于　雷， 張敬輝， 李公讓， 趙懷珍， 劉天科

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000；2.中石化勝利石油工程公司黃河鉆井公司，山東東營(yíng) 257064)

古近系沙河街組是渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷主要的頁(yè)巖油儲(chǔ)集層，地層巖性以灰質(zhì)泥巖、灰質(zhì)油泥巖、泥巖、油泥巖和油頁(yè)巖為主[1]。在以往鉆井過(guò)程中，當(dāng)使用水基鉆井液鉆進(jìn)油泥巖地層時(shí)井壁失穩(wěn)問(wèn)題突出，尤其是在斜井段和水平段鉆遇油泥巖時(shí)坍塌、卡鉆等井下故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢，造成巨大損失。近年來(lái)，隨著對(duì)油泥巖地層特征認(rèn)識(shí)的提高，人們采用有機(jī)鹽強(qiáng)抑制鉆井液、鋁胺高性能鉆井液、油基鉆井液等來(lái)鉆穿油泥巖地層，取得了良好的效果[2-6]，但在水平段鉆遇大段油泥巖時(shí)，使用水基鉆井液(如有機(jī)鹽強(qiáng)抑制鉆井液、鋁胺高性能鉆井液)時(shí)，掉塊、坍塌等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象還是時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響鉆井速度。因此，筆者在分析沙河街組油泥巖巖性特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)活度平衡理論，構(gòu)建了一種低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液，并在10余口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在水平井段鉆遇油泥巖地層時(shí)未出現(xiàn)井壁坍塌、掉塊等井下故障，井壁穩(wěn)定效果較好。

1　低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液的構(gòu)建

1.1　構(gòu)建思路

根據(jù)活度平衡理論，當(dāng)存在較高效率的半透膜時(shí)，鉆井液與泥頁(yè)巖中的水存在活度差就能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)控制水的遷移。如果巖層中水的活度低于鉆井液中水的活度，水就以分散的水滴向巖屑或巖層中運(yùn)移；反之，若鉆井液中水的活度低于巖層中水的活度，則水的運(yùn)移方向相反[7-10]。研究表明，受到較強(qiáng)壓實(shí)作用的泥頁(yè)巖或孔隙度低的泥頁(yè)巖，其自身可以起到半透膜作用。因此，降低鉆井液中水的活度，就能夠減少水向泥頁(yè)巖地層近井地帶的擴(kuò)散、滲透，并降低其與地層礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的趨勢(shì)，有利于井壁穩(wěn)定。

濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組油泥巖地層巖石礦物以黏土、石英、方解石、白云石和黃鐵礦為主，黏土礦物含量10%～45%，以伊/蒙混層、伊利石為主，伊/蒙混層比為20%～25%，含少量高嶺石、綠泥石，不含蒙脫石。東營(yíng)凹陷沙河街組地層水的活度最低為0.77，最高為0.99，在分布上具有垂向遞增性。鉆井過(guò)程中高活度的鉆井液濾液與地層接觸時(shí)很容易發(fā)生滲透吸水，從而誘發(fā)井壁失穩(wěn)。利用泥頁(yè)巖水化-力學(xué)耦合模擬試驗(yàn)裝置(SHM儀)測(cè)得勝利油田某井沙三段油泥巖巖心膜效率為0.087，表明沙河街組油泥巖地層存在半透膜，可以通過(guò)調(diào)節(jié)鉆井液的活度來(lái)控制水的運(yùn)移方向。同時(shí)，油泥巖具有紋層狀構(gòu)造，脆性較大，易產(chǎn)生順層裂縫或切層裂縫，使鉆井液濾液的侵入變得更加容易，濾液侵入會(huì)導(dǎo)致伊/蒙混層中的蒙脫石礦物發(fā)生吸水膨脹，從而引發(fā)井壁失穩(wěn)等井下故障[11-12]。

