页岩气调查井复杂地层有机硅聚合物钻井液体系的研制与应用

张统得, 樊腊生, 刘伟, 蒋炳, 邓伟, 陆俊泽

(1.中国地质科学院探矿工艺研究所, 成都 611734; 2.中国地质调查局成都地质调查中心, 成都 610081)

随着20世纪90年代美国页岩气革命的开始,逐渐使美国由天然气进口国转变为出口大国,并深刻影响了世界能源格局。而中国作为现今除了北美之外的最大页岩气生产国,近年来在页岩气勘探开发也取得了重大进展,尤其以四川盆地及周缘为重点,初步建成了涪陵和威远两大国家级页岩气示范区[1-4]。页岩气调查井是以建立重点调查区地层层序,查证主要目的层岩性组合特征,获取烃源岩与储层评价所需的样品,以及标定地球物理解释成果并获取地球物理参数为目标而部署的钻井,因此,该类型钻井通常布置在新区新层系,可参考的邻井资料缺乏,存在较大的不可预见性,同时地质条件复杂,钻探过程中常遇各类复杂地层。所谓复杂地层,一般可分为盐类地层,黏土、泥页岩地层,松散破碎地层,裂隙地层,岩溶地层,高压油、气、水地层和高温地层等,部分地层在钻井中主要表现为井壁松散、破碎,部分表现为遇水后水化、水溶,还有部分表现为漏失、涌水或压力温度异常。如在川西南地区页岩气调查川沐地1井钻探过程中多次发生井壁失稳、深厚石膏层造成钻井液污染等复杂情况,严重影响井内安全与工程进度。

在复杂地层中钻进,不仅对钻探器具、工艺等提出更高要求,钻井液性能也是不可忽视的重要因素。一般针对复杂地层钻探中所使用的钻井液体系主要包括聚合醇钻井液体系、有机盐钻井液体系、甲基葡萄糖甙钻井液体系、合成基钻井液体系和硅酸盐钻井液体系[5]。如Statoil公司曾在北海及挪威区域的Statfijord气田使用合成基钻井液施工10口试验钻井,取得良好效果[6]。Baroid公司使用合成基在Ula油田进行成功应用,相比于传统油基泥浆和水基泥浆,其效率得到有效提升[7]。李成等[8]针对甲酸钾水基钻井液体系难以保障复杂地层安全、加重成本高、加重困难等问题,通过优选乳化沥青、单封和随钻封堵剂对钻井液进行了优化,保障了延长油田YYP-9井三开陆相泥页岩复杂地层安全钻井。郑洪涛[9]通过对比分析发现,低固相聚合醇钻井液体系抑制性强,流变性能好,防塌能力强,能在矿区蚀变地层中完成取心钻进,通过添加沥青等封堵材料能够提高孔壁的胶结能力。陈志阳等[10]使用KP共聚物钻井液体系,通过钾离子的镶嵌作用,提高了孔壁的防塌能力,且流动性较好,该钻井液体系在煤田地质中应用较多。可以看出,在钻进复杂地层时钻井液体系普遍需要加强封堵性能,防塌性能和抑制性能,良好的钻井液体系可以有效支撑钻进的顺利进行,同时保证井身质量。

为此,现基于川西南地区页岩气调查井井壁稳定性分析,开展有机硅聚合物钻井液体系研制与应用分析,以期为今后页岩气地质调查井复杂地层钻探提供借鉴和指导。

1 井壁稳定性分析

通常来讲,井壁失稳主要由两方面原因造成,分别为力学因素和化学因素,若井壁所受应力大于井壁强度,则极易发生井壁失稳,由于应力重分布,井壁持续发生破坏,进一步导致应力集中加剧,其主要表现为地层破碎、易塌。而岩石中所含的黏土矿物与各种离子间的相互作用也是影响井壁稳定性的重要因素,不同的岩性地层所含矿物类型和含量不同,与水接触后,导致地层中的黏土矿物水化膨胀,易导致井壁失稳,其主要表现为造浆严重,岩石膨胀[11-12]。通过对川西南地区页岩气调查川沐地2井的钻遇地层分析,全井主要以裂隙发育的强水敏性泥岩为主,但同时又有硬脆性石英砂岩、软弱煤层等地层,下部井段还有深厚石膏地层,对钻井液的综合防塌、抗污染等能力要求较高。

