王麗君

中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010

蘇里格區(qū)塊石盒子組與山西組發(fā)育有硬脆性泥巖，該類泥巖具有楊氏模量大、坍塌壓力小的特點(diǎn)。由于長期開采，地層處于虧空狀態(tài)，難以依靠提升鉆井液密度來維持井壁穩(wěn)定［1-4］。為提高致密砂巖儲層的開采效率，蘇里格地區(qū)逐年提高水平井的數(shù)量。水平井在造斜段及水平段鉆遇硬脆性泥巖極易發(fā)生井壁失穩(wěn)問題，通常需要反復(fù)劃眼，嚴(yán)重時(shí)甚至需要填井側(cè)鉆［5-8］。井壁失穩(wěn)問題是制約蘇里格區(qū)塊水平井鉆井效率的首要因素，通過提高井底壓力維持井壁穩(wěn)定不適用于處于虧空狀態(tài)的蘇里格區(qū)塊［9-10］。因此，通過研究該區(qū)塊井壁失穩(wěn)機(jī)制，優(yōu)選適用于硬脆性泥巖的微納米封堵劑、抑制劑，優(yōu)化鉆井液性能，進(jìn)而改善井壁穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品及儀器

納米聚合物MAT，長城鉆探工程有限公司盤錦石油化學(xué)公司；磺甲基酚醛樹脂SMP-Ⅱ、聚胺、低黏度聚陰離子纖維素PAC-LV，山東得順源石油科技有限公司；胺基硅醇、聚合醇，湖北漢科新技術(shù)有限公司。

X 線衍射儀，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；掃描電鏡，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；HTP-2A 型高溫高壓膨脹儀，青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司；YE-300 型液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，北京中儀友信科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 井壁失穩(wěn)機(jī)制分析

首先，通過X 線衍射儀進(jìn)行XRD 衍射實(shí)驗(yàn)，分析蘇里格區(qū)塊石盒子組和山西組泥巖礦物成分以及黏土礦物成分，從礦物成分分析蘇里格區(qū)塊泥巖膨脹性。然后，采用高溫高壓膨脹儀分別測試石盒子組泥巖、山西組泥巖以及膨潤土在100 ℃、3.5 MPa 條件下的高溫高壓膨脹性，分析蘇里格區(qū)塊石盒子組和山西組泥巖高溫高壓膨脹性能。最后，將巖樣浸泡在水中一定時(shí)間，通過掃描電鏡觀察泥巖微裂縫隨時(shí)間浸泡的變化情況，分析蘇里格區(qū)塊石盒子組和山西組泥巖的井壁失穩(wěn)機(jī)制。

1.2.2 壓力傳遞實(shí)驗(yàn)

壓力傳遞實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由溫度傳遞與控制系統(tǒng)、高溫高壓釜體、流體循環(huán)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。將巖心裝置在高溫高壓釜體內(nèi)，通過壓力控制系統(tǒng)在泥巖巖心兩端建立壓差，巖心上游為實(shí)驗(yàn)流體，壓力為4.2 MPa，巖心下游為4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl 模擬地層水，壓力為0.7 MPa。在100 ℃、3.5 MPa壓差條件下驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流體，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測巖心下游壓力變化。

圖1 壓力傳遞實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.3 內(nèi)聚力表征實(shí)驗(yàn)

通過YE-300 型液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測試未經(jīng)浸泡巖心的抗壓強(qiáng)度，然后將同一塊巖樣上的巖心在不同抑制劑的1%溶液中浸泡24 h，再測試巖心的抗壓強(qiáng)度。因?yàn)榭箟簭?qiáng)度會有不同程度的減弱，而巖心抗壓強(qiáng)度減弱程度越低，該抑制劑的抑制性能越強(qiáng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 井壁失穩(wěn)機(jī)制