由于油泥巖地層存在半透膜，并且易產(chǎn)生裂縫，因此構(gòu)建鉆井液時(shí)，應(yīng)降低鉆井液的活度，增強(qiáng)其抑制性和封堵性。降低鉆井液的活度，可減緩鉆井液對(duì)地層的滲透水化。選用具有獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異抑制性能的聚胺抑制劑，可利用聚胺分子與層間水分子的層間交換作用降低黏土的水化[13-14]。為了有效封堵油泥巖的微裂縫，采用“全固相粒度優(yōu)化+多元協(xié)同封堵”技術(shù)[15]，添加不同粒徑的超細(xì)碳酸鈣對(duì)鉆井液固相顆粒的粒度分布進(jìn)行優(yōu)化，形成優(yōu)質(zhì)致密的濾餅封堵微米級(jí)孔縫，加入膠乳瀝青、納米乳液和鋁基聚合物，以擠入超細(xì)碳酸鈣架橋之間的孔隙及油泥巖表面的納米級(jí)孔縫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油泥巖納微米級(jí)孔縫的封堵。

1.2　配方優(yōu)選

1.2.1活度調(diào)節(jié)劑加量?jī)?yōu)化

鑒于有機(jī)鹽對(duì)鉆井液性能影響小的特點(diǎn)和鉀離子獨(dú)特的抑制頁(yè)巖水化作用，選擇甲酸鉀作為鉆井液活度調(diào)節(jié)劑。取勝利油田某井沙3段油泥巖巖心用模擬地層水飽和，測(cè)得其活度為0.953，然后配制了不同活度的甲酸鉀溶液，考察了不同活度甲酸鉀溶液抑制油泥巖巖心膨脹的能力，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　油泥巖巖心在不同活度甲酸鉀溶液中的線性膨脹率Fig.1　Linear expansion rates of oil-bearing mudstone core in potassium formate solutions with different activities

由圖1可知，對(duì)于活度為0.953的油泥巖巖心，其膨脹率隨甲酸鉀溶液活度的降低先降低再升高，甲酸鉀溶液最佳活度應(yīng)控制在0.900～0.950。綜合考慮性能、成本等因素，確定甲酸鉀加量為15%。

1.2.2抑制劑優(yōu)選

利用勝利油田油泥巖巖心和巖屑分別進(jìn)行巖心線性膨脹率試驗(yàn)和巖屑回收率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1油泥巖巖心和巖屑在不同抑制劑中的線性膨脹率和回收率

Table1Linearexpansionratesandrecoveryratesofoil-bearingmudstonecoreandcuttingsindifferentinhibitingagents

抑制劑及加量巖心線性膨脹率，%2h16h巖屑回收率，%5631568168620%聚合醇8431748613020%聚合醇+30%氯化鉀5281167907603%強(qiáng)抑制聚合物增黏劑239844382003%乙烯基單體多元共聚物4401201617403%聚丙烯酸鉀5331057735803%生物聚合物3511238251010%聚胺抑制劑3871066963020%鋁基聚合物24487608470

注：滾動(dòng)回收溫度為120 ℃。

由表1可知，巖屑在1.0%聚胺抑制劑中的回收率最高，達(dá)到了96.3%，遠(yuǎn)高于其他抑制劑，巖心在其中的線性膨脹率也較低。因此，確定以聚胺抑制劑為鉆井液的抑制劑，加量為1.0%。

1.2.3封堵劑優(yōu)選

應(yīng)用文獻(xiàn)[15]中的“鉆井液全固相粒度優(yōu)化+多元協(xié)同封堵”技術(shù)優(yōu)選封堵劑。首先根據(jù)理想充填理論，利用暫堵顆粒粒徑優(yōu)化軟件確定超細(xì)碳酸鈣的粒度和配比；再?gòu)?fù)配膠乳瀝青、納米乳液和鋁基聚合物,達(dá)到多元協(xié)同封堵的目的。勝利油田油泥巖的微裂縫的縫寬大多為2～28 μm，因此以D90=20 μm優(yōu)化超細(xì)碳酸鈣的粒度和配比，結(jié)果為：選用800目、1 500目和3 000目的超細(xì)碳酸鈣，配比為3∶1∶6。配制配方為5.0%膨潤(rùn)土漿+0.2%聚丙烯酸鉀+0.5%銨鹽+0.5%低黏羧甲基纖維素鈉鹽的基漿，再將配方為5.0%超細(xì)碳酸鈣+2.0%膠乳瀝青+2.0%納米乳液+0.5%鋁基聚合物的封堵體系加入到基漿中。選用縫寬20 μm的陶瓷盤模擬微裂縫，測(cè)試基漿加入封堵體系前后的濾失量，結(jié)果為基漿加入封堵體系前后的濾失量分別為8.8和4.8 mL。

