摘要：渝西區(qū)塊龍馬溪組在水平段鉆進過程中因井壁失穩(wěn)而導致的卡鉆、憋頂驅、測井困難等復雜情況頻發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)，造成此現(xiàn)象的主要原因是該區(qū)塊龍馬溪組地層微納米孔、縫發(fā)育和鉆井液封堵性能不足。因此，在強化現(xiàn)場鉆井液封堵性能的基礎上優(yōu)選了鉆井液主要處理劑，構建了適用于該區(qū)塊龍馬溪組強封堵油基鉆井液體系，室內測試結果表明，經過220 nm 和450 nm 微孔濾膜時未發(fā)生濾失，且綜合性能均優(yōu)于普通鉆井液。現(xiàn)場應用表明，龍馬溪組水平段鉆進過程中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問題，與同平臺采用常規(guī)封堵技術的已鉆井相比，平均機械鉆速提高8.81 m/h，水平段鉆井周期縮短2.79 d，鉑金靶體鉆遇率100%，創(chuàng)渝西區(qū)塊深層頁巖氣井5 項鉆井指標紀錄，強封堵油基鉆井液技術能滿足該區(qū)塊鉆井工程需要。

關鍵詞：井壁穩(wěn)定；油基鉆井液；強封堵；水平井；頁巖氣

引言

隨著非常規(guī)油氣資源開發(fā)規(guī)模的增大，頁巖氣鉆進過程中硬脆性泥頁巖的井壁失穩(wěn)問題，已經成為亟待解決的關鍵難題[1 2]。通過對儲層中硬脆性泥頁巖研究發(fā)現(xiàn)，地層巖樣以伊/蒙混層和伊利石為主，不含蒙脫石，無水化造漿能力，但是很容易水化分散，地層微孔、縫發(fā)育，易導致井下掉塊、垮塌等復雜情況[3 5]。單純地添加常規(guī)封柔性封堵劑，例如磺化瀝青類等處理劑，不能有效解決硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)等井下復雜情況。

理論研究表明，硬脆性泥頁巖中導致井壁失穩(wěn)的主要因素是地層中發(fā)育大量微米級甚至納米級微裂縫，鉆井液濾液首先侵入地層微裂縫，由于水化分散作用導致微裂縫快速開啟并延伸、擴展和連通，最終導致泥頁巖宏觀的破壞[6 10]。因此，對地層微裂縫進行全面有效封堵，有利于降低井下掉塊、垮塌等復雜情況發(fā)生的風險[11 14]。國內外專家學者開展了很多有關封堵微納米孔、縫的研究，形成了多種針對性的新型處理劑：Contreras 等[15 16] 為封堵頁巖微納米孔、縫，將鐵基納米粒子和鈣基納米粒子應用到油基鉆井液中，減少了濾失量。Moroni 等[17] 將粒徑為200 nm 的新型聚合物鉆井液添加劑納米級FSP 應用到油基鉆井液中，可有效封堵地層微裂縫，阻止濾液侵入地層。王佩平和徐恒等研發(fā)了一種聚磺納米乳液體系，并在勝利油田街206 井和街207 井中成功應用[18 19]。這些研究說明，納米材料因其特殊效應表現(xiàn)出異于常規(guī)材料的性質，能夠解決頁巖氣開發(fā)中井壁失穩(wěn)問題。本文通過對渝西區(qū)塊龍馬溪組頁巖礦物組成及微觀結構進行分析，揭示該區(qū)塊井壁失穩(wěn)機理，并在此研究基礎上構建渝西區(qū)塊龍馬溪組強封堵油基鉆井液技術，并進行現(xiàn)場試驗。

1 地層特征及井壁失穩(wěn)機理

1.1 地層特征

區(qū)塊內發(fā)育4 類斷層，主要呈北東向，西山構造地面斷層較少，但二疊系、奧陶系底界斷層極為發(fā)育。該構造帶斷層走向與構造軸向平行，該構造帶內斷裂較發(fā)育，其中，斷層最長延伸可達52.3 km，落差70～690 m，向上斷開龍?zhí)督M，消失在飛仙關組中；向下斷開奧陶系龍馬溪組，消失在奧陶系內[20 21]。