1.1 岩石矿物组分分析

采样9组页岩气调查川沐地2井上部泥岩岩心,并采用X射线衍射方法进行全岩及黏土矿物分析,具体分析结果如表1所示。

表1 采样泥岩矿物种类与含量Table 1 Types and contents of sampled mudstone minerals

从表1可以看出,9组岩样中的石英和黏土矿物占比较高,最低占比81%,最高占比可达96%,其余岩矿物占比较低,而黏土矿物中伊利石、绿泥石和伊/蒙混层占比较高,其中伊利石占比最高,最高可占67%,表明所采样泥岩属于典型的硬脆性泥岩[13-15],在黏土矿物中虽然不含有蒙脱石,但其中的伊/蒙混层及高岭石仍具有一定的膨胀性,容易引起水化膨胀,进而导致井壁失稳[16-17]。

1.2 岩石微观结构分析

对采样泥岩采用SU8010型高分辨场发射扫描电子显微镜观察其微观结构(scanning electronic microscope, SEM),结果如图1所示,从图中可以看出该泥岩层状结构明显,且沿着层理水平[图1(a)]及垂直方向[图1(b)]均裂隙发育,裂隙宽度以5 ～ 30 μm为主,普遍小于100 μm。因此,在钻进碎岩过程中随着应力释放及钻具扰动会导致微裂隙宽度进一步增大,为钻井液的侵入提供通道,加剧了钻井液与泥岩的水化反应程度,从而进一步降低了井眼稳定性[18-19]。

图1 采样泥岩扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscope of sampled mudstone

因此,从以上分析可以得出,该泥岩地层中黏土矿物含量较高,且微裂隙发育,在钻进过程中极易发生井壁失稳。此外该井还发育有多层煤系地层,质地较脆,强度低,天然裂隙发育(图2),钻井液易在液柱压力下沿着裂隙侵入地层,产生水力尖劈作用,进一步降低煤层强度而导致井壁失稳[20];而在深部石膏层钻进中也易因石膏在钻井液中溶解发生井壁失稳或者钻井液污染等复杂情况[21]。

图2 脆性煤层发育Fig.2 Development of brittle coal seam

2 钻井液体系研制

根据地层稳定性分析,在钻进过程中钻井液体系既要有较好的抑制性能,同时还要满足不同复杂地层条件下的护壁防塌及抗污染等要求,对钻井液的综合性能要求较高。为了降低钻探成本,实现高效快速钻进,基于“抑制水化-物化封固”的多元协同增效防塌理论,结合地层稳定性分析,对钻井液的体系选择与性能调控主要以强抑制、强封堵为主,尤其是对微米级裂缝的强化封堵,同时应具有良好的流变性能,因此在钾铵基聚合物钻井液体系的基础上优选了有机硅聚合物钻井液体系。

有机硅聚合物钻井液体系它是以有机硅改性聚合物为强抑制剂,利用有机硅分子中的硅羟基与黏土颗粒表面硅羟基发生化学缩合反应,形成牢固的化学吸附,同时在黏土表面形成一层甲基朝外的吸附层,使黏土表面产生润湿反转,阻止和减缓黏土表面的水化作用,可有效防止泥岩的水化膨胀和坍塌,具有良好的抑制性及防塌能力[22-24];在封堵材料的选择上主要根据室内SEM测试得出的地层微裂隙宽度为重要参考依据,优选多级配超细碳酸钙及乳化石蜡为封堵剂,利用两者的“刚、柔”特点,与黏土、有机硅改性聚合物等形成颗粒团簇一起被挤入地层微裂隙中形成封堵带,达到理想的封堵效果;同时配合硅氟聚合物处理剂调节钻井液流变性能,实现在深部复杂地层安全钻进的需要。

