硅酸盐体系钻井液在页岩气探查井中的应用研究

陈 兵, 张 峰, 徐海洋, 马小平, 张桂芳

((湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

硅酸盐体系钻井液在页岩气探查井中的应用研究

陈 兵, 张 峰, 徐海洋, 马小平, 张桂芳

((湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

页岩气地质勘探中主要工作对象为泥页岩,在地质探查井钻进过程中,局部软弱孔段经常出现缩径、垮塌、埋钻等现象。针对湖北地区页岩气勘探主要地层情况,分析硅酸盐体系钻井液的作用机理,通过大量的室内试验,优选出适合页岩气勘探井硅酸盐体系钻井液的泥浆配方;在泥页岩的钻井施工中验证硅酸盐泥浆具有护壁、防塌效果和优良的抑制性。

页岩气勘查;泥页岩;硅酸盐体系钻井液;泥浆配方

中国地质调查局提出,在“十三五”期间地质工作要加大“页岩气、非常规气”的勘探,保障国家能源安全。2014年以来,湖北省地质局第八地质大队开展页岩气调查评价地质井的钻探工作,已完成12口页岩气资料(调查)井钻探施工。在泥页岩地层钻进施工中,常发生缩径、坍塌问题,导致孔径扩大率增大,极易发生孔内事故,既造成经济损失,也影响了勘探工作的质量和进度。笔者以鄂西北钻探技术中心为平台,分析湖北地区泥页岩地层岩性特征,试验优选出适合泥页岩地层钻进的硅酸盐泥浆配方。在茅地1井进行现场试验,验证硅酸盐泥浆优良的护壁、防塌效果,通过物探测井证明硅酸盐体系泥浆对泥页岩优良的抑制性能。

1 研究背景

1.1 湖北省页岩气调查区块地层特点

湖北省内富含页岩气的地层主要有寒武系牛蹄塘组、震旦系陡山沱组、志留系下统龙马溪组和二叠系上统大隆组、龙潭组页岩。寒武系牛蹄塘组泥页岩及震旦系陡山沱组页岩,各地厚度分布不均;下志留统龙马溪组为一套黑色含碳硅质岩及含碳粘土质页岩、粘土质粉砂岩;大隆组为一套黑色薄层含碳硅质页岩及炭质页岩,龙潭组主要为炭质页岩夹煤层[1]。

泥页岩地层岩石中粘土矿物含量、脆性矿物含量及岩石力学性能、矿物成分均有较大的差异,泥页岩受构造、水力活动等影响,极易形成可塑状软弱夹层,在部分页岩中存在粉状的炭质页岩夹层。此类地层在钻进时极易塌孔、缩径而造成孔内事故,在目前已施工的钻井中大隆组、龙马溪组、陡山沱组泥页岩中均存在此类情况。

1.2 页岩气调查(资料)井施工中钻井液存在的问题

地质部门所用水基钙处理泥浆、钾基泥浆、乳化沥青泥浆主要使用粘土粉为固相添加不同的处理剂配置而成,对泥页岩的抑制能力差,防塌效果达不到要求,常造成孔内事故。固相含量高、泥皮过厚对储层保护不利,影响评价效果。必须根据页岩气调查(资料)井施工的特点和泥页岩的固有特性,研制新型钻井冲洗液。

1.3 硅酸盐体系水基泥浆

20世纪80年代以来硅酸盐聚合物钻井液率先在油气钻井中逐渐得到应用,可以单独使用也可以混合使用,对未胶结的泥页岩地层也有良好的护壁、防塌效果,成本较低,易于配制,其性能及特点能满足页岩气地质探查井的要求。

2 硅酸盐钻井液的防塌机理

2.1 硅酸盐粒度分布的影响

浓度为7%的硅酸盐平均粒度最小,分布范围最狭窄,最容易进入泥页岩较小的孔隙内部,从而能够通过吸附、嵌入粘土颗粒之间,在粘土表面形成致密层,阻止水分子进入,延缓粘土水化,达到抑制泥页岩分散的作用。加入适量NaCl和KCl可以显著降低硅酸盐的粒度,从而增强其进入孔隙或裂隙内部有效封堵的几率。由于K+具有良好的抑制性,采用K盐具有良好的抑制能力,现场采用K盐和硅酸盐复配效果更好[2](表1)。