2.1.1 泥巖物性分析

石盒子組與山西組泥巖的礦物成分及黏土礦物成分如表1～2 所示。由表1～2 可知：石盒子組和山西組易塌泥巖以石英石和黏土礦物為主，且黏土礦物均以伊利石和伊-蒙混層為主，基本上不含水化膨脹性能較高的蒙皂石。石盒子組泥巖伊利石含量高于伊-蒙混層，山西組泥巖伊-蒙混層含量高于伊利石，兩個(gè)地層的伊-蒙混層中伊利石層占主要部分。從石盒子組和山西組的泥巖物性分析可以判斷，石盒子組和山西組易塌泥巖水化膨脹性能不高。

表1 石盒子組與山西組泥巖礦物成分分析

表2 石盒子組與山西組泥巖黏土礦物成分分析

2.1.2 高溫高壓膨脹性能分析

考察石盒子組與山西組泥巖的高溫高壓膨脹性能，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知：石盒子組泥巖高溫高壓膨脹率約為10%，山西組泥巖高溫高壓膨脹率約為15%，而膨潤土的高溫高壓膨脹率高達(dá)48%。由此可見，蘇里格地區(qū)石盒子組泥巖與山西組泥巖在高溫高壓條件下具有一定的膨脹性，但膨脹性能不高。

圖2 石盒子組與山西組泥巖的高溫高壓膨脹性能

2.1.3 微裂縫隨浸泡時(shí)間變化情況

考察浸泡時(shí)間對泥巖微裂縫的影響，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知：隨著浸泡時(shí)間延長，巖樣表面裂縫越來越多，且逐漸延長增寬。這說明鉆井液濾液可以沿著泥巖微裂縫、微孔隙侵入地層，但是沿著裂縫侵入的阻力小，侵入量更大，裂縫面的水化膨脹程度大于泥巖其他部位。這主要是因?yàn)榕蛎洸痪沟门蛎泬簱伍_裂縫，且逐漸加劇，最終導(dǎo)致泥巖沿著裂縫面剝落掉塊。

圖3 泥巖微裂縫隨浸泡時(shí)間的變化

2.2 鉆井液技術(shù)對策

雖然蘇里格區(qū)塊石盒子組與山西組泥巖水化膨脹率不高，但是微裂縫發(fā)育會造成水相侵入泥巖導(dǎo)致膨脹不均，形成的膨脹壓撐開裂縫，最終導(dǎo)致泥巖剝落掉塊。因此，蘇里格地區(qū)防塌重點(diǎn)主要有兩方面：1）增強(qiáng)鉆井液的微納米封堵能力，由于硬脆性泥巖層理發(fā)育，孔縫屬于微納米級別，提高鉆井液的微納米封堵性能可以從源頭上減少水相侵入；2）提高鉆井液濾液的抑制性能，優(yōu)選小分子或鹽類抑制劑，確保抑制劑能夠隨濾液進(jìn)入微裂縫，進(jìn)而降低裂縫面的水化膨脹程度，提高井壁穩(wěn)定性能。

2.2.1 微納米封堵劑優(yōu)選

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選一種納米微球MAT，其粒徑分布如圖4 所示。由圖4 可知：MAT 粒徑分布在0.1～0.3 μm，其粒徑中值（D50）為0.175 μm。而硬脆性泥巖的微裂縫尺寸一般為10～100 μm［10］，可見，MAT 可以進(jìn)入微裂縫中填充封堵，以減少濾液的侵入以及壓力傳遞作用。

圖4 納米微球MAT的粒徑分布

通過壓力傳遞實(shí)驗(yàn)評價(jià)納米微球MAT 的封堵性能，具體實(shí)驗(yàn)體系有2 個(gè)，其一是2%膨潤土+1%SMP-Ⅱ（磺甲基酚醛樹脂）；其二是2%膨潤土+1%MAT（納米微球），結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知：使用SMP-Ⅱ號液體后巖心下游壓力上升了約1.9 MPa，而使用MAT 液體后巖心下游壓力上升了約1.1 MPa。由此可見，與常規(guī)封堵劑SMP-Ⅱ相比，納米微球MAT 對泥巖具有較好的封堵效果，可以大幅度降低濾液在泥巖中的壓力傳遞效果。