2.1 试验器材

2.1.1 试验仪器

GW300-X型变频高温滚子加热炉、NP-01型膨胀量测定仪、岩样制备压力机、LA-960V2型激光粒度分析仪、101型鼓风干燥箱、FA型无渗透滤失仪、ZNN-D6B型电动六速旋转黏度计、电子分析天平等。

2.1.2 试验材料

膨润土,碳酸钠(Na2CO3),氢氧化钾(KOH),低黏度聚阴离子纤维素(low viscosity polyanionic cellulose,LV-PAC),水解聚丙烯腈铵盐(ammonium salt of partially hydrolyzed polyacrylonitrile,NH4HPAN),聚丙烯酸钾(potassium polyacrylate,K-PAM),有机硅改性聚合物,超细碳酸钙(800目、1 250目、2 000目),乳化石蜡,硅氟聚合物。

2.2 试验方法

首先配制页岩气调查井原钾铵基聚合物钻井液基浆,在此基础上设置正交试验组,以0.5%的浓度梯度,1%～2.5%为浓度范围添加有机硅改性聚合物;以1%为浓度梯度,2%～5%为浓度范围添加超细碳酸钙;以0.2%为浓度梯度,0.2%～0.8%为浓度范围添加硅氟聚合物;以1%为浓度梯度,1%～4%为浓度范围,添加乳化石蜡;以塑性黏度、动切力和API(American Petroleum Institute)滤失量为指标,找出4种添加剂的最优加量,最终形成有机硅聚合物钻井液配方,并对其抗钻屑污染、抗钙侵、抑制性、封堵性等各项能力开展分析评价。

2.3 结果及分析

2.3.1 正交试验

正交试验设计如表2所示,正交试验结果如图3所示。对图3中每组正交试验结果中的主要因素,如塑性黏度、动切力及API滤失量进行极差分析,找出每个因素的最优水平组合。通过正交试验的极差分析法初步得到了各项指标所对应的水平的影响大小和优化水平取值,综合考虑各指标的影响因素的主次并结合体系目标性能、工程成本等,优选出最佳配方为:4% 膨润土+0.2% Na2CO3+0.3% KOH+1.2% LV-PAC+1.5% NH4-HPAN+1.5%有机硅改性聚合物+3.0%多级配超细碳酸钙+3%乳化石蜡+0.4%硅氟聚合物。其中多级配超细碳酸钙是按照m(800目)∶m(1 250目)∶m(2 000目)=1∶3∶2的比例加入。

图3 正交试验结果Fig.3 Orthogonal test results

表2 正交试验表Table 2 Orthogonal test table

2.3.2 性能评价

(1)基本性能评价。钾铵基聚合物钻井液体系与有机硅聚合物钻井液体系基本性能对比如表3所示。

表3 钾铵基聚合物钻井液与有机硅聚合物钻井液体系基本性能对比Table 3 Basic performance comparison of potassium ammonium polymer drilling fluid and organosilicon polymer drilling fluid system

根据表3可见,有机硅钻井液体系相比具有较低的黏度和切力,同时钻井液的滤失性能得到一定提升,较适宜在深部复杂地层钻进中对钻井液流变性及滤失性能的要求。

(2)抗钻屑污染性能评价。选取该页岩气调查井暗紫红色泥岩钻屑,粉碎烘干后磨细过100目筛网,然后按照不同比例加入钻井液中,观察钻井液的性能变化情况。实验结果如表4所示。

表4 钻屑加量对钻井液性能的影响Table 4 Effect of cuttings increment on drilling fluid performance

从表4可以看出,随着钻屑加量的增加,有机硅聚合物钻井液体系黏度和切力略有升高,API滤失量先降低再升高,总体性能变化不大,表明该体系具有较强容纳钻屑和抗黏土钻屑污染的能力。

(3)抗钙侵能力评价。以0.5%为浓度梯度,向钻井液中加入0.5%～2.0%的CaSO4,测试钻井液的抗钙能力,实验结果如表5所示。

表5 有机硅聚合物钻井液抗钙能力评价实验结果Table 5 Test results of calcium resistance evaluation of organosilicon polymer drilling fluid