表1 硅酸盐粒度分布的影响

2.1.1 pH值对硅酸盐粒度的影响

由于硅酸盐是弱酸强碱型盐,硅酸盐溶胶对pH值是非常敏感的,当溶液的碱性较低时,非常容易发生水解,水解产物容易形成凝胶,起到增稠作用,而生成凝胶的多少与土粒径存在直接的联系。当pH值<6.0时,随着pH值的降低,粒度分布范围逐渐变宽,粒度逐渐变得不均匀,平均粒度增大;当pH值=6时,硅酸盐基本呈凝胶状态,粒度非常大。由于地层流体一般呈弱酸或中性,只要能保证现场使用pH值>11.0,硅酸盐溶液就能保持较好的分散度[3]。

2.1.2 模数的影响

模数为2.8～3.2的硅酸盐分布范围最窄、粒径最均匀、防塌效果最好,流变性能易于控制。

2.2 硅酸盐钻井液水活度分析

活度控制是“化学反渗透”防塌作用机理的关键因素之一,当钻井液的水活度低于地层水活度时,水活度诱导的化学渗透压可部分抵消井下压差引起的孔隙压力传递和滤液侵入作用,甚至使地层水反向流入钻井内,起到防塌的效果[4](表2)。

表2 硅酸盐钻井液水活度

2.3 粘度对硅酸盐的吸附作用分析

硅酸盐在粘土表面的吸附属化学吸附,可增强粘土的稳定性。同时在井壁上的强烈化学吸附,有效地减少孔隙半径,显著降低液滤的渗入量,从而有效降低泥页岩的水化膨胀[5]。

2.4 硅酸盐钻井液阻缓压力传递机理

未钻开地层之前,泥页岩与地层流体在地层环境下处于一种平衡状态。当钻开地层后,钻井液与泥页岩接触破坏了这种平衡,水分子和溶质在钻井液和泥页岩之间发生传递作用影响了泥页岩与流体之间的相互作用。如水分子进入泥页岩,会引起泥页岩水化,产生水化应力,从而导致泥页岩膨胀和张性失稳。页岩中水活度越小,潜在水化应力越大,因此要减少泥页岩的水化,避免水化应力对井壁稳定性的不利影响,就应尽可能减小水分子从钻井液向泥页岩的传递[6]。

3 硅酸盐钻井液技术要求

3.1 基本要求

从硅酸盐钻井液作用机理可分析出,钻井液中所用硅酸盐的模数选用2.8～3.2,浓度3%～7%,钻井液pH值>11。

3.2 性能要求

页岩气地质调查井目前井深设计1 000～1 500 m,目的层采取率不低于85%。为保证效率和取芯质量均采用绳索取芯钻进工艺,绳索取芯钻进工艺满足泥浆性能的基本要求。

3.2.1 固相含量

金刚石绳索取芯钻探工艺需要较高的转速,为防止绳索钻杆内结泥皮,必须选用无固相或低固相钻井液,泥浆中固相含量<4%。

3.2.2 性能参数设定

金刚石绳索取芯钻进孔壁间隙小,在合理的冲洗液量的情况下,泥浆粘度较高时施工泵压较高,泥浆粘度太低时泥浆的携带岩粉能力和减震的效果就会降低。根据施工经验泥浆粘度选择25～35 s,为降低启动泵压预防压裂地层,泥浆必须具备较好的触变性(表3)。

较低的失水量可减少泥浆中自由水对地层的侵蚀,过低则成本过高,设定泥浆的失水量≤8 mL/30 min。

表3 硅酸盐钻井液性能表

4 室内试验

4.1 泥浆添加剂对泥浆性能的影响

从2014年11月2日开始至2016年5月底,共进行泥浆测试300余次,试验用添加剂有20余种,采取的岩石标本有兴地1井、秭地1井、远地1井、龙会山的泥页岩岩样。经过一年多时间,先后进行了粗分散泥浆、低固相泥浆、无固相泥浆、硅酸钠泥浆的配方研究和性能测试。

硅酸盐必须与其他材料一起构成硅酸钠泥浆方能应用。为了配制较优硅酸钠泥浆,笔者在试验室进行了多达200次硅酸钠泥浆配方试验,对添加剂进行了筛选,优化了配方。

4.2 膨胀量及膨胀率试验

采用NP-01膨胀量仪,首先将粉碎烘干后一定数量的岩样压实成圆饼,再在泥浆中浸泡24 h,仪器会自动显示其膨胀率和膨胀量。笔者先后对四个不同地区采集的岩样进行过测试,2015年5月—2016年1月,经过200余次的实验,通过测试样品在泥浆中的膨胀量和膨胀率,对比各种配方泥浆对岩样的抑制性,优选出3个最优的处理剂及配方(表4)。