利用激光粒度儀測(cè)定了基漿加入封堵體系后的粒徑分布，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，基漿中加入封堵體系后的D90=20.30 μm，符合理想充填理論?；鶟{加入封堵體系后的濾失量由加入前的8.8 mL降為4.8 mL，說(shuō)明粒度優(yōu)化后的固相與多元協(xié)同封堵相結(jié)合可以有效封堵微裂縫。

圖2　基漿中加入封堵體系后的粒度分布Fig.2　The particle size distribution of base mud with plugging system

以加入封堵體系的基漿為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化形成了適用于沙河街組油泥巖地層的低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液，配方為：4.0%膨潤(rùn)土漿+1.0%聚胺抑制劑+15.0%甲酸鉀+2.0%聚醚多元醇+1.5%抗高溫防塌降黏降濾失劑+3.0%磺化酚醛樹(shù)脂 +0.5%磺酸鹽共聚物+2.0%膠乳瀝青+2.0%納米乳液+0.5%鋁基聚合物+5.0%多級(jí)配超細(xì)碳酸鈣+3.0%極壓潤(rùn)滑劑+重晶石。

2　性能評(píng)價(jià)

2.1　常規(guī)性能

低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液常規(guī)性能的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，該鉆井液的常規(guī)性能滿足鉆井要求。

表2　低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液的常規(guī)性能Table 2　Conventional performance of plugging drilling fluid system with low-activity and high inhibition properties

注：老化條件為150 ℃下滾動(dòng)16 h；高溫高壓濾失量測(cè)定溫度為150 ℃。

2.2　抑制性能

取沙三段油泥巖巖屑，粉碎后過(guò)120目篩，壓制成巖心柱，在高溫高壓條件下測(cè)定巖心柱在低活度強(qiáng)抑制鉆井液、油基鉆井液、聚磺鉆井液和蒸餾水中的線性膨脹率，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，低活度強(qiáng)抑制鉆井液抑制性能良好，高溫高壓線性膨脹量與油基鉆井液相當(dāng)，遠(yuǎn)低于蒸餾水和聚橫鉆井液。

圖3　油泥巖巖心在不同鉆井液中的線性膨脹率曲線Fig.3　Linear expansion curves of oil-bearing mudstone core in different drilling fluids

將樁129-平10井沙一段油泥巖巖屑放入低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液、清水、油基鉆井液、聚磺鉆井液中進(jìn)行滾動(dòng)回收試驗(yàn)，巖屑的回收率分別為92.36%、34.74%、94.32%和68.59%。由此可知，低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液抑制油泥巖巖屑水化分散的能力與油基鉆井液相差不多，遠(yuǎn)高于清水和聚合物鉆井液。說(shuō)明該鉆井液具有良好的抑制油泥巖水化分散作用，對(duì)保持井壁穩(wěn)定十分有利。

2.3　封堵性能

選取天然硬脆性泥頁(yè)巖巖心，鉆取φ25.0 mm×40 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，然后將巖樣沿縱向劈開(kāi)，沿巖樣縫面縱向的兩側(cè)邊緣墊上不同厚度的錫箔紙，并用AB強(qiáng)力膠將劈開(kāi)的巖樣粘合在一起，制備得到含有一定厚度微裂縫的泥頁(yè)巖巖樣，由于泥頁(yè)巖巖樣基質(zhì)的滲透率極低，因此只考慮微裂縫的滲流能力。根據(jù)微裂縫縫寬計(jì)算公式[16]，計(jì)算出制備泥頁(yè)巖巖樣微裂縫的等效寬度為11.36 μm。將制備好的含有微裂縫的泥頁(yè)巖巖心放入動(dòng)態(tài)濾失儀中進(jìn)行低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液動(dòng)濾失試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，試驗(yàn)初期具有一定的瞬時(shí)濾失量，動(dòng)濾失速率也較高，10 min左右動(dòng)濾失量明顯降低，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，動(dòng)濾失速率越來(lái)越小，60 min以后動(dòng)濾失曲線逐漸趨于平穩(wěn)，表明低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液中的固相顆粒在裂縫內(nèi)形成了有效的堆積充填，減緩了濾液的滲透，表明低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液具有良好的封堵性能。

圖4　低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液微裂縫動(dòng)濾失曲線Fig.4　Dynamic filtration curves of plugging drilling fluid with low-activity and high inhibition properties in micro-fractures

