能,泥巖在有機硅聚合物鉆井液中的16 h線膨脹率僅為4.84%,相比蒸餾水和鉀銨基聚合物鉆井液的膨脹率分別降低了72.56%和37.50%;同樣在分散性試驗中,巖樣在有機硅聚合物鉆井液體系中的滾動回收率也更高,達到了88.4%,表明該體系抑制泥巖分散性能力較強。

(5)封堵性能評價。前期研究表明,對于該泥頁巖地層,微裂縫是鉆井液侵入的主要通道,裂縫寬度普遍小于100 μm,按照D90封堵理論[25],向鉆井液體系中加入合適粒度的剛性及柔性粒子,可實現對微裂隙的有效封堵。因此,對有機硅聚合物鉆井液進行粒度分析,其結果見圖5所示。從圖5中可以看出,該鉆井液中小于100 μm粒徑顆粒體積分數超過95%,其中主要為1 μm以下及10 ～ 30 μm的粒度區間,可滿足該泥巖地層裂隙封堵對鉆井液材料的粒徑要求。

圖5 有機硅聚合物鉆井液粒度分布測試結果Fig.5 Test results of drilling fluid particle size distribution

為了進一步評價鉆井液對微裂隙的封堵效果,開展了滲透性封堵試驗,該試驗采用FA無滲透濾失儀,取20～40 目石英砂350 mL倒入有機玻璃管中,搖勻使砂樣平鋪在玻璃管內;再取鉆井液500 mL倒入裝有砂樣的玻璃管內;旋緊杯蓋,通入氣源,調節減壓閥,使得氣壓維持在0.69 MPa;打開放氣閥,使氣體進入玻璃管內,同時開始計時,觀察鉆井液30 min的濾失情況,實驗結果如表7所示。

表7 兩種不同鉆井液的砂床濾失實驗結果Table 7 Sand bed filtration test results of two different drilling fluids

從表7可以看出,有機硅聚合物鉆井液的砂床濾失量為0 mL,砂床侵入深度僅為5.6 cm,表明該體系具有良好的封堵效果;通過體系中的超細材料、可變形微粒充填在骨架材料的孔隙中,在近井壁能夠迅速形成超低滲透封堵層,有效阻止鉆井液濾液向深部滲透,避免或減輕水敏性地層的水化反應,進而提高了體系的封堵防塌能力。

3 現場應用及效果

川沐地2井是中國地質調查局在川西南-滇東北地區頁巖氣調查部署的一口重點調查井,該井在二開鉆進時,上段地層巖性主要為暗紫紅色泥巖,黏土礦物含量較高,極易水化分散,出現掉塊等復雜情況(圖6),且先后發生三次嚴重鉆頭泥包(圖7),嚴重影響井內安全和工程進度[26]。分析原因主要為地層水敏性較強,鉆井液采用鉀銨基聚合物體系,防塌抑制性相對較差,同時受泥漿泵排量較小,上返流速較低(理論上返流速僅為0.54 m/s),鉆井液循環周期較長,井內巖屑沉積。因此,現場根據實際情況,立即優化調整鉆井液配方及性能,逐步轉換為有機硅聚合物鉆井液體系,調整后基本性能如表8所示;在鉆井液體系優化的同時,工程上也采取提高泥漿泵排量、優選鉆頭結構、下鉆過程中多次開泵、加強無用固相清除等措施,經過鉆井液和工程措施的協同處理后,再未發生鉆頭泥包和掉塊等復雜現象,保障完成二開作業的順利實施,技術套管也一次性下至預定位置,未發生遇阻等復雜情況。

圖6 井內泥巖掉塊Fig.6 Mudstone falling out in the well

圖7 鉆頭泥包嚴重Fig.7 Serious bit mud pocket

表8 二開下部井段鉆井液性能范圍Table 8 Performance range of drilling fluid in the lower section of the second spud

進入三開后,地層愈加復雜,不僅有水敏性泥巖,還有脆性煤系地層、裂隙孔洞發育的碳酸鹽巖層、石膏層等;同時該井段也是該井的主要目的層段,在做好井控風險防控與井壁穩定的前提下還需做好儲層保護。針對此情況,在現場施工過程中采取了一系列的鉆井液技術措施,具體如下。

(1)進一步加大有機硅改性聚合物處理劑及超細碳酸鈣、乳化石蠟等抑制劑和封堵劑的加量,提高鉆井液體系的抑制性和封堵性,嚴格控制失水量在5 mL以內,確保良好的泥餅質量,主要性能如表9所示。

表9 三開井段鉆井液性能范圍Table 9 Performance range of drilling fluid in the third spud section

(2)強化無用固相的清除,振動篩全程采用200目以上篩布,同時根據短程起下鉆到底情況、密度變化、固相含量等情況適時開啟離心機。

(3)該井在地質設計中地層壓力系數最高為1.20,設計鉆井液密度最高為1.30 g/cm3,但在施工中采用設計密度時多次發生井涌、溢流等復雜情況,為了確保井內安全,以壓穩不壓漏為原則,逐步提高鉆井液密度,最高達到了1.50 g/cm3;此外在進入碳酸鹽巖地層時,為了防止漏失,提前向鉆井液中加入可酸化隨鉆堵漏材料,提高體系的防漏能力。

(4)該井在三開鉆進中鉆遇厚度超過200 m的石膏層,鉆井液各項性能基本保持不變,井壁穩定,未發生復雜情況,展現了良好的抗鈣能力。

該井在采用有機硅聚合物鉆井液體系以后,井內復雜情況得到明顯改善,保障了鉆井安全,并順利鉆進至2 406 m,達到地質目的提前完鉆,并在目的層發現重要油氣顯示,保障了地質目標的實現。同時相比同區域已實施的同類型鉆井,各項鉆探技術指標均有了較大提高,平均機械鉆速提高了44.64%,完井周期縮短23.74%,有效提高生產效率,降低了成本。

4 結論

通過對有機硅鉆井液體系的研制與應用,得到以下結論。

(1)頁巖氣調查井地層條件復雜,強水敏性泥巖地層黏土礦物主要以伊/蒙混層及高嶺石為主,易引起水化膨脹導致井壁失穩,同時其微米級裂隙發育,進一步加劇了井壁失穩的風險;而在下部軟弱煤層、碳酸鹽巖地層、石膏層發育,對井壁穩定、鉆井液漏失、鉆井液污染都帶來極大挑戰。

(2)基于“抑制水化-物化封固”的多元協同增效防塌理論,提出了強抑制、微米級封堵的鉆井液思路,優選了以有機硅改性聚合物為抑制劑,乳化石蠟、多級配超細碳酸鈣為封堵劑的鉆井液體系,重點對鉆井液體系的抗鉆屑污染、抗鈣能力、抑制性、封堵性進行了室內評價,結果表明該體系各方面性能優良,能夠滿足下部復雜地層安全鉆進施工。

(3)實踐表明,有機硅聚合物鉆井液體系在川西南-滇東北地區頁巖氣調查川沐地2井二開下部及三開井段均取得了較好的應用效果,展現了良好的護壁防塌性能和抗污染能力,鉆探各項綜合技術指標有了大幅提高,該體系的成功應用,可以為下一步該地區油氣資源勘探開發鉆井工程施工提供較好的借鑒思路。