4.3 泥浆浸泡实验

采用1号、2号、3号配方,进行了4次泥页岩的无压浸泡试验、11次黄土的无压浸泡试验,两次黄土膨胀量的对比试验。

表4 优选泥浆配方

4.3.1 岩样浸泡实验

采用“兴地1井“泥岩岩样,岩心直径49 mm,在空气中已放置近一年(2014年该孔段施工时发生严重孔内事故)。从外表看比较松散,用清水洗净后,轻轻地用手掰成两截,可以看到仅仅在用水清洗岩心表面的短时间里,清水已经浸入内部约10 mm。碎岩心投入清水10 min后,岩块已水化成泥状。将另外两块小岩块投入普通低固相泥浆中,在24 h后水化。

试块A长41 mm,投入1号配方的泥浆中。试块B长54 mm,投入2号配方的泥浆中。试块C长50 mm,投入3号配方的泥浆中。

投入试块后,泥浆开始冒泡,3 min后泥浆停止冒泡,10 min后将岩心捞出,样本没有破碎迹象。继续浸泡24 h后,A、B试块无任何水化或破碎现象,C试块表面部分水化。在空气中暴露15日后样本变得较为坚硬,已经无法从样本中剥离出小块。

从这个试验中可以得出1、2号配方对泥页岩有明显抑制垮塌的作用,硅酸钠泥浆中的硅酸盐粒子进入岩样内,胶结了松散的岩样。

4.3.2 老黄土浸泡实验

利用胀量仪测定黄土在清水与硅酸钠泥浆中的膨胀率/量对比,试样选用襄阳地区汉江二级阶地普通黄土,具有一定的湿陷性。

首先将试样切成细块,取土样8 g,不烘干,在不同的泥浆中测量膨胀率/量。土样在清水中4 h取出时变软;1、2号配方泥浆中20 min后的膨胀率为-0.01,一直保持到16 h,土样仍有一定的强度;3号泥浆的浸泡体已有部分水化变稀。实验表明1、2号硅酸钠泥浆对老黄土有很好的抑制性,具有阻止老黄土水化的效果。在强水敏性地层中1、2号配方效果优于3号,试样在经过硅酸钠泥浆浸泡以后,表面颜色由黄色转为灰白色,表面覆盖了一层硅酸钠泥浆薄膜,19 d后将样本劈开,发现样本内有黑色胶结物。

实验表明:①1号、2号硅酸盐泥浆对强水敏性岩样具有很强的抑制性,由于硅酸盐的渗入和离子置换作用,增加了岩样的强度。②随着泥浆中处理剂颗粒和离子的变化,泥浆性能参数产生了变化(表5)。

通过理论分析及室内试验证明,硅酸盐泥浆对湖北地区泥页岩具有较好地抑制其水化和膨胀、坍塌的性能。1、2号配方对强水敏性地层具有很好的抑制性,还可以增强土体的强度;1、2、3号配方泥浆对破碎、胶结较差的地层都具有一定的护壁效果,其中1号配方作用最好;3号配方泥浆具有优良的触变性,深孔施工可减小压力激动,预防压裂地层;随着处理剂的消耗必须随时检测泥浆的性能,补充泥浆处理剂,以稳定泥浆的性能。

表5 泥浆配方浸泡实验参数表

4.4 野外实验

4.4.1 实验钻井

选择湖北省建始县矛田区—长阳县贺家坪镇页岩气资源调查评价中的茅地1井,其地层属扬子地层区上扬子地层分区,地层出露较全、连续,从元古代、古生代到中生代皆有不同程度分布,其中大部分地区出露上古生界—中生界三叠系下统嘉陵江组地层。本项目地质调查工作主要围绕上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组和中—上二叠统孤峰组—大隆组等两套富有机质泥页岩层系开展,同时兼顾下寒武统牛蹄塘组、下震旦统陡山组。本次实验目标主要针对龙马溪组黑色、灰黑色页岩、炭质页岩以及泥质灰岩。

