摘 要

摘　要：在中國(guó)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層長(zhǎng)水平井段鉆進(jìn)中普遍采用油基鉆井完井液，鉆進(jìn)過程中時(shí)常發(fā)生井壁垮塌和漏失，不得不頻繁處理井下事故，導(dǎo)致頁(yè)巖段鉆井速度慢，浸泡時(shí)間長(zhǎng)，引發(fā)嚴(yán)重的儲(chǔ)層損

摘　要：在中國(guó)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層長(zhǎng)水平井段鉆進(jìn)中普遍采用油基鉆井完井液，鉆進(jìn)過程中時(shí)常發(fā)生井壁垮塌和漏失，不得不頻繁處理井下事故，導(dǎo)致頁(yè)巖段鉆井速度慢，浸泡時(shí)間長(zhǎng)，引發(fā)嚴(yán)重的儲(chǔ)層損害問題。為了探究油基鉆井完井液對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的損害機(jī)理及防治策略，以四川盆地志留系龍馬溪組和寒武系牛蹄塘組頁(yè)巖為研究對(duì)象，開展了頁(yè)巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)、油基鉆井完井液靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系列實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，油基鉆井完井液濾液對(duì)裂縫巖樣的損害率為63.5％～99.9％，體系動(dòng)態(tài)損害率為49.0％～87.2％，綜合損害程度為中等——強(qiáng)。結(jié)論認(rèn)為：固相侵入、油相圈閉損害、堿敏損害、流  固耦合強(qiáng)化的應(yīng)力敏感損害是主要的損害方式；及時(shí)高效封堵裂縫、降低濾失量、控制合理的pH值和正壓差，并與井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合既是強(qiáng)化頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的技術(shù)對(duì)策，也是提高油基鉆井完井液保護(hù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層能力的重要途徑。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖  裂縫(巖石)  巖樣  油基  鉆井完井液  儲(chǔ)集層損害  保護(hù)措施

Damage evaluation of oil-based drill-in fluids to shale reservoirs

Abstract：Currently，oil-based drill-in fluids have been widely used in China to prevent the frequent collapse and leakage of well borehole during long lateral horizontal drilling targeting organic-rich shale reservoirs．However，wellbore instability still happens frequently during drilling process．When such complicated downhole drilling accidents are dealt with，drilling speeds and trips will beslowed down and the reservoir rocks will be soaked for a long time，resulting in significantly serious formation damage．Therefore，this paper aims to explore the damage mechanism of oil-based drill in fluids to shale reservoirs and to acquire prevention strategies．Collecting gas shale cores from the Silurian Longmaxi and Cambrian Niutitang Fins in the Sichuan Basin，we made an evaluation analysis of shale formation sensitivity and conducted experiments of oil based drill in fluids’static and dynamic damage to shale formations．Results showed that the static damage rate ranged from 63.5 to 99.9％，while the system dynamic damage rate from 49.0 to 87.2％，which means a moderate to strong damage as a whole．It was considered that major damage factors include solid phase intrusion，alkali sensitivity damage，oil phase trapping damage，and stress sensitivity damage enhanced by fluid solid interaction．On this basis，we presented that combining efficient fracture plugging，pH value optimizing，filtration volume and positive pressure differential control with an optimal well traj ectory design can not only strengthen the shale wellbore stability，but provide an effective way to mitigate the formation damage of oil based drill in fluids．

Keywords：shale，fracture(rock)，core，oil-based drill-in fluids，reservoir damage，reservoir protection measure

與水基鉆井液相比，油基鉆井液在抑制頁(yè)巖水化膨脹，潤(rùn)滑防卡，維持井壁穩(wěn)定以及快速鉆進(jìn)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已成為鉆探高溫深井、海上鉆井、大斜度定向井、水平井、各種復(fù)雜井段和保護(hù)儲(chǔ)層的重要手段^[1-2]。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣資源勘探開發(fā)的持續(xù)升溫，針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的地質(zhì)特征和水平井井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，油基鉆井完井液以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為水平井段鉆進(jìn)的首選鉆井完井液體系^[3-6]。但從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果來(lái)看，頁(yè)巖層段的井塌井漏現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重^[5-7]。井漏、井壁失穩(wěn)等問題通常會(huì)嚴(yán)重?fù)p害近井地帶儲(chǔ)層，后期的壓裂改造還可能將侵入的固相和液相推向儲(chǔ)層深部，造成大范圍的不可恢復(fù)損害^[8-9]。已有研究認(rèn)為，對(duì)于致密儲(chǔ)層，水基工作液的損害以水相圈閉、固相侵入、黏土礦物水化膨脹、應(yīng)力敏感等方式為主^[10-16]。關(guān)于油基鉆井完井液對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的保護(hù)能力，目前仍缺乏深入系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)。筆者以四川盆地志留系龍馬溪組和寒武系牛蹄塘組頁(yè)巖為對(duì)象，開展了頁(yè)巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)、油基鉆井完井液靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系列實(shí)驗(yàn)，力求通過實(shí)驗(yàn)分析，探索潛在的損害因素與機(jī)理，提出針對(duì)性的儲(chǔ)層保護(hù)措施。