1.1.1 巖石礦物組成

采用X′Pert Pro X 射線衍射儀，對渝西區(qū)塊龍馬溪組—五峰組水平段巖芯進行全巖分析及黏土礦物分析，其分析結果如表1、表2 所示。

測試礦物組成并分析其脆性指數(shù)為

式中：

BI—脆性指數(shù)，%；

Vqua—石英和長石含量，%；

Vdol—白云石含量，%；

Vcal—方解石含量，%；

Vcla—黏土總含量，%；

Voth—其他礦物成分含量，%。

由表1 和表2 可見，龍馬溪組以石英為主，平均含量約48.52%。其黏土礦物主要為伊利石、綠泥石和伊/蒙混層，無蒙脫石，平均脆性指數(shù)約為68.30%（圖1），表明該類巖石具有硬度、機械強度高，水化膨脹能力弱的特點[22 23]。

1.1.2 微觀結構

采用Quanta 450 環(huán)境掃描電鏡，觀察渝西區(qū)塊龍馬溪組水平段巖芯微觀構造特征，其環(huán)境掃描電鏡照片如圖2 所示。

從圖2 可以看出，龍馬溪組頁巖多尺寸小孔洞極其發(fā)育，細微裂縫寬度不一（裂縫寬度在0.1～2.4 μm），表現(xiàn)為層狀構造明顯，礦物顆粒排列緊密，微觀排列方式為片羽狀，由不連續(xù)頁巖堆積、膠結而成；且?guī)r樣中發(fā)育大量層理結果，層狀結構明顯，裂縫中見鹽晶體，巖樣易沿層理裂縫滑動使巖石力學強度減弱，局部發(fā)育溶蝕孔和微裂縫，體現(xiàn)出龍馬溪組頁巖脆性強、強度低的特點。

1.2 井壁失穩(wěn)機理

根據(jù)以上分析結果，可知渝西區(qū)塊龍馬溪組—五峰組的井壁失穩(wěn)機理為：黏土含量高，以伊利石、綠泥石和伊/蒙混層為主，無蒙脫石；黏土礦物顆粒與石英顆粒之間隨機無序分布，致使頁巖整體呈現(xiàn)各向異性，地層微裂縫發(fā)育，使鉆井液極易進入裂縫。各層理之間的微晶石英顆粒成為地層頁巖之間的主要受力骨架，當超過頁巖地層微裂縫的斷裂強度后，致使地層微裂縫在高應力和外力作用下快速開啟并延伸、擴展，進而引發(fā)誘導縫致使井壁坍塌失穩(wěn)[24 25]。

2 強封堵鉆井液體系研制及性能評價

對龍馬溪組頁巖地層巖性、裂縫發(fā)育、水敏性及儲層裂縫發(fā)育等特征進行系統(tǒng)分析表明，龍馬溪組頁巖為弱水敏、硬脆性頁巖。該地區(qū)微裂縫發(fā)育，在鉆井液侵入微裂縫時，井壁易出現(xiàn)掉塊、垮塌等現(xiàn)象。油基鉆井液在濾失、潤滑性及抗高溫等性能方面優(yōu)于水基鉆井液，且性能相對于水基鉆井液較穩(wěn)定。因此，構建了一套針對龍馬溪組頁巖井壁失穩(wěn)的強封堵油基鉆井液體系，為穩(wěn)定井壁提供有力保障[26 28]。

2.1 強封堵鉆井液體系研制

2.1.1 有機土優(yōu)選

在強封堵油基鉆井液體系的配制過程中，有機土應具有很好的造漿能力。實驗室通過在300 mL的5# 白油中加入3% 有機土，在150?C 老化16 h后，測試不同有機土的流變性能、中壓失水，來優(yōu)選出綜合性能較好的有機土，有機土優(yōu)選實驗結果見表3。

實驗結果表明，有機土MOGEL 比另外兩種有機土有更好的造漿能力。WSG-120F 雖然能夠增加白油的黏度，但是它并沒有增加白油的切力，即沒有在白油中形成空間的網架結構；MOGEL、BP-192F 都有一定增黏提切的能力，但顯然有機土MOGEL 有更好的增黏提切的性質。

2.1.2 乳化劑優(yōu)選

乳化劑的優(yōu)選是配制油基鉆井液體系中最核心的一步，乳化劑的性能好壞直接決定了油基鉆井液體系的性能。實驗室以“基漿2+4% 乳化劑（3% 主乳化劑+1% 輔乳化劑）”為實驗漿，在150 ?C 老化16 h 后，測試不同實驗漿的流變性能、中壓失水和破乳電壓，優(yōu)選出綜合性能較好的乳化劑。乳化劑優(yōu)選實驗結果見表4。

