渝东南地区页岩气钻井泥浆优化技术

谭秀华 熊 鑫 曾强渗

(重庆矿产资源开发有限公司， 重庆 401123)

1 概况

我国南方上扬子地区广泛发育富有机质海相页岩，页岩气勘探潜力巨大[1-3]。渝东南地区在构造上属四川盆地东南缘扬子准地台(Ⅰ1)上扬子台内坳陷(Ⅱ2)渝东南凹陷褶皱带(Ⅲ3)。页岩气勘探主要目的层为上奥陶统五峰组 — 下志留统龙马溪组，其上覆地层主要为志留系新滩组、小河坝组、韩家店组、水车坪组、梁山组、栖霞组、茅口组等地层。根据区域地质评价和实钻资料显示，龙马溪 — 五峰组在该区沉积厚度约400～500 m，底部发育黑色碳质泥页岩，厚度约80～100 m。为探索该区域上奥陶统五峰组 — 下志留统龙马溪组下部页岩气层段的含气性，共部署实施了ZY1、ZY3、ZY5等多口页岩气井，并在ZY3、ZY5进行了有机胺复配甲基葡萄糖甙的新型钻井液试验。

2 泥浆优化思路

目前页岩气钻井过程中，直井和水平井主要采用钾基钻井液和油基钻井液防止泥页岩地层垮塌。钾基钻井液通过调整K+含量改变泥浆性能，从而抑制泥页岩的水化膨胀，但由于其对测井曲线有影响且实际防膨防塌效果有限而受到一定制约。油基钻井液防塌效果极佳，但成本高，且自身具一定毒性，在环保要求较高的地方使用受到一定制约。

导致泥页岩井壁失稳的原因错综复杂，一般可归结为两方面因素：地层力学因素和物理化学因素。泥浆密度过低会导致泥浆液柱压力难以支撑力学性质不稳定的地层；而泥浆液柱压力高于地层孔隙压力，可能驱使泥浆进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应，使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，导致泥页岩强度降低，造成井壁失稳破坏。引起井壁破坏的原因主要包括三大类：(1) 泥浆的浸入使泥页岩含水量增加，密度下降，沿井眼周围产生微裂缝，导致泥页岩强度降低；(2) 井眼周围压应力过高产生微裂缝，裂纹变深加宽引起井壁坍塌和井眼扩大；(3) 在水敏性泥页岩中，稳定作用取决于颗粒表面之间的氢键(由泥页岩颗粒表面的硅醇形成)。当水溶液削弱了泥页岩颗粒之间的结合力时，强度降低，黏土的膨胀力便成为泥页岩分散的主要因素，因此控制泥浆中的自由水渗入泥页岩是井壁稳定的关键措施；此外，地层裂缝和微裂缝发育可增大黏土与水的接触面积，加剧泥页岩的水化裂解。

为了更好地解决井壁失稳难题，减少井下安全风险，保障钻完井施工及测井作业安全顺利，结合渝东南地区多口页岩气井的实钻数据以及区域地质特征、泥页岩的物理化学特性，主要从防止泥页岩渗透水化着手优化钻井液。结合前人的研究成果[4-6]，研究优选出可有效降低井壁失稳风险的有机胺复配甲基葡萄糖甙新型钻井液。

3 新型钻井液抑制机理和性能评价

3.1 新型钻井液抑制机理分析

有机胺是通过基团分析及多途径设计、合成制备而成的。有机胺抑制剂是在聚醚分子链中引入胺基基团，具有非离子和阳离子表面活性剂的双重特征。这种分子结构独特，可充填在黏土层间，并把黏土束缚在一起，有效降低黏土水化膨胀；胺分子通过金属阳离子吸附在黏土表面，或者是在离子交换中取代金属阳离子形成对黏土的束缚，从而抑制页岩膨胀。含胺优质水基钻井液是近年来提出的符合现代钻井要求的高性能水基钻井液，这种钻井液具备油基钻井液优异的抑制性，并能够防止钻头泥包，是页岩气井钻探的优选处理剂。

甲基葡萄糖甙分子结构上既有亲油的甲基也有亲水的羟基。甲基葡萄糖甙的抑制机理为其所携带的羟基对页岩具有强烈的吸附作用，而分子结构上的甲基是亲油基，使吸附了甲基葡萄糖甙的页岩具有半透膜的特征。当加量达到一定数量后，其形成的半透膜允许水分子通过，而其他离子则受到阻碍，最终实现钻井液和地层之间的活度平衡，控制钻井液和地层水的运移，从而达到抑制页岩水化、保持井壁稳定的目的[7-8]。

有机胺和甲基葡萄糖甙均具有优良的抑制泥页岩水化能力。甲基葡萄糖甙除具有强抑制性外，在降低泥浆润滑系数方面也有不错的表现。将甲基葡萄糖甙作为抑制剂使用，加量较大、成本较高，因此在钻井液中主要将其作为润滑剂使用。

3.2 新型钻井液性能评价

结合已钻井钻井液配方，对钻井液进行了优化。优化后的有机胺复配甲基葡萄糖甙(MEG)钻井液配方为：7%膨润土+ 3%SPNH + 0.5%(LV-PAC)+ 0.5%(NH-1)+3% MEG + 2%(SDJ-2)+2%(FT-342)+3%(QS-2)+0.3%(HV-CMC)。

取ZY5井2 184 — 2 272 m井段岩心(龙马溪组、五峰组泥页岩)对有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液进行抑制性评价，并将评价结果与基浆、ZY1井钻井液进行对比(基浆配方：清水+5%膨润土+0.3%纯碱+0.3%(HV-CMC))，结果见表1。