从表5可以看出,在向有机硅聚合物钻井液中加入不同加量的CaSO4后流变性能变化不大,API滤失量略有升高,基本满足在石膏层钻进中对钻井液的抗钙能力要求。

(4)抑制性能评价。为了评价钻井液的抑制性,选用该泥岩分别开展了膨胀性和分散性室内实验。膨胀性实验中选取岩样进行粉碎磨细,通过100 目孔径标准筛进行烘干备用,称取10 g在压力机上加压2 MPa并保持5 min制得试验岩心,使用NP-01型页岩膨胀仪测试实验岩心在不同浸泡介质的线性膨胀情况,实验结果如图4所示。在分散性实验中选取6～10目岩样20 g,将其放入盛有不同钻井液及蒸馏水的陈化斧中进行热滚16 h(温度设定为80 ℃),后取出岩样过40 目分样筛,再在清水中清洗1 min,105 ℃下风干直至恒重,称其重量,计算其滚动回收率,其结果如表6所示。

图4 膨胀性测试实验结果Fig.4 Experimental results of swelling test

表6 滚动回收实验结果Table 6 Rolling recovery test results

通过图4及表6可以看出,有机硅聚合物钻井液展现了良好的防塌抑制性能,泥岩在有机硅聚合物钻井液中的16 h线膨胀率仅为4.84%,相比蒸馏水和钾铵基聚合物钻井液的膨胀率分别降低了72.56%和37.50%;同样在分散性试验中,岩样在有机硅聚合物钻井液体系中的滚动回收率也更高,达到了88.4%,表明该体系抑制泥岩分散性能力较强。

(5)封堵性能评价。前期研究表明,对于该泥页岩地层,微裂缝是钻井液侵入的主要通道,裂缝宽度普遍小于100 μm,按照D90封堵理论[25],向钻井液体系中加入合适粒度的刚性及柔性粒子,可实现对微裂隙的有效封堵。因此,对有机硅聚合物钻井液进行粒度分析,其结果见图5所示。从图5中可以看出,该钻井液中小于100 μm粒径颗粒体积分数超过95%,其中主要为1 μm以下及10 ～ 30 μm的粒度区间,可满足该泥岩地层裂隙封堵对钻井液材料的粒径要求。

图5 有机硅聚合物钻井液粒度分布测试结果Fig.5 Test results of drilling fluid particle size distribution

为了进一步评价钻井液对微裂隙的封堵效果,开展了渗透性封堵试验,该试验采用FA无渗透滤失仪,取20～40 目石英砂350 mL倒入有机玻璃管中,摇匀使砂样平铺在玻璃管内;再取钻井液500 mL倒入装有砂样的玻璃管内;旋紧杯盖,通入气源,调节减压阀,使得气压维持在0.69 MPa;打开放气阀,使气体进入玻璃管内,同时开始计时,观察钻井液30 min的滤失情况,实验结果如表7所示。

表7 两种不同钻井液的砂床滤失实验结果Table 7 Sand bed filtration test results of two different drilling fluids

从表7可以看出,有机硅聚合物钻井液的砂床滤失量为0 mL,砂床侵入深度仅为5.6 cm,表明该体系具有良好的封堵效果;通过体系中的超细材料、可变形微粒充填在骨架材料的孔隙中,在近井壁能够迅速形成超低渗透封堵层,有效阻止钻井液滤液向深部渗透,避免或减轻水敏性地层的水化反应,进而提高了体系的封堵防塌能力。

3 现场应用及效果

川沐地2井是中国地质调查局在川西南-滇东北地区页岩气调查部署的一口重点调查井,该井在二开钻进时,上段地层岩性主要为暗紫红色泥岩,黏土矿物含量较高,极易水化分散,出现掉块等复杂情况(图6),且先后发生三次严重钻头泥包(图7),严重影响井内安全和工程进度[26]。分析原因主要为地层水敏性较强,钻井液采用钾铵基聚合物体系,防塌抑制性相对较差,同时受泥浆泵排量较小,上返流速较低(理论上返流速仅为0.54 m/s),钻井液循环周期较长,井内岩屑沉积。因此,现场根据实际情况,立即优化调整钻井液配方及性能,逐步转换为有机硅聚合物钻井液体系,调整后基本性能如表8所示;在钻井液体系优化的同时,工程上也采取提高泥浆泵排量、优选钻头结构、下钻过程中多次开泵、加强无用固相清除等措施,经过钻井液和工程措施的协同处理后,再未发生钻头泥包和掉块等复杂现象,保障完成二开作业的顺利实施,技术套管也一次性下至预定位置,未发生遇阻等复杂情况。

