陳俊斌， 李曉陽， 舒小波， 劉向君， 梁利喜

(1油氣田應用化學四川省重點實驗室 2川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 3川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處 4西南石油大學)

近幾年頁巖氣產(chǎn)量迅猛增長，已成為我國能源戰(zhàn)略部署的重要組成部分[1]。為提高頁巖氣產(chǎn)量、降低開發(fā)成本，頁巖氣井采用叢式水平井的開發(fā)模式[2]。在頁巖氣長水平段鉆井過程中，井壁垮塌成為制約頁巖氣勘探開發(fā)的關鍵問題[3-5]。目前，室內(nèi)往往采用單一的抑制性與封堵性評價方法用于測試鉆井液對頁巖井壁穩(wěn)定性能的影響，存在一定的局限性，無法對經(jīng)鉆井液浸泡后的頁巖力學性能做出有效分析[6-8]。針對四川盆地川南地區(qū)龍馬溪組頁巖巖樣，本文從頁巖組分及其特征分析出發(fā)，考慮不同鉆井液體系對頁巖力學性能的影響，同時結(jié)合化學與力學因素，分析不同體系鉆井液對頁巖水平井坍塌壓力的影響，為長水平段頁巖氣高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

一、頁巖組分及特征分析

1. 礦物組分及理化性能分析

針對川南地區(qū)龍馬溪組頁巖巖樣，室內(nèi)對30個露頭巖樣與10個井下巖樣進行了X射線全巖礦物及黏土礦物分析。露頭與井下巖樣黏土礦物含量接近，其平均值均低于35%，以硅質(zhì)為主，且普遍含有碳酸鹽礦物。由于頁巖黏土礦物以伊利石為主，晶層間作用力相對較高，晶間距較小，外來離子不易進入晶層空間，只能吸附在黏土顆粒外表面，因而具有較低的比表面積，展現(xiàn)出較低的水化膨脹能力。通過比表面積與陽離子交換容量分析，上述測試巖樣的比表面積均低于10 m2/g陽離子交換容量均小于12 mmol/100 g。

2.孔隙度與滲透率

室內(nèi)采用HKGP-3型致密巖心氣體滲透率孔隙度測定儀與皂膜流量計滲透率測量儀對上述龍馬溪組露頭與井下巖樣分別進行了孔隙度與滲透率分析。測試結(jié)果表明，上述巖樣孔隙度分布在0.7%～11.7%，除少數(shù)微裂縫發(fā)育的巖樣外，頁巖基質(zhì)總體表現(xiàn)為滲透性極低，基本小于0.0001 mD。

3.頁巖潤濕性分析

室內(nèi)采用接觸角法，分別測定清水、白油、煤油在頁巖表面的接觸角變化情況，測試結(jié)果可以看出，煤油和白油可完全鋪展在頁巖表面，展現(xiàn)出較強的油潤濕性；清水則呈現(xiàn)不同的接觸角，但由于接觸角較小，頁巖同樣展現(xiàn)出較強的親水特性。

4.微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1展示了川南地區(qū)龍馬溪組露頭與井下頁巖巖樣的掃描電鏡照片，從圖1可以看出頁巖壓實程度高，結(jié)構(gòu)緊密，微裂縫、微孔發(fā)育，自然狀態(tài)下微裂縫開度達5 μm以上。

(a)1#露頭頁巖巖樣

(b)2#井下頁巖巖樣

二、鉆井液對頁巖力學性能影響分析

1.實驗評價用鉆井液體系

頁巖井壁穩(wěn)定除力學影響因素以外，還包括鉆井液與頁巖巖石間的化學作用。由于不同鉆井液體系中各處理劑功能作用的不同，使得不同鉆井液對頁巖井壁穩(wěn)定產(chǎn)生的作用效果不同。針對不同的鉆井液，室內(nèi)選用水基與油基鉆井液(如表1所示)，將頁巖浸泡于鉆井液中進行處理，測定浸泡以后頁巖的力學性能，其中浸泡溫度80℃、浸泡時間48 h、浸泡壓力3.0 MPa。

表1 實驗評價用鉆井液

2. 鉆井液對頁巖抗壓強度的影響

川南地區(qū)龍馬溪組頁巖具有較高的抗壓強度，其力學破壞具顯著的脆性斷裂特征[9]。為此，針對鉆井液對頁巖抗壓強度影響，室內(nèi)采用川南地區(qū)露頭巖樣(尺寸?25 mm×50 mm)，測定經(jīng)不同鉆井液浸泡以后的頁巖在圍壓15 MPa、30 MPa時的抗壓強度(測定值為4個巖樣平均值)，測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，經(jīng)不同鉆井液浸泡以后，頁巖抗壓強度普遍降低，但降低程度存在顯著差異。相對于抑制性MEG與KCl聚磺鉆井液，封堵鉆井液Ⅰ型與封堵性白油基鉆井液對頁巖抗壓強度影響較小。對比封堵鉆井液Ⅰ型與Ⅱ型抗壓強度測試結(jié)果，是否形成有效封堵是保障頁巖井壁穩(wěn)定的前提。此外，對于無封堵油基鉆井液，油基鉆井液易隨裂縫侵入頁巖內(nèi)部，使得頁巖內(nèi)部應力發(fā)生改變，導致新裂縫的產(chǎn)生，同時基液與頁巖中的有機質(zhì)作用，因而展現(xiàn)出較低的抗壓強度值。

