页岩地层井筒稳定性的化学和力学研究

王泽华

（大庆钻探钻井液技术服务项目经理部，黑龙江 大庆 163411）

1 概述

全球约75%的钻探地层为页岩地层，对水基泥浆具有高度敏感性。这些地层粘土含量高，存在相关的井眼不稳定性问题。当富含粘土的岩石遇水时，开始起反应成松散状态。不同类型粘土的反应程度、机理和结果不同。由于不同区域的页岩具有不同的粘土矿物学性质，因此当遇水时，每个页岩带的反应通常不同。

除了膨胀和分散之外，钻遇页岩地层时，造成井眼不稳定性的另一个原因是井眼周围应力的干扰。井眼周围的应力可分解为三个主要应力：垂直应力、最小水平应力和最大水平应力。这些应力的改变取决于几个因素，如钻井液的静水压力、膨胀和水化压力以及用于支撑井壁的过平衡压力。由于页岩基质的低渗透性和高毛细吸力，当在超平衡压力下钻遇页岩时，会出现一种称为泥浆压力渗透的现象。少量流体渗透到井眼中，使孔隙流体压力增加，引起井眼不稳定性。

为了解页岩钻井液与水基钻井泥浆接触时的相互作用机制，必须从形态学和矿物学角度对页岩进行表征。页岩钻井液相互作用的评估对于减轻由于页岩反应性和敏感性引起的井眼不稳定性问题至关重要。行业中有不同的标准和非标准实验方法可用于评估页岩反应性，并提前预测潜在问题。因此，抑制机制可用于抑制页岩—水的相互作用，并减少与活性页岩地层相关的非生产时间。

2 粘土类型

粘土主要有五类：高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石和绿泥石，前三类与钻井活动最相关。粘土结构由含有原子平面的薄片组成。这些薄片是四面体或八面体。高岭石结构的排列方式为：一个四面体片之后是一个八面体片，比例为1∶1。对于其他类型的粘土，每个八面体片以1∶2 的比例夹在两个四面体片之间。粘土为中性，即阴离子数等于阳离子数，以避免与水或水基泥浆发生任何相互作用。相反地，夹层材料如单个阳离子或水合阳离子将起到中和粘土的作用。粘土结构的变化是控制每种粘土类型在遇水时对水化过程反应的因素之一。除石英和其他矿物外，每个页岩样品都含有一定比例的一种或多种粘土。因此，页岩样品的矿物学性质决定了其遇水时的反应。例如，砂岩的渗透率在达西至毫达西范围内，而粘土的渗透率在微达西或纳米达西范围内。

Frenkel和Levy（1992）进行了一项研究，测试高岭石、伊利石和蒙脱石的分散趋势。粘土堆积成柱状，钻井液在粘土中循环。含有阴离子的钻井液在破坏和分散水相中的粘土方面起着积极作用。监测流出物中每种粘土类型的饱和度。随着饱和度的增加，粘土有更高的分散趋势。结果表明，高岭石分散性最高，其次是伊利石，而蒙脱石分散性不高。

3 页岩钻井问题

使用非抑制性钻井液钻探页岩地层通常会导致井眼不稳定问题，如井眼坍塌、缩径。这些问题主要是由于页岩钻井液相互作用引起的，如遇水膨胀或分散。例如，当页岩膨胀时，井眼直径变小，可能导致缩径，进而可能出现卡钻问题。

膨胀是粘土颗粒由于水化而膨胀。粘土由铝硅酸盐薄片组成。带负电荷的离子集中在页岩表面，而带正电荷的离子则集中在边缘。由于负电荷浓度高，将发生阳离子交换，其中正电荷离子吸附在表面上。由于粘土带负电，因此需要层间阳离子来中和粘土，发生阳离子交换反应。这导致各层之间的间距增加，进而引起粘土膨胀。渗透膨胀是由于页岩流体和钻井液的盐度差异造成的。对于低盐度钻井液，水倾向于移动并扩散到高盐度页岩中，从而使页岩颗粒水合。水的吸收还产生了具有排斥势的双电层，导致粘土基质膨胀。

3.1 页岩试验方法

应从岩芯、钻屑或露头中获取具有代表性的页岩样品。页岩样品应首先通过描述层理和沉积结构、颜色和现有裂缝来表征，应使用X射线衍射、薄片法和扫描电子显微镜等不同技术进行进一步表征。此外，应使用阳离子交换容量和水活度试验评估页岩反应性。之后，应采用一系列使用不同钻井液的测试方法来评估页岩—泥浆相互作用。

3.2 溶胀试验

本试验的目的是测量页岩样品暴露于钻井液后的膨胀趋势。在向测试仪储层填充待测钻井液后，可将特定尺寸的天然或露头页岩样品或重组页岩颗粒放入线性溶胀测试仪中。当页岩颗粒与钻井液接触时，开始膨胀。通过测量样品体积的增大或样品的线性膨胀来估量溶胀。最终溶胀百分比的高值表明钻井液对溶胀的抑制性较差。

3.3 分散试验

该测试测量页岩样品遇钻井液后的分散趋势。通过在热轧槽中用待测钻井液轧制预定量的特定大小的页岩岩屑来进行。在150°F下将热轧槽热轧16h后，在筛上回收页岩岩屑，在105°C 下在烘箱中洗涤和干燥24h。然后，对样品进行称重，以确定岩屑回收率。由于大量岩屑不分散，岩屑回收率的高值表明对分散的高抑制性。