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液在勝利油田、塔里木油田、四川江沙地區(qū)鉆遇大段油泥巖和泥頁(yè)巖的10余口井進(jìn)行了應(yīng)用，均未發(fā)生掉塊和坍塌等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。下面以渤海灣2口大位移水平井為例介紹具體應(yīng)用情況。

渤海灣某油田位于渤海南部海域，目的層主要為明化鎮(zhèn)組和館陶組，為有效動(dòng)用沙河街組低滲透儲(chǔ)層，該油田部署了2口大位移水平井——H1井和H2井。這2口井的目的層位為沙三段，水平位移均在1 700.00 m以上。H1井在沙三段中上部鉆遇褐灰色油泥巖，由于油泥巖脆性大，強(qiáng)度低，微裂縫發(fā)育，掉塊、坍塌等井壁失穩(wěn)問(wèn)題頻發(fā)，處理井壁失穩(wěn)致使鉆井液浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重井塌，只能填井側(cè)鉆。為保證側(cè)鉆井眼順利，添加甲酸鉀、納米乳液和鋁基聚合物，并優(yōu)化暫堵劑粒徑，將鉆井液轉(zhuǎn)化為低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液，其性能為：密度1.60 kg/L，漏斗黏度68 s，塑性黏度44 mPa·s，動(dòng)切力15 Pa，靜切力4/16 Pa，API濾失量2.6 mL，高溫高壓濾失量9.0 mL，pH值 8.5，含砂量0.3%，固相含量23%，黏滯系數(shù)0.061 2，活度0.910 3。

該井側(cè)鉆過(guò)程中，采取了以下鉆井液維護(hù)處理措施：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液的活度，及時(shí)補(bǔ)充甲酸鉀，保持鉆井液活度低于0.92；定期測(cè)定鉆井液的粒度分布，保持鉆井液粒度分布與地層孔喉、微裂隙直徑相匹配；保持各種處理劑的含量達(dá)到要求，并根據(jù)消耗情況及時(shí)補(bǔ)充，嚴(yán)格控制鉆井液性能符合設(shè)計(jì)要求；定向鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)摩阻扭矩變化情況，及時(shí)補(bǔ)充極壓潤(rùn)滑劑。該井側(cè)鉆過(guò)程中鉆井液性能穩(wěn)定，未再發(fā)生掉塊、坍塌等井壁失穩(wěn)問(wèn)題。

H2井也采用了低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液，并采取了相應(yīng)的維護(hù)處理措施,鉆井過(guò)程中未發(fā)生掉塊、坍塌等井壁失穩(wěn)問(wèn)題，順利完鉆。

4　結(jié)論與建議

1) 利用油泥巖和泥頁(yè)巖的半透膜作用，根據(jù)活度平衡原理，通過(guò)優(yōu)化活度調(diào)節(jié)劑加量降低鉆井液的活度，提高其抑制性，并結(jié)合“鉆井液全固相粒度優(yōu)化+多元協(xié)同封堵”技術(shù)提高鉆井液的封堵性，形成了低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液。

2) 室內(nèi)試驗(yàn)表明，低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液的抑制性和封堵性能強(qiáng)，能抑制油泥巖和泥頁(yè)巖的吸水膨脹和水化分散，封堵微裂縫。

3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，應(yīng)用低活度強(qiáng)抑制封堵鉆井液能解決斜井段、水平井段油泥巖和泥頁(yè)巖坍塌、掉塊等井壁失穩(wěn)問(wèn)題。

4) 對(duì)鉆井液活度與井壁穩(wěn)定之間的關(guān)系缺乏明確的認(rèn)識(shí)，建議進(jìn)行深入研究，建立鉆井液活度與地層活度間的定量理論。

References

[1]謝冰.濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究[D].荊州：長(zhǎng)江大學(xué)，2015.

XIE Bing.Research on methods of shale oil formation evaluation in Jiyang Depression[D].Jingzhou:Yangtze University,2015.

[2]韓來(lái)聚.勝利油田鉆井完井技術(shù)新進(jìn)展及發(fā)展建議[J].石油鉆探技術(shù)，2017，45(1)：1-9.

HAN Laiju.The latest progress and suggestions of drilling and completion techniques in the Shengli Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2017,45(1):1-9.

[3]王中華.國(guó)內(nèi)鉆井液處理劑研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆探技術(shù)，2016，44(3)：1-8.