基漿2：300 mL 5# 白油+20%CaCl2 溶液（質量分數(shù)25%）+3% 有機土組成。

從表4 可以看出，各實驗漿在130 ?C、16 h 條件下老化后的破乳電壓值均大于400 V，體系均較穩(wěn)定；乳化效果越好，油包水乳狀液分散越均勻，鉆井液的表觀黏度相對提高，乳化劑ONEMUL 實驗漿的表觀黏度較高，并且濾失量最小，優(yōu)選其為構建配方的乳化劑。

2.1.3 降濾失劑優(yōu)選

以“基漿3+4% 降濾失劑”為實驗漿，130 ?C 老化16 h 后，測試不同降濾失劑的流變性能、API 失水量和HTHP 失水量，優(yōu)選出綜合性能較好的降濾失劑。降濾失劑優(yōu)選實驗結果見表5。

基漿3：300 mL 5# 白油+4%乳化劑+20%CaCl2溶液（質量分數(shù)25%）+3% 有機土組成。

由表5 可見，與降濾失劑OFCYJ-2、KJR 相比，降濾失劑JHFLO 具有更明顯的降濾失量效果，可有效降低鉆井液高溫高壓濾失量，形成致密堅韌的內外泥餅，遏制井壁剝落掉塊，因此，優(yōu)選JHFLO 作為強封堵油基鉆井液核心降濾失劑。

2.1.4 納米封堵劑優(yōu)選

根據(jù)龍馬溪組地層巖樣微裂縫與微觀孔隙的特征，研選了納米封堵劑：聚合醇JH-1、納米TiO2、納米SMXFT、納米LAT 和納米Fe3O4。采用API 濾紙、220 nm 和450 nm 孔徑的微孔濾膜來評測封堵劑的封堵能力。以基漿4+0.75% 納米封堵劑為實驗漿，測試各實驗漿在130 ?C、16 h 條件下老化前后的封堵性能，以220 nm 孔徑濾膜的濾失量為主要指標。

基漿4：5# 白油+3.0% 有機土+0.5% 氧化鈣+4.0% 乳化劑+20.0% CaCl2 溶液（25.0%）+4.0%降濾失劑+2.0% 潤濕劑+4.5% 微米封堵劑（1.5%XNZD-1+1.5% XNZD 2+1.5%XNZD-3）。

通過對納米封堵劑的優(yōu)選（圖3），納米封堵劑SMXFT 與其他封堵劑相比濾失量最小，API 濾紙、220 nm 和450 nm 孔徑的微孔濾膜濾失量分別為12.8，8.6 和8.4 mL，證明其微觀封堵良好。

納米封堵劑SMXFT 為固含量為10% 的改性石墨烯，平均粒徑為264.6 nm，分布在122.4～458.7 nm，其粒徑分析和掃描電鏡照片見圖4、圖5。

在此基礎上，優(yōu)選出潤濕劑、提切劑配方：5# 白油+20.0%CaCl2 溶液（質量分數(shù)25.0%）+3.0%有機土MOGEL+0.5% 氧化鈣+3.0% 乳化劑ONEMUL+4.0% 降濾失劑JHFLO+2.0% 潤濕劑MOWET+1.0% 提切劑ML CSON+4.5% 微米封堵劑（1.5%XNZD-1+1.5%XNZD-2+1.5%XNZD-3）+0.75% 納米封堵劑SMXFT+ 重晶石（鉆井液密度1.8 g/cm3），油水比為80：20，將配方命名為YX-1。

2.2 強封堵鉆井液體系性能評價

2.2.1 封堵性能評價

1）滲透性封堵評價

在國內外文獻實驗方法的基礎上，本文采用可視中壓（0.69 MPa）砂床濾失儀測試法，測試鉆井液的滲透性封堵能力，實驗結果如表6 所示。

實驗數(shù)據(jù)表明（表6），鉆井液基漿在砂床中的侵入深度為4.6 cm，漏失量為0，鉆井液基漿中的有機土、重晶石等對石英砂孔隙進行了一定程度的封堵，但是由于顆粒較大，封堵效果差，鉆井液侵入深，在基漿中加入優(yōu)選以后的微納米級封堵劑，侵入深度為2.1 cm，封堵效果顯著提升，微納米級封堵劑填充了由重晶石等大顆粒在石英砂孔隙通過架橋形成的次級小孔隙，石墨烯由于其分布范圍廣的優(yōu)勢能對形成的上級孔隙進行有效的封堵。