圖2 鉆井液浸泡后的巖心三軸抗壓強度測試結(jié)果

3. 鉆井液對頁巖壓入硬度影響分析

針對頁巖基質(zhì)硬度，室內(nèi)采用史氏壓入硬度測定方法測定鉆井液對頁巖壓入硬度的影響[10]。每組測10個巖樣，取其平均值，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同鉆井液體系浸泡后的頁巖史氏硬度測試結(jié)果

從圖3可以看出，原巖壓入硬度為1 220 MPa，受鉆井液浸泡影響，頁巖壓入硬度值均有所降低，其規(guī)律變化與頁巖抗壓強度測試結(jié)果相似。通過對比分析可以看出，由于頁巖基質(zhì)滲透性極低，當鉆井液在頁巖表面形成有效封堵以后，可有效隔絕外來流體對頁巖整體性能的影響，因而對于經(jīng)封堵鉆井液Ⅰ型與封堵性白油基鉆井液處理后的頁巖巖樣，其壓入硬度值均高于其它鉆井液。對于MEG與KCl聚磺鉆井液，抑制劑的存在在一定程度上有利于緩減頁巖強度的降低，但并不能隔離外來流體對頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，因而其壓入硬度值降低較為顯著。白油基鉆井液雖對黏土水化作用可忽略，但無封堵性白油基鉆井液不能在頁巖裂縫中形成有效封堵，水力劈裂作用以及基液與頁巖內(nèi)部有機質(zhì)作用導致其浸泡后的頁巖壓入硬度值顯著降低。

4.鉆井液對頁巖脆性特征影響分析

Rickman脆性指數(shù)是目前應用最為廣泛的描述頁巖脆性的方法，本文將采用該參數(shù)用于川南地區(qū)龍馬溪組頁巖脆性特征評價，其計算公式如式(1)～式(3)所示[11]。

(1)

(2)

(3)

式中:EB—歸一化的楊氏模量；EM和EN—分別為最大、最小楊氏模量；μB—歸一化的泊松比；μM和μN—分別為最大、最小楊氏模量；Brit—為巖石力學脆性指數(shù)，無量綱。

根據(jù)圍壓為30 MPa時頁巖三軸壓力測試實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合Rickman脆性系數(shù)計算公式，獲取了經(jīng)不同鉆井液浸泡處理后頁巖的脆性指數(shù)，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，除無封堵性白油基鉆井液，其余頁巖巖樣的脆性指數(shù)均大于0.2，部分頁巖脆性系數(shù)大于0.3。因此，經(jīng)上述鉆井液浸泡后的頁巖巖樣，仍具有較高的脆性。

圖4 不同鉆井液體系浸泡后的巖樣脆性指數(shù)(圍壓30 MPa)

三、鉆井液對水平井地層坍塌壓力影響分析

1. Hoek-Brown強度準則

Hoek-Brown強度準則[12]綜合考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖塊強度、應力狀態(tài)等多種因素的影響，不僅能更好地反映巖體的非線性破壞特征，而且能解釋低應力區(qū)和高應力區(qū)對結(jié)構(gòu)面發(fā)育巖體強度的影響，符合巖體的變形特征和破壞特征，如式(4)所示。

(4)

依據(jù)Hoek等研究成果，可將式(4)中a取為0.5，此時僅需確定m，s的取值。觀察野外硬脆性頁巖出露及巖心試樣，選取裂隙密度及裂隙組數(shù)做為評價m、s取值大小的評價指標，裂隙發(fā)育指數(shù)如式(5)所示。根據(jù)已有三軸實驗測試結(jié)果以及數(shù)值模擬分析結(jié)果，分析得到參數(shù)m、s取值與裂隙發(fā)育指數(shù)間存在較好的關系，如式(6)和式(7)。

JV=∑2JdJs

(5)

m=0.134ln(Jv)+0.9338R2=0.9723

(6)

s=-0.9462ln(Jv)+10.156R2=0.9923

(7)

式中：Jd、Js—分別為裂隙的線密度及發(fā)育組數(shù)；Jv—為裂隙發(fā)育指數(shù)。

2.頁巖層段地應力分析

當孔彈性系數(shù)、地層孔隙壓力及巖石的抗張強度已知且水平向最小主應力為原地三個主應力的最小主應力時，利用壓裂資料獲取地層破裂壓力和最小水平主應力大小后，即可進一步獲取最大水平主應力[13]?；趬毫奄Y料求取水平主應力，再根據(jù)組合彈簧模式，利用已有的地應力反演求取各儲層深度點的構(gòu)造應變系數(shù)，結(jié)合分層構(gòu)造應變系數(shù)，利用全井巖石彈性模量、泊松比等參數(shù)，來計算全井地應力。