WANG Zhonghua.Present status and trends in research and development of drilling fluid additives in China[J].Petroleum Drilling Techniques,2016,44(3):1-8.

[4]張志財(cái)，趙懷珍，慈國(guó)良，等.樁129-1 HF大位移井鉆井液技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(6)：34-39.

ZHANG Zhicai,ZHAO Huaizhen,CI Guoliang,et al.Drilling fluid in Zhuang 129-1HF extended reach well drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(6):34-39.

[5]黃維安，牛曉，沈青云，等.塔河油田深側(cè)鉆井防塌鉆井液技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2016,44(2)：51-57.

HUANG Weian,NIU Xiao,SHEN Qingyun,et al.Anti-sloughing drilling fluid technology for deep sidetracking wells in the Tahe Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2016,44(2):51-57.

[6]馬超，趙林，宋元森.聚鋁胺鹽防塌鉆井液研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：55-60.

MA Chao,ZHAO Lin,SONG Yuansen.Research and application of anti-sloughing drilling fluid of poly aluminum-amine salt[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(1):55-60.

[7]丁銳，李健鷹.活度與半透膜對(duì)頁(yè)巖水化的影響[J].鉆井液與完井液，1994，11(3)：23-28.

DING Rui,LI Jianying.The effect of water activity and semipermeable membrane on shale hydration[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,1994,11(3):23-28.

[8]劉敬平，孫金聲.鉆井液活度對(duì)川滇頁(yè)巖氣地層水化膨脹與分散的影響[J].鉆井液與完井液，2016，33(2)：31-35.

LIU Jingping,SUN Jinsheng.Effects of drilling fluid activity on hydration and dispersion of formation rocks in shale gas drilling in Chuan-Dian Area[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2016,33(2):31-35.

[9]溫航，陳勉，金衍，等.鉆井液活度對(duì)硬脆性頁(yè)巖破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油鉆采工藝，2014，36(1)：57-60.

WEN Hang,CHEN Mian,JIN Yan,et al.Experimental research on brittle shale failure caused by drilling fluid activity[J].Oil Drilling & Production Technology,2014,36(1):57-60.

[10]王萍，屈展，黃海.地層水礦化度對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖蠕變規(guī)律影響的試驗(yàn)研究[J].石油鉆探技術(shù)，2015，43(5)：63-68.

WANG Ping,QU Zhan,HUANG Hai.Experimental study of the effect of formation water salinity on creep laws of the hard brittle shale[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(5):63-68.

[11]萬(wàn)緒新.渤南區(qū)塊頁(yè)巖油地層油基鉆井液技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(6)：44-50.

WAN Xuxin.Oil-based drilling fluid applied in drilling shale oil reservoirs in Bonan Block[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(6):44-50.

[12]石秉忠，胡旭輝，高書陽(yáng)，等.硬脆性泥頁(yè)巖微裂縫封堵可視化模擬試驗(yàn)與評(píng)價(jià)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(3)：32-37.

SHI Bingzhong,HU Xuhui,GAO Shuyang,et al.Visualization sealing simulation test and evaluation of hard brittle shale microfracture[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(3):32-37.

[13]鐘漢毅，黃維安，林永學(xué)，等.新型聚胺頁(yè)巖抑制劑性能評(píng)價(jià)[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(6)：44-48.

ZHONG Hanyi,HUANG Weian,LIN Yongxue,et al.Properties evaluation of a novel polyamine shale inhibitor[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):44-48.

[14]鐘漢毅，黃維安，邱正松，等.聚胺與甲酸鹽抑制性對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[J].斷塊油氣田，2012，19(4)：508-512.

ZHONG Hanyi,HUANG Weian,QIU Zhengsong,et al.Experimental study of inhibition comparison between polyamine and formates[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2012,19(4):508-512.

[15]于雷，張敬輝，劉寶鋒，等.微裂縫發(fā)育泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2017，45(3)：27-31.

YU Lei,ZHANG Jinghui,LIU Baofeng,et al.Study and application of borehole stabilization technology in shale strata containing micro-fractures[J].Petroleum Drilling Techniques,2017,45(3):27-31.

[16]楊決算，侯杰.泥頁(yè)巖微裂縫模擬新方法及封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[J].鉆井液與完井液，2017，34(1)：45-49.

YANG Juesuan,HOU Jie.A new method of simulation micro fractures in shale and plugging evaluation experiment[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2017,34(1):45-49.