关于页岩气井井壁失稳机理及其油基钻井液技术探究

南旭（中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，辽宁 盘锦124000）

0 引言

页岩气是一种位于泥页岩中，以吸附或自由状态存在的天然气，页岩气的特点是：岩石致密、渗透率低、吸附气含量低、孔隙中的自由气含量高。同时天然气作为一种清洁无污染的能源，其需求量不断增加，但由于我国的天然气油井的存储量少，大部分需要进口。为了缓解这一矛盾压力，我国早在2012 年明确提出推进页岩气的开发，推进天然气的开发进程。与常规油井开采相比，页岩气的开发难度大，一方面由于页岩容易水化膨胀，微裂缝发育，另外一方面，页岩气开采的井型复杂，对于钻井液的润滑性和防塌封堵的性能要求更高，因此本文结合具体的开采问题对油基钻井液进行分析介绍。

1 页岩气井井壁失稳机理分析

目前，我国的页岩气开发主要集中在四川盆地区域。在页岩气开采过程中，遇到的最关键的问题是井壁的失稳导致坍塌。因此需要对页岩气井壁失稳导致坍塌的机理进行分析，进而为钻井液的开发提供思路。页岩气井壁失稳坍塌最初研究集中在页岩水化造成的井壁失稳性，后来随着油基钻井液的开发应用，页岩井壁坍塌的机理研究转移到微观结构和岩层构造，认为微裂缝、层理弱面、层理渗透是导致井壁失稳坍塌的主要因素。

1.1 页岩微观结构

通过页岩微观结构的分析，可以分析粘土矿物晶体的定向排列、胶结结构以及微裂缝的发育情况。目前，采取环境扫描电镜可以有效观察岩石内部微裂缝等微结构。从岩层的特性力学角度分析，微裂缝的存在会大大降低岩层结构的致密性和整体性，使得岩层的整体物理结构性能受到破坏，力学强度降低。岩层中的微裂缝存在一方面会诱发水力劈裂作用，导致井壁岩层结构破碎，另外一方面由于钻井液的侵入，会加剧钻井液物质与地层岩层结构的相互作用，降低岩层井壁的稳定性，促使井壁失稳。

表1：封堵性油基钻井液性能

1.2 岩层抗压强度特性

根据相关的岩层应力-应变数据，龙马溪页岩本身具有较好的抗压强度，如果未与钻井液进行接触，其破坏呈现弹-脆性特性，在钻井过程中，钻头会导致岩层结构的破坏，此时会在井壁周边区域中产生大面积的微裂缝，这些微裂缝与钻井液相互作用，在后续的长期作用下，可能会诱发更大岩块的脱落。

因此，在页岩气开采过程中，无论采取何种钻井液，均会造成岩层自身结构的破坏，使得整体的力学强度性能受到影响，容易使得井壁产生失稳的趋向。因此，选择钻井液时应该充分考虑此种情况，选择的钻井液应该具有较好的岩层封堵能力，最大限度地降低岩层中的微裂缝形成，同时避免裂缝深入到地层中。一般而言，页岩气岩层结构中含有较多的油润湿性较好的有机层，油基钻井液可能会导致部分有机质发生溶解，造成流失。使得岩层结构出现软化，削弱稳定性。因此，选择钻井液时需要充分考虑此种影响。

2 页岩气油基钻井液技术研究

油基钻井液由于连续相是油，本身具有良好的润滑性，可以满足钻井过程中对于润滑性的要求，同时因油基钻井液不会造成岩层出现水化作用，有较好的抑制作用，充分保证岩层结构稳定性。目前，北美国家使用的钻井液多数采取油基钻井液。近几年来，中国石化和中国石油加大了对油基钻井液的应用研究，并成功在四川的涪陵、威远-长宁等地区采取白油基、柴油基钻井液进行页岩井开采应用，钻井过程中的井壁状态稳定，且岩屑的返出顺利，很少出现钻井液导致的复杂事故情况，取得较好的现场应用效果。油基钻井液的研究主要围绕乳化剂、流变调节剂、封堵材料进行。

乳化剂是保证油基钻井液体系稳定性的关键，目前国内采取的乳化剂多为脂肪酸、脂肪酸皂等表面活性剂，该类物质一般同时存在亲水基团和亲油基团，亲油基团分布在油相中，一般亲水基团含有负电荷，与水相中的钙离子相互结合。但正是由于亲水基团含有负电荷，在界面上进行排列时受到同种电荷排斥的作用，难以形成致密层，不利于油水界面层的强度提升，对于钻井液的切力提升也有阻碍，具体表现为乳化稳定程度不高。为此对乳化剂进行了改进，设计分子中含有多个吸附基团，通过化学键将吸附基团链接到乳化剂分子上，这样发挥作用时，通过化学键的作用，避免出现亲水基团的相互排斥情况，改善界面结构。

流变调节剂主要改善钻井液的流变性能，使得一定钻井速度和剪切速率条件下，钻井液高分子结构能够保持一定的粘度，有效发挥润滑效果。通过加入流变调节剂，可以提升钻井液的切力、结构力和动塑比。

有机膨润土是钻井液的基本组成成分，主要用于提升粘度、降低滤失量。因此专门用于钻井液的膨润土体系较少，近年来很多单位针对钻井液体系开发研究了特殊膨润土体系，利用钠膨润土与季铵盐表面活性剂进行充分吸附，使得这种膨润土在柴油和白油体系中能够充分分散和发挥增粘效果。

3 页岩气油基钻井液技术应用案例分析

3.1 油基钻井液的配置

将循环罐、配浆罐及储备罐清洗干净后，在配浆罐中放入大约罐体容积2/3的白油，依次加入乳化剂、纳米材料、氧化钙、润湿剂、封堵材料，加完后，循环剪切时间不低于30min，在搅拌、循环的条件下，将配好的浓度为20%～30%的氯化钙水溶液加入到上述充分搅拌、循环的含有处理剂的基础油中，加完后，充分搅拌、循环60min以上。

3.2 钻井液的应用分析

表1 为油基钻井液在三口不同水平井段的应用情况，具体的使用效果如下：

(1)良好的封堵性和滤失量

在页岩气开采过程中，容易出现井壁失稳复杂地下情况，上述3个水平井段采用的强封堵油基钻井液体系的抑制性好、封堵能力强，另外润滑性能优异。在整个钻井过程中，顺利钻进无坍塌情况出现。

(2)良好的稳定性

通过乳化剂的改进应用，可以保证破乳电压在600V以上，钻进过程中通过振动筛返出岩屑的状况来调整钻井液的润湿性。

(3)良好的页岩力学保持率

通过现场的数据，采取配方油基钻井液进行钻进时，三个标段岩层的力学变化率分别为83%、89%、85%。能够避免水岩相互作用导致页岩强度降低造成井壁失稳。

4 结语

文章主要结合油基钻井液的应用进行分析介绍，通过本文数据可以看出油基钻井液具有较好的应用效果。