2.2.2 抑制劑優(yōu)選

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選一種抑制劑胺基硅醇，考察它對泥巖表面親水性能的影響，結(jié)果見圖6。由圖6 可知：經(jīng)胺基硅醇水溶液浸泡晾干后，泥巖的表面呈疏水性，可以降低泥巖的水化膨脹效果。這是因?yàn)樵撘种苿┰趥鹘y(tǒng)胺基抑制劑的基礎(chǔ)上引入了硅羥基，硅羥基可以吸附在泥巖表面改變泥巖表面的親水性能。

圖6 水在未經(jīng)處理和經(jīng)胺基硅醇處理泥巖表面的潤濕狀態(tài)

改善硬脆性泥巖抑制性能的重點(diǎn)在提高巖石強(qiáng)度，避免其失穩(wěn)掉塊。因此，通過巖石內(nèi)聚力表征實(shí)驗(yàn)評價(jià)胺基硅醇的效果，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知：在不同抑制劑水溶液浸泡后的泥巖中，胺基硅醇水溶液對泥巖的強(qiáng)度破壞最小，說明胺基硅醇具有較強(qiáng)的抑制性能。

圖7 泥巖巖心在不同抑制劑水溶液中浸泡后的強(qiáng)度變化

2.2.3 鉆井液配方

通過以上封堵劑和抑制劑兩種關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選，室內(nèi)構(gòu)建了一套適用于蘇里格區(qū)塊的納米封堵高效抑制鉆井液體系，具體配方為清水+0.3%NaOH+0.5%PAC-LV+1%MAT（納米微球）+1%胺基硅醇+2%SMP-Ⅱ+2%磺化瀝青+3%KCl，用NaCl調(diào)節(jié)密度至1.2 g/cm3。

按照配方配制鉆井液并在100 ℃條件下熱滾16 h，通過壓力傳遞實(shí)驗(yàn)與內(nèi)聚力表征實(shí)驗(yàn)評價(jià)該體系的封堵性能和抑制性能，并對該體系的流變性和濾失性能進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果見表3。由表3 可知：該體系具有較好的流變性和抑制性，對泥巖具有較好的抑制性能和封堵性能。

表3 鉆井液綜合性能評價(jià)

2.2.4 現(xiàn)場應(yīng)用

將納米封堵鉆井液體系在長城鉆探蘇里格氣田分公司蘇53-X井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。蘇53-X井井深4 705 m，水平段長為1 200 m，目的層為山西組，水平段砂巖鉆遇率為77.42%，該井完井周期為51.65 d。2022 年蘇53 區(qū)塊施工的水平井平均砂巖鉆遇率為86.66%，平均完井周期為74.95 d。納米封堵高效抑制鉆井液體系在蘇53-X 井進(jìn)行應(yīng)用，泥巖鉆遇率高于平均值，而完井周期遠(yuǎn)低于平均值，說明該鉆井液體系對于該區(qū)塊泥巖具有較好的防塌效果。

3 結(jié)論

1） 蘇里格區(qū)塊石盒子組與山西組泥巖水化膨脹性雖然不高，但是濾液會沿著微裂縫侵入泥巖內(nèi)部，裂縫面的膨脹程度高于其他部位；膨脹不均產(chǎn)生的膨脹壓撐開裂縫，造成巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致石盒子組與山西組鉆井過程中極易發(fā)生井壁失穩(wěn)。

2） 納米微球MAT 能夠有效封堵泥巖的微裂縫，減緩濾液的壓力傳遞作用，避免因壓力傳遞中井筒與井壁之間的壓差降低而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

3） 胺基硅醇能夠降低泥巖表面的親水性能，在傳統(tǒng)聚胺抑制劑的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)了抑制性能，能夠有效抑制泥巖的水化膨脹，減少因鉆井液浸泡導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低的程度。

4） 室內(nèi)構(gòu)建的納米封堵高效抑制水基鉆井液體系具有較好的流變性、濾失性、封堵性、抑制性等性能，在蘇53-X井取得成功應(yīng)用。