1　巖樣及實(shí)驗(yàn)方法

1．1　樣品選取

實(shí)驗(yàn)巖樣為四川盆地龍馬溪組和牛蹄塘組頁(yè)巖，基礎(chǔ)物性參數(shù)見表l。該2組地層均是古生代海相沉積形成的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，后期經(jīng)歷了大幅度的構(gòu)造抬升和強(qiáng)烈的地質(zhì)改造作用^[3]。地層硬脆性特征明顯，微裂縫發(fā)育，常見于石英、長(zhǎng)石等骨架顆粒間以及云母片中。裂縫面溶蝕作用明顯，常見黏土礦物呈片狀、絮狀充填以及方解石充填。

 

鑒于評(píng)價(jià)裂縫巖樣的實(shí)際意義更大，實(shí)驗(yàn)均采用平行于巖樣軸向的單條人工裂縫巖樣。實(shí)驗(yàn)所用油基鉆井完井液取自四川某頁(yè)巖氣井，實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得其塑性黏度為l36mPa·s，表觀黏度為88mPa·s，pH值為ll.5，與地層水不互溶。

1．2　頁(yè)巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)方法

根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層典型特征，按照《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》(SY／T 5358—2010)要求的實(shí)驗(yàn)方法，開展速敏、水敏、堿敏和應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。

1．3　鉆井完井液對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的損害評(píng)價(jià)

1．3．1靜態(tài)損害實(shí)驗(yàn)方法

靜態(tài)損害實(shí)驗(yàn)的濾液為TGl6-WS高速離心機(jī)將原漿在6000r／rain下離心分離固相并過濾后得到。實(shí)驗(yàn)通過巖樣在濾液損害前(Kf1)與損害后(Kf2)的克氏滲透率變化，評(píng)價(jià)損害程度，具體實(shí)驗(yàn)步驟請(qǐng)參閱本文參考文獻(xiàn)[8]。

1．3．2動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)方法

動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)采用油基鉆井完井液原漿，實(shí)驗(yàn)儀器為MFC-Ⅰ型多功能損害評(píng)價(jià)儀，在模擬地層條件(圍壓為7MPa，工作壓差為3.5MPa，溫度為70℃、剪切速率為150s^-1)對(duì)巖樣進(jìn)行損害，測(cè)量損害前后地層水滲透率Kw和Kwi，根據(jù)返排恢復(fù)率(Kwi／Kw)和動(dòng)態(tài)損害率(1-Kwi／Kw)評(píng)價(jià)損害程度。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．1　儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果

龍馬溪組頁(yè)巖的流體儲(chǔ)層敏感性為中等偏強(qiáng)強(qiáng)，其中堿敏臨界pH值儀為7，損害率可達(dá)90％(表2)。儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.48～0.62，應(yīng)力敏感程度為中等。

 

2．2　鉆井完井液對(duì)儲(chǔ)層的損害評(píng)價(jià)結(jié)果

2．2．1靜態(tài)損害實(shí)驗(yàn)

油基鉆井完井液濾液對(duì)巖樣的損害率介于63.5％～99.9％(表3)，損害程度為中等偏強(qiáng)——強(qiáng)。損害前后同一壓力點(diǎn)下巖樣的氣測(cè)滲透率普遍降低且超過了60％(圖1)。在縫寬相近時(shí)，損害程度與返排壓差存在一定的相關(guān)性，返排差壓低，損害率也相對(duì)較低；反之，損害率相對(duì)更高。

 

 

2．2．2動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)損害后，巖樣返排恢復(fù)率普遍小于50％，平均損害率為49.0％～87.2％，損害程度中等——強(qiáng)。切除侵入端(1cm)再進(jìn)行返排測(cè)試，損害率總體有所降低(表4)。損害程度主要受固相顆粒與縫寬匹配關(guān)系及固相侵入嚴(yán)重程度的影響，詳見后面“討論”一節(jié)。