2）微納米孔和縫的封堵評價

根據(jù)對龍馬溪組巖芯微觀孔隙特征分析，采用220 nm 和450 nm 微孔濾膜模擬漏失介質孔徑，對鉆井液YX-1 進行微納米孔/縫封堵性能評價。實驗發(fā)現(xiàn)，在130 ?C、3.5 MPa 壓差下，鉆井液YX-1經過220 nm 和450 nm 微孔濾膜時瞬時濾失量和30 min 后濾失量均為0，表明該鉆井液體系對地層微觀孔隙具有較強的封堵能力。

3）裂縫性封堵評價

為準確、精準地評價封堵材料對于地層微裂縫的封堵效果，應用微裂縫封堵模擬裝置，評價鉆井液YX-1對縫寬220 μm 和450 μm 微裂縫的封堵承壓能力。

實驗結果表明（圖6），鉆井液在承壓20 min 后無鉆井液漏失，證明配方YX-1 對220 μm 和450 μm裂縫均具有一定的封堵承壓能力。

2.2.2 抗污染性能

現(xiàn)場應用中，油水比定為85：15 時，為考查水相活度對鉆井液性能影響，改變水相中的NaCl 和CaCl2 含量來考查強封堵油基鉆井液體系的抗鹽污染能力，向鉆井液YX-1 中加入Zu203H3-5井巖屑（井深6 000～6 500 m 處龍馬溪組、過100 目篩網）來考查強封堵油基鉆井液體系的抗巖屑污染能力。測試其在130 ?C、16 h 條件下老化前后的性能變化來評價各體系的抗污染能力，結果見表7。

從表7 可以看出，CaCl2 和NaCl 對油基鉆井液的流變性能和乳狀液穩(wěn)定性影響不大，濾失量也在合理的范圍內變化，加入8.0% 劣土后，黏度略有上升，但黏度增加不明顯，具有一定的抗劣土能力。綜上所述，所配制的強封堵油基鉆井液體系具有很好的抗污染性能，同時也說明可以根據(jù)地層情況隨時調控油基鉆井液的水相活度。

2.2.3 沉降穩(wěn)定性能

沉降穩(wěn)定性是反映鉆井液中各種固相顆粒在鉆井液中分布狀態(tài)的技術指標，采用TurbiscanMA2000 濃縮體系分散穩(wěn)定性分散儀對鉆井液進行沉降穩(wěn)定性分析，測試結果如圖7 所示。

由圖7 可知，強封堵鉆井液24 次測量的透射光曲線和背射光曲線基本重合，證明強封堵鉆井液體系具有良好的沉降穩(wěn)定性。

3 現(xiàn)場應用

Zu203H3-5 井為渝西區(qū)塊Zu203 平臺部署的6 口評價井之一，該井與鄰井Zu203H3-2 井巷間距為350 m，水平段箱體設計位于五峰組底界以上9.3～12.8 m，龍一11小層井段（垂深4 092.1～4 095.6 m），箱體靶高3.5 m，靶寬20 m。

3.1 現(xiàn)場鉆井液性能

在龍馬溪組井壁易失穩(wěn)層位，鉆井液的動塑比為0.22～0.25，動塑比持續(xù)處于優(yōu)異狀態(tài)，在水平段內鉆井液的攜巖能力和井眼清潔效率良好（圖8a）；在水平段鉆進時，試驗井段鉆井液失水造壁性良好，初始水為0，這說明鉆井液在井壁上形成了泥餅，且無濾液進入地層。最終30 min 高溫高壓失水低于2.0 mL，減弱了濾液在裂縫中的壓力傳遞，有力地保障了水平段鉆進時井壁的穩(wěn)定性（圖8b）。