3.4 崩解耐久性试验

在本试验中，页岩样品遇水后，测量其分散趋势。崩解耐久性试验类似于分散试验，但在更恶劣的条件下进行。将预定量的特定大小的页岩岩屑放入笼中。笼子里有一个滤网，并浸入待测试的钻井液中。然后，旋转笼子，当岩屑水合时，岩屑分解、分散到钻井液中，并通过滤网过筛。岩屑回收率的高值表明对分散具有良好的抑制作用。

3.5 体硬度试验

本试验的目的是测量遇钻井液后页岩岩屑的硬度。页岩岩屑在150°F 下在钻井液中热轧16h。然后，将其回收并洗涤。体硬度测试仪基本上是一种扭矩装置，用于放置回收的钻屑并通过带孔的板材挤压。高极限扭矩值是硬钻屑的体现，而硬钻屑具有良好的抑制性。

3.6 页岩膜试验

本试验的目的是测量钻井液在牵引页岩孔隙以降低渗透率和提高页岩膜效率方面的性能。通过用盐水饱和页岩样品进行测试，盐水具有与页岩基质流体相同的盐度。在开始试验的饱和阶段之前，将样品密闭在测试单元格中，以模拟地下密闭状态。饱和后，循环钻井液淹没页岩样品底部，产生渗透吸力效应。可以测量出由于水从页岩基质中排出而产生的压降。页岩基质压力的显著降低表明在页岩钻井液界面形成了良好的膜效应。在试验期间，活性差异和孔隙度降低的特征使水从页岩基质中排出，从而提高页岩的机械稳定性。

3.7 机械因素

本节从机械角度探讨页岩与钻井液的相互作用，并将影响页岩地层井筒稳定性的化学和机械因素联系起来。这些因素包括但不限于：含水量和活性、膜效率、阳离子交换容量、粘土含量、矿物成分、泥浆类型和性质、孔隙压力、钻孔周围应力和地质环境。例如，水进入页岩地层会导致孔隙压力增加，岩石强度降低，从而可能导致岩石破裂。

如果岩石—流体相互作用改变了近井筒地应力，并对井壁施加超过岩石强度的应力，岩石开始变形，最终破裂。页岩被视为软岩。即使有抑制性泥浆，由于原地应力的变化，页岩也可能发生压缩破坏。

Mody和Hale研究了泥页岩相互作用的理化性能，提出了一个完整的钻孔稳定性模型。他们认为，水的运动主要由两种机制控制：井筒压力和孔隙压力之间的水压差，以及钻井液和孔隙流体之间的化学势差。根据钻井液活性，水会流入或流出页岩地层，因此，钻孔周围的应力和岩石强度以及孔隙压力都会受到影响。

3.8 水活度影响

与孔隙流体相比，泥浆的水活度或盐度是控制页岩反应性需要考虑的因素之一。对于具有高水活度（即低盐度）的钻井液，水将通过渗透现象从钻井液中被驱入到页岩地层。因此，孔隙压力增加，围压降低，页岩开始膨胀，井筒将不稳定。由于水活性与盐度成反比，提高钻井泥浆的盐度可以提高井筒稳定性。然而，盐度增加到最佳值以上可能会产生不利影响，页岩可能会破裂，从而导致井筒不稳定。这是因为盐度过高会导致孔隙压力显著下降，水从地层流入井筒，导致页岩基质中形成裂缝和裂隙。

有时，为了井壁的机械稳定性，会增加泥浆比重。由于高泥浆比重的影响与时间有关，通常会逐步增加，例如，每一次泥浆比重增加0.5 磅。增加泥浆重量，直到达到能够稳定页岩。当泥浆重量增加以保持恒定泥浆活性时，可显著减小漏失宽度。提高泥浆比重，可以通过降低低于页岩强度的井筒应力来稳定井筒。然而，泥浆重量的过度增加会导致渗透率降低，并可能导致井漏问题。因此，应将泥浆重量优化至最小值，以便在不引起泥浆漏失或造成其他钻井问题的情况下实现井眼稳定性。

3.9 膜效率影响

膜效率可以通过在膜的两侧设置两种具有不同活性的流体的情况下，测量膜上的压力差，然后将其除以膜两侧之间的理论压力差来测量。对于低膜效率，将有更多的离子交换，这将导致页岩的弱化。随着膜效率增加和泥浆水活度的降低，井眼变得更加稳定。这里，井眼稳定性是以漏失宽度来衡量的。例如，对于大于90°的任何漏失宽度，超过一半的井眼会失效。根据经验，当超过一半的井眼失效时，井眼不稳定性被认为是一个主要问题。因此，有必要将漏失宽度保持在90°以下，以实现井眼稳定性。

4 结论

（1）页岩中粘土的类型和百分比会影响其在流体的化学和水力机械作用下的性能。

（2）每种粘土类型都有自己的结构，当暴露在水中时表现不同。因此，应对页岩进行综合表征和测试，以开发具有所需性能的抑制性钻井液。

（3）页岩钻井液相互作用的力学因素对页岩的井眼稳定性起着主要作用。研究机械因素对于避免任何稳定性问题至关重要。