 

3　討論

3．1　油基鉆井完井液損害機(jī)理分析

頁(yè)巖儲(chǔ)層的水平段鉆井普遍存在井漏等井壁失穩(wěn)問題(表5)，并由此引發(fā)嚴(yán)重的儲(chǔ)層損害問題。分析認(rèn)為油基鉆井完井液對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的損害方式主要包括固相侵入、油相圈閉損害、堿敏和應(yīng)力敏感損害。此外，體系巾的聚合物殘?jiān)陀H油膠體的吸附滯留現(xiàn)象也能造成一定的儲(chǔ)層損害。

 

3．1．1固相侵入

馬爾文激光粒度儀測(cè)得實(shí)驗(yàn)所用油基鉆井完井液的粒度分布為：D10為l.593mm、D50為l2.573mm、D90為33.760mm，其中粒徑小于l0mm和介于10～30mm的固相顆粒含量分別約占40％和50％。該體系對(duì)縫寬小于50mm的裂縫具有一定的封堵效果，表現(xiàn)為巖樣損害率相對(duì)較低，并且切除侵入端后，損害率能進(jìn)一步下降。對(duì)于縫寬大于80mm的巖樣，顆粒直徑與縫寬的匹配關(guān)系差，有效固相顆粒含量不足，無(wú)法在裂縫端面形成有效的暫堵層^[17]，在正壓差作用下，外來(lái)固相極易侵入裂縫深處，即使切除侵入段，損害率也無(wú)明顯降低。此外，由于體系中含有大量親油性質(zhì)的有機(jī)土，以及表面吸附有瀝青質(zhì)或油膜的固相顆粒，相比于水基鉆井完井液，侵入固相更難以返排^[18]。這也是動(dòng)態(tài)損害率較高的原因之一。

3．1．2油相圈閉損害

水相圈閉是制約致密砂巖氣井產(chǎn)能的重要因素，毛細(xì)管自吸和液相滯留則是產(chǎn)生水相圈閉的主要原因^[19]。與致密砂巖儲(chǔ)層相比，貞巖儲(chǔ)層具有更為發(fā)育的微裂縫系統(tǒng)，更高的毛細(xì)管力。并且由于頁(yè)巖富含有機(jī)質(zhì)等性質(zhì)，巖石也具有明顯親油性質(zhì)(表6)。多種因素的共同作用，使得頁(yè)巖對(duì)油相具有顯著的自吸及滯留作用^[20-22]。油基鉆井完井液濾液的自吸實(shí)驗(yàn)表明，干巖樣的自吸飽和度為38％～48％(圖2)。油相飽和度大幅度增加，大量濾液吸附滯留在孔道之中而難以返排，勢(shì)必導(dǎo)致氣相滲透率降低，產(chǎn)生油相圈閉損害。

 

 

3．1．3堿敏

敏感性實(shí)驗(yàn)表明頁(yè)巖具有強(qiáng)堿敏(表2)，堿液浸泡實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了堿液與巖石礦物間的強(qiáng)烈作用(圖3)。堿液浸泡前，巖樣宏觀和微觀上的孔隙結(jié)構(gòu)均保存完整，表面整潔；但浸泡后，巖心薄片上的微裂縫明顯擴(kuò)展，見乳白色溶蝕物質(zhì)充填；SEM圖像顯示孔隙結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞，見大量溶蝕微粒堵塞原有孔隙。實(shí)驗(yàn)巖樣富含堿敏礦物(表1)，當(dāng)高pH值的油基鉆井完井液濾液侵入裂縫后，大量的溶蝕微粒以及氫氧根與某些二價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合生成不溶物，勢(shì)必堵塞滲流通道，降低裂縫滲透率^[12]。

 

3．1．4應(yīng)力敏感

頁(yè)巖儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育，本身已具有一定應(yīng)力敏感性，流體損害對(duì)其還有進(jìn)一步的強(qiáng)化作用^[12-13]。油基鉆井完井液濾液損害后，裂縫壁面支撐顆粒強(qiáng)度降低，油相的潤(rùn)滑作用也會(huì)減小微凸體間錯(cuò)動(dòng)變形的摩擦阻力，在有效應(yīng)力作用下，裂縫更容易被壓實(shí)，從而加劇應(yīng)力敏感。