3.2 井壁穩(wěn)定分析

3.2.1 井徑擴大率分析

Zu203H3-5 井在龍馬溪組水平長裸眼段鉆進過程中：加入微納米封堵劑前井徑擴大率為4.13%，加入微納米封堵劑后井徑擴大率為2.09%；井徑擴大率減小2.04% 個百分點。從井徑圖（圖9，其中1 in.=2.54 cm）中可知，Zu203H3-5井井徑規(guī)則，無突然擴徑等現(xiàn)象發(fā)生，證明在頁巖氣長水平段鉆進過程中，該技術在穩(wěn)定和強化井壁方面具有顯著的效果，可以實現(xiàn)對龍馬溪組所有各級微裂縫的有效封堵，有效解決了渝西區(qū)塊龍馬溪組頁巖地層長水平段鉆進中的井壁失穩(wěn)問題。

3.2.2 鉆時分析。

如圖10 所示，與同平臺鄰井相比較，在水平段鉆進過程中，Zu203H3-5井鉆時波動相對于Zu203H3-2 井每米平均鉆時降低1.75 min，鉆時一直保持在穩(wěn)定的范圍，無井下復雜事故發(fā)生，有效地節(jié)約了水平段鉆進時間。

3.2.3 應用效果

Zu203H3-5 井采用強化井壁封堵防塌技術后，在穩(wěn)定和強化井壁方面效果顯著，未出現(xiàn)憋泵、憋頂驅和卡鉆等復雜事故；地層承壓能力大幅提高，無漏失情況發(fā)生，與此同時對改善鉆井液體系失水造壁性、降摩減阻效果顯著，應用效果如表8 所示。

Zu203H3-5 井的順利完鉆，標志著渝西區(qū)塊首次實現(xiàn)深層頁巖氣鉆井周期降低至70.0 d 的目標，相較于設計周期提前完鉆39.5 d，水平段提前完鉆31.0 d。其中，水平段鉆井周期14.0 d、單趟鉆最高進尺2 118 m、單日最高進尺454 m、平均機速鉆速19.1 m/h，各項參數(shù)相較于同一平臺鄰井Zu203H3-2 井有穩(wěn)步提升。

4 結論

1）渝西區(qū)塊龍馬溪組以石英為主，其黏土礦物以伊利石、綠泥石和伊/蒙混層為主，無蒙脫石，地層微裂縫十分發(fā)育，鉆井液侵入微裂縫時，井壁易出現(xiàn)掉塊、垮塌等現(xiàn)象。

2）根據(jù)渝西區(qū)塊龍馬溪組水平段井壁失穩(wěn)特性，建立了針對解決渝西區(qū)塊龍馬溪組頁巖井壁失穩(wěn)的微納米封堵方案：4.5% 微米封堵劑（1.5%XNZD-1+1.5%XNZD-2+1.5%XNZD-3）+0.75% 納米封堵劑（SMXFT），現(xiàn)場應用表明，該微納米封堵方案有良好的封堵效果。

3） 現(xiàn)場應用結果表明，所研發(fā)的強封堵鉆井液體系對渝西區(qū)塊龍馬溪組頁巖鉆井適用性良好，與同平臺采用常規(guī)封堵技術的已鉆井相比，平均機械鉆速增加8.82 m/h，水平段鉆井周期縮短2.79 d，首次實現(xiàn)渝西區(qū)塊深層頁巖氣鉆井周期降低至70.0 d 的目標。

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作者簡介

鐘成旭，1984 年生，男，漢族，四川南充人，碩士，主要從事油氣井工作液方面的研究工作。E-m。ail：swzcx@petrochina.com.cn

李道雄，1997 年生，男，漢族，四川廣元人，碩士研究生，主要從事油氣井工作液方面的研究工作。E-mail：1254478179@qq.com

李鄭濤，1986 年生，男，漢族，四川遂寧人，工程師，主要從事水平井鉆井方面的研究。E-mail：lizhengtao@petrochina.com.cn

謝剛，1989 年生，男，漢族，四川樂山人，講師，博士，主要從事油氣井工作液方面的研究工作。Email：201899010129@swpu.edu.cn

張震，1991 年生，男，漢族，四川成都人，工程師，碩士，主要從事巖石力學與井壁穩(wěn)定研究。E-mail：zhangz91@petrochina.com.cn

編輯：牛靜靜

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2019YFA0708303）；四川省科技計劃（2020JDJQ0057）；四川青年科技創(chuàng)新研究團隊（2020JDTD0018）；中國石油西南石油大學創(chuàng)新聯(lián)合體科技合作項目（2020CX040102，2020CX040201）