3. 地層坍塌壓力影響分析

由于頁巖經(jīng)鉆井液浸泡以后其力學性能發(fā)生顯著變化，因此本文以川南地區(qū)Y1井為例，考慮上述不同鉆井液配方對頁巖力學性能的影響，并根據(jù)Hoek-Brown強度準則，分析不同鉆井液配方入井后對地層坍塌壓力的影響，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同鉆井液作用下頁巖地層水平井的坍塌壓力

從圖5可以看出，在水平井延伸方位相同的條件下，上述六種鉆井液所對應的地層坍塌壓力均大于原始地層的坍塌壓力，即鉆井液與頁巖地層相接觸以后，由于鉆井液對頁巖力學性能的影響，無論水基還是油基鉆井液，均會導致地層坍塌壓力的增大。同時，通過對比不同鉆井液體系可以看出，鉆井液中有效的封堵能力對于穩(wěn)定頁巖地層的井壁穩(wěn)定是至關重要的。相對于其它鉆井液，無封堵性白油基鉆井液侵入頁巖地層以后，由于頁巖內(nèi)部應力發(fā)生變化以及高溫下白油與頁巖中有機質(zhì)作用，這是導致頁巖地層坍塌壓力顯著提高的根本原因。

四、現(xiàn)場應用分析

川南地區(qū)頁巖氣水平井鉆井過程中，原A井在龍馬溪組頁巖地層采用密度1.20～1.28 g/cm3油基鉆井液鉆進過程中出現(xiàn)卡鉆、井壁垮塌現(xiàn)象，隨后逐步提高鉆井液密度至2.10 g/cm3以上(期間持續(xù)返出0.5～2 cm顆粒狀和薄片狀掉塊)，井壁坍塌有所緩解，同時該井在提高鉆井液密度過程中存在井漏問題。通過后期強化油基鉆井液封堵性能以及高性能水基鉆井液研究，川南地區(qū)B井采用密度1.76 g/cm3強封堵油基鉆井液安全鉆進2 087 m，龍馬溪組地層未出現(xiàn)井壁垮塌失穩(wěn)問題；川南地區(qū)C井采用密度1.75 g/cm3油基鉆井液發(fā)生井下漏失，由于該井龍馬溪地層承壓能力低，隨后降低鉆井液密度至1.60 g/cm3實現(xiàn)正常完鉆，龍馬溪組地層進尺2 314 m；川南地區(qū)D井為直改平井，由于該區(qū)龍馬溪地層承壓能力低，前期采用密度1.70 g/cm3油基鉆井液鉆進，井漏頻繁，多次采用橋漿堵漏、隨鉆堵漏均未取得較好效果，因此在強化油基鉆井液封堵能力的基礎上，逐步降低鉆井液密度至1.40 g/cm3以后，順利完鉆，油基鉆井液總進尺2 054 m；川南地區(qū)E井采用密度1.80～1.90 g/cm3頁巖氣水基鉆井液鉆進2 064 m龍馬溪組地層，未出現(xiàn)井壁垮塌失穩(wěn)問題，實現(xiàn)了長水平段安全鉆進。現(xiàn)場試驗表明，通過后期強化油基鉆井液封堵性能以及高性能水基鉆井液的應用，在維持頁巖井壁穩(wěn)定的基礎上均實現(xiàn)了頁巖地層鉆井液密度的降低。相對于油基鉆井液，高性能水基鉆井液是否具備進一步降低頁巖地層鉆井液密度的空間，需進一步探索。

五、結(jié)論

(1)川南地區(qū)龍馬溪組頁巖為硬脆性頁巖，具水潤濕性與油潤濕性，黏土礦物含量低于35%，以伊利石為主，原巖裂縫發(fā)育。經(jīng)水基與油基鉆井液浸泡以后，頁巖抗壓強度、硬度降低，但仍展現(xiàn)出較高的脆性。

(2)當鉆井液與頁巖地層相接觸以后，由于井下力學與化學因素影響，導致頁巖地層坍塌壓力較原地層坍塌壓力提高。因此，采用原地層力學參數(shù)獲得的地層坍塌壓力并不能滿足現(xiàn)場實際需要，需考慮鉆井液對地層巖石力學性能的影響。同時，可將鉆井液對頁巖力學性能評價實驗用于鉆井液體系評價，可克服以往單一抑制性能評價的不足。

(3)無論油基還是水基鉆井液，在保障良好抑制性能的基礎上，合理優(yōu)化鉆井液的封堵性能可減少頁巖地層坍塌壓力的提高，降低實鉆過程中的鉆井液密度，保障頁巖氣長水平段鉆進過程中的井壁穩(wěn)定。