3．2　儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)對(duì)策

3．2．1提高裂縫封堵能力

根據(jù)上述分析可知，提升油基鉆井完井液儲(chǔ)層保護(hù)能力的關(guān)鍵在于控制同相侵入和液相濾失，因而必須強(qiáng)化其對(duì)裂縫的封堵能力。實(shí)現(xiàn)高效封堵，首先在于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)層裂縫寬度。鉆井過程中，裂縫寬度通常處在動(dòng)態(tài)變化之中，只有在室內(nèi)巖心觀測(cè)獲取裂縫參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮油基鉆井完井液浸泡和井筒壓力波動(dòng)等因素，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其變化范圍^[23]，并以此優(yōu)選剛性封堵和塑性變形材料體系。其次，注重提高封堵層的艤向承壓能力^[24]。封堵層的雙向承壓能力是克服井筒壓力波動(dòng)，保持其穩(wěn)定、持久封堵能力的關(guān)鍵。威遠(yuǎn)地區(qū)威201-H3井，在充分獲取地層裂縫參數(shù)的基礎(chǔ)上，著重優(yōu)化了油基鉆井完井液的暫堵性等性能，相比于威201-H1井，有效緩解了頁(yè)巖層段的井壁失穩(wěn)問題^[5]。

3．2．2控制合理的pH值

頁(yè)巖儲(chǔ)層水平段井壁失穩(wěn)通常發(fā)生在鉆井完井液浸泡3～5d后。液相大量濾失侵入儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)，高pH值濾液與頁(yè)巖的相互作用，導(dǎo)致巖石的弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低是失穩(wěn)的主要原因^[25]。勝利油田T2Y、T3W和T3L井鉆井過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)，經(jīng)分析鉆井液高pH值是誘發(fā)井壁失穩(wěn)的主要原因之一。通過降低pH值、控制濾失量等措施對(duì)鉆井液進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于鄰井T3ZV和T3ZS的鉆井作業(yè)，穩(wěn)定井壁效果良好^[26]。

3．2．3優(yōu)化井眼軌跡及鉆井液密度

威遠(yuǎn)地區(qū)威201-H1井鉆遇龍馬溪組出現(xiàn)井壁垮塌，為了保證鉆進(jìn)，油基鉆井完井液密度逐漸被提至1.85g／cm³以上。然而，這不但未能解決垮塌問題，還誘發(fā)了嚴(yán)重井漏。探究原因，頁(yè)巖儲(chǔ)層水平段的井壁失穩(wěn)主要是應(yīng)力失穩(wěn)和層理、裂縫失穩(wěn)共同作用的結(jié)果。一旦發(fā)生應(yīng)力失穩(wěn)，現(xiàn)場(chǎng)通常是通過增加鉆井完井液密度來(lái)應(yīng)對(duì)。但過高的正壓差常導(dǎo)致連通井筒裂縫的縫寬增加，當(dāng)裂縫寬度超過鉆井液的封堵能力時(shí)，就會(huì)誘發(fā)層理、裂縫失穩(wěn)，甚至是壓破地層，造成嚴(yán)重井漏。因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層的鉆井工程設(shè)計(jì)需注重井眼軌跡優(yōu)化，改善井周應(yīng)力狀態(tài)，從源頭上預(yù)防應(yīng)力失穩(wěn)。即使發(fā)生應(yīng)力失穩(wěn)，也應(yīng)選擇合理的鉆井液密度進(jìn)行控制，避免后續(xù)措施導(dǎo)致井壁應(yīng)力狀況惡化，造成又塌又漏的局面。

4　結(jié)論

1)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層敏感性損害為中等強(qiáng)，油基鉆井完井液濾液對(duì)裂縫巖樣的損害率為63.5％～99.9％，體系動(dòng)態(tài)損害率為49.0％～87.2％，綜合損害程度均為中等——強(qiáng)。

2)固相侵入、油相圈閉損害、堿敏損害、流  固耦合強(qiáng)化的應(yīng)力敏感損害是油基鉆井完井液主要的損害方式。

3)優(yōu)化油基鉆井完井液的屏蔽暫堵性能，降低濾失量、控制合理pH值和正壓差等，并與井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，既是強(qiáng)化頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的技術(shù)對(duì)策，也是提高油基鉆井完井液保護(hù)頁(yè)巖氣層能力的重要途徑。

 

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本文作者：康毅力  楊斌  游利軍  陳強(qiáng)  俞楊烽

作者單位：“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)