从表1看出：当使用基浆进行实验时，其滚动回收率为35.30%，膨胀率为23.42%；当使用ZY1钻井液进行实验时，其滚动回收率为86.42%，膨胀率为17.87%；而使用有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液时，其滚动回收率为97.60%，膨胀率为10.13%。实验数据表明，有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液的抑制性得到了大幅提高。

表1 抑制性对比评价表 %

另外，有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液也具有较好的润滑性。表2是甲基葡萄糖甙在配方中的质量分数与钻井液润滑系数的对应关系。

表2 MEG质量分数与钻井液润滑系数的对应关系

表2表明，随着有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液体系中的甲基葡萄糖甙加量增加，钻井液体系润滑性增加。当甲基葡萄糖甙加量达到7%时，润滑系数Ep达到0.157 4，显示了优良的润滑性能。

4 现场应用工艺及效果评价

4.1 ZY3井现场应用工艺

ZY3井是位于渝东南凹陷黔江凹陷褶皱带构造的1口页岩气预探井。本井在1 700 — 2 150 m泥页岩井段使用有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液钻进。钻井液优化步骤主要有4步。(1) 加入降失水材料，满足泥浆API滤失量小于等于4.0 mL，防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块。加入的降失水材料为3%抗温抗盐降滤失剂SPNH和0.5%聚阴离子纤维素 LV-PAC。(2) 加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度。加入的泥浆抑制剂为0.5%聚胺抑制剂NH-1和3%甲基葡萄糖甙。(3) 加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定。加入的封堵防塌剂为1%纳米级乳化石蜡SDJ-2、2%磺化沥青粉FT-342和2%超细碳酸钙QS-2。(4) 提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全。加入的配药为7%预水化膨润土浆和0.3%高黏 HV-CMC。

运用该钻井液，本井在钻进过程中未出现井壁失稳等井下复杂情况。在1 700 — 2150 m井段井径扩大率控制在6.0%，较泥浆性能未改进之前的井径扩大率(20%～28%)下降了70%，并显示出较好的区域适应性和可移植性。

4.2 ZY5井现场应用工艺

ZY5井也是渝东南凹陷黔江凹陷褶皱带构造的一口页岩气预探井。本井在1 800 — 2 280 m泥页岩井段使用有机胺加甲基葡萄糖甙钻井液钻进。钻井液优化步骤有4步。(1) 加入降失水材料，满足泥浆API滤失量小于等于4.0 mL，防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块。加入的降失水材料为5%抗温抗盐降滤失剂SPNH和0.8%聚阴离子纤维素LV-PAC。(2) 加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度。加入的泥浆抑制剂为0.8%聚胺抑制剂NH-1和5%甲基葡萄糖甙MEG。(3) 加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定。加入的封堵防塌剂为2%纳米级乳化石蜡SDJ-2，3%磺化沥青粉FT-342和3%超细碳酸钙QS-2。(4) 提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全。加入的配药为8%预水化膨润土浆和0.5%高黏HV-CMC。

应用该钻井液，本井在钻进过程中未出现井壁失稳等井下复杂情况，在1 800 — 2 280 m井段井径扩大率控制在5.8%，较泥浆性能未改进之前的井径扩大率(20.0%～28.0%)下降了72%，并显示出较好的区域适应性和可移植性。

ZY3井、ZY5井与ZY1井电测井径对比如图1所示。其中，ZY1井使用钻井液为钾基钻井液。

图1 ZY3井、ZY5井与ZY1井电测井径对比图

从图1可以看出，未使用有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液的ZY1井井径扩大率达到20.0%～28.0%，而使用有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液的ZY3井井径扩大率为6.0%，ZY5井井径扩大率为5.8%，显示了有机胺复配甲基葡萄糖甙钻井液优良的稳定井壁能力。

5 结 语

(1) 有机胺加甲基葡萄糖甙钻井液在渝东南地区页岩气钻井过程中能有效抑制泥页岩水化膨胀，有效控制井壁垮塌，保障井下作业安全，具有较好的区域适应性，可以推广使用。

(2) 虽然有机胺加甲基葡萄糖甙钻井液在页岩气直井中应用非常成功，但是要成功应用于页岩气水平井还需进一步试验。

[1] 张金川,徐波,聂海宽,等.中国页岩气资源勘探潜力[J].天然气工业,2008,28(6):136-140.

[2] 张大伟.加速我国页岩气资源调查和勘探开发战略构想[J].石油与天然气地质,2010,31(2):135-139.

[3] 荆铁亚,杨光,林拓,等.中国中上元古界页岩气地质特征及有利区预测[J].特种油气藏,2015,22(6):5-9.

[4] 王军义,王在明,王栋.生物聚合物甲基葡萄糖甙钻井液抑制机理[J].石油钻采工艺,2006,28(6):24-26.

[5] 孙德军,王君,王立亚,等.非离子型有机胺提高钻井液抑制性的室内研究[J].钻井液与完井液,2009,26(5):7-9.

[6] 魏君,王卫军,肖志海,等.有机胺类页岩抑制剂的合成及评价[J].应用化工,2014(12):2165-2167.

[7] 刘艳，张琰．适用于大斜度井及水平井钻进的MEG钻井液研究[J]．地质与勘探，2005，41(1)：93-96．

[8] 张克勤，方慧，刘颖,等．国外水基钻井液半透膜的研究概述[J]．钻井液与完井液，2003，20(6)：1-3.