图6 井内泥岩掉块Fig.6 Mudstone falling out in the well

图7 钻头泥包严重Fig.7 Serious bit mud pocket

表8 二开下部井段钻井液性能范围Table 8 Performance range of drilling fluid in the lower section of the second spud

进入三开后,地层愈加复杂,不仅有水敏性泥岩,还有脆性煤系地层、裂隙孔洞发育的碳酸盐岩层、石膏层等;同时该井段也是该井的主要目的层段,在做好井控风险防控与井壁稳定的前提下还需做好储层保护。针对此情况,在现场施工过程中采取了一系列的钻井液技术措施,具体如下。

(1)进一步加大有机硅改性聚合物处理剂及超细碳酸钙、乳化石蜡等抑制剂和封堵剂的加量,提高钻井液体系的抑制性和封堵性,严格控制失水量在5 mL以内,确保良好的泥饼质量,主要性能如表9所示。

表9 三开井段钻井液性能范围Table 9 Performance range of drilling fluid in the third spud section

(2)强化无用固相的清除,振动筛全程采用200目以上筛布,同时根据短程起下钻到底情况、密度变化、固相含量等情况适时开启离心机。

(3)该井在地质设计中地层压力系数最高为1.20,设计钻井液密度最高为1.30 g/cm3,但在施工中采用设计密度时多次发生井涌、溢流等复杂情况,为了确保井内安全,以压稳不压漏为原则,逐步提高钻井液密度,最高达到了1.50 g/cm3;此外在进入碳酸盐岩地层时,为了防止漏失,提前向钻井液中加入可酸化随钻堵漏材料,提高体系的防漏能力。

(4)该井在三开钻进中钻遇厚度超过200 m的石膏层,钻井液各项性能基本保持不变,井壁稳定,未发生复杂情况,展现了良好的抗钙能力。

该井在采用有机硅聚合物钻井液体系以后,井内复杂情况得到明显改善,保障了钻井安全,并顺利钻进至2 406 m,达到地质目的提前完钻,并在目的层发现重要油气显示,保障了地质目标的实现。同时相比同区域已实施的同类型钻井,各项钻探技术指标均有了较大提高,平均机械钻速提高了44.64%,完井周期缩短23.74%,有效提高生产效率,降低了成本。

4 结论

通过对有机硅钻井液体系的研制与应用,得到以下结论。

(1)页岩气调查井地层条件复杂,强水敏性泥岩地层黏土矿物主要以伊/蒙混层及高岭石为主,易引起水化膨胀导致井壁失稳,同时其微米级裂隙发育,进一步加剧了井壁失稳的风险;而在下部软弱煤层、碳酸盐岩地层、石膏层发育,对井壁稳定、钻井液漏失、钻井液污染都带来极大挑战。

(2)基于“抑制水化-物化封固”的多元协同增效防塌理论,提出了强抑制、微米级封堵的钻井液思路,优选了以有机硅改性聚合物为抑制剂,乳化石蜡、多级配超细碳酸钙为封堵剂的钻井液体系,重点对钻井液体系的抗钻屑污染、抗钙能力、抑制性、封堵性进行了室内评价,结果表明该体系各方面性能优良,能够满足下部复杂地层安全钻进施工。

(3)实践表明,有机硅聚合物钻井液体系在川西南-滇东北地区页岩气调查川沐地2井二开下部及三开井段均取得了较好的应用效果,展现了良好的护壁防塌性能和抗污染能力,钻探各项综合技术指标有了大幅提高,该体系的成功应用,可以为下一步该地区油气资源勘探开发钻井工程施工提供较好的借鉴思路。