4.4.2 施工情况

施工钻井采用Φ76 mm绳索取芯施工工艺,0～820 m地层较完整,采用普通无固相泥浆钻进。2016年8月15日钻井施工至820 m时,目的层位出现可塑状夹层(照片1),主要为软塑状粘土夹岩石碎屑,施工时出现钻具下不到位、加不下余尺的现象,经研究决定采用2号配方硅酸盐泥浆进行施工作业,从8月17日换用泥浆施工,至8月23日井深达到937.35 m,钻井结束。试验井段施工顺利,施工过程中未再发生垮塌、卡钻、缩径现象,试验泥浆性能基本满足了要求。

照片1 可塑状岩芯照片Photo 1 Plastic shape of Core

实验井段泥浆性能见(表6)。

表6 现场试验泥浆配方及性能一览表

4.4.3 孔径测试情况

图1选取了一个钻头全寿命施工孔段的测井数据变化情况(821.5～880.5 m),从821.5 m孔段下入的76 mm金刚石绳索取芯钻具,钻头直径75.5 mm,扩孔器直径76 mm,881 m提钻。从图中测井数据可以看出井径的变化情况:①随着钻头、扩孔器的磨损,钻孔口径逐步变小,从821.5 m处7.798 cm到880 m处的7.503 cm;②显示硅酸盐泥浆具有显著的抑制缩径和护壁作用,在软弱地层中最大孔段钻孔直径为822 m左右孔段的7.864 cm,井径扩大率仅为3.47%,满足页岩气地质资料井井径扩大率<15%的要求;③现场未配备泥浆除泥设备,随着泥浆使用时间的延长,泥浆中有害固相增加,泥皮厚度也逐步增大,878.75 m以后孔段钻孔直径<7.6 cm,最小处仅为7.455 cm,孔径的减小与泥皮厚度相关(881 m换钻头后76 mm扩孔器可以正常下入)。

5 结语

通过理论分析、室内及野外现场试验证明,硅酸盐体系泥浆对湖北地区泥页岩的水化和膨胀性质,具有较好的抑制性,具有良好的护壁、防塌效果,能够满足生产需要,达到了试验目的 。但是在施工中发现,使用硅酸盐体系泥浆后,钻机的负荷明显变大,这表明泥浆的润滑性能较差,需要进一步调整泥浆的配方,增强泥浆的润滑性,完善泥浆性能。

图1 试验孔段物探测井数据Fig.1 Geophysical logging data of test hole section

[1] 陈科.湖北省页岩气形成富集条件与资源潜力[J].页岩气动态,2014(21):30-31.

[2] 周凤翔.强抑制性硅酸盐钻井液体系研究及其在大港油田的应用[R].天津:大港油田集团有限责任公司,2008.

[3] 郭健康,鄢捷年.硅酸盐钻井液体系的研究与应用[J].石油钻采工艺,2003,5(5):28-29.

[4] 王波,付饶,赵胜英.国内外硅酸盐钻井液研究应用现状[J].断块油气田,2005,5(3):74-75.

[5] 康少伟.硅酸盐钻井液体系研究与应用[D].大庆:东北石油大学,2010.

[6] 周凤翔.强抑制性硅酸盐钻井液体系研究及其在大港油田的应用[R].天津:大港油田集团有限责任公司,2008.

(责任编辑：陈文宝)

Application Research of Silicate Drilling Fluid on Shale Exploration Well

CHEN Bing, ZHANG Feng, XU Haiyang, MA Xiaoping, ZHANG Guifang

(EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

The main object is shale in geological exploration of shale gas.In the geological exploration drilling process,the local weak hole section often appear hole shrinkage and collapse and burying drilling.In view of the main formation of shale gas exploration in Hubei area,the authors analyse effect mechanics of silicate drilling fluid,select mud formula suitable for shale gas exploration wells of silicate drilling fluid through laboratory tests.Wall protection effect and anti sloughing effectiveness are verified in the drilling.The good inhibition performance of silicate mud on shale is verified by well logging data.

shale gas exploration; shale; silicate drilling fluid; mud formulation

2016-08-29;改回日期:2016-10-07

陈兵(1970-),男,高级工程师,探矿工程专业,从事岩芯钻探技术研究工作。E-mail:497821599@qq.com

TE254.3

A

1671-1211(2016)06-0983-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.035

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161025.1438.012.html 数字出版日期:2016-10-25 14:38