页岩井壁失稳机理分析及钻井液对策研究
刘喜亮 由福昌 吴素珍 严锐 邓聪
摘??????要：页岩气开发主要以大位移井、水平井为主，由于页岩地层裂缝与层理发育、水敏性强，在长水平段钻井过程中极易发生页岩脱落掉块、垮塌和缩径等井壁失稳问题，同时还存在携岩困难、摩阻大及井眼轨迹难以控制等一系列难题。在对页岩岩性评价和页岩井壁失稳机理分析的基础上，探索出了适合于页岩气开发，保持井眼稳定的页岩气钻井技术，该技术一方面主要是对页岩表面微裂缝进行有效的封堵，另一方面主要是对页岩表面易分散和膨胀性黏土矿物进行有效抑制。
关??键??词：页岩气;水平井;失稳;井眼稳定;封堵;抑制
中图分类号：TE 254 ??????文献标识码： A ?????文章编号：?1671-0460（2020）01-0129-05
Mechanism Analysis of Shale Wellbore Instability
and Drilling Fluid Countermeasures
???LIU Xi-liang1，?YOU Fu-chang2，?WU Su-zhen2， YAN Rui2，?DENG Cong2
（1. China Oilfield Services Co.， Ltd.， Guangdong Zhanjiang 430100， China;
2. Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Hubei Jingzhou 434023， China）
Abstract： Shale gas development mainly uses large displacement wells and horizontal wells. Due to shale formation and bedding development， the water sensitivity is strong， and shale falling?off， collapse?and other problems easy happen in the long horizontal drilling process. Based on the evaluation of shale lithology and analysis on the instability mechanism of shale shaft wall， a?shale gas drilling technology suitable for shale gas development and maintaining?wellbore stability?was developed. The micro-cracks on the surface of the rock can be?effectively blocked?by using the technology， on the other hand， clay minerals that are easy to disperse and expand can be effectively suppressed.
Key words： Shale gas; Horizontal well; Instability; Wellbore stability; Seal; Suppression
页岩气通常具有储量大，生产周期长等特点，针对页岩气的成藏特征，页岩气钻井多以采用大位移水平井的钻井方式为主。由于泥页岩地层层理较为明显，微裂缝发育、水敏性强，在长水平段钻井过程中，容易发生掉块、井垮、井塌等问题，而且页岩气水平段一般相对较长（普遍大于1 000 m），从而进一步增大了发生井壁失稳等复杂情况的概率[1]。因此，在页岩水平井钻井过程中，解决井壁失稳等问题，就成了钻井液选择和设计的关键。为解决上述问题，我国目前在页岩气大位移水平井钻井过程中基本都采用油基钻井液体系进行钻进，但是油基钻井液通常面临着环境污染和成本高等问题，亟须开发出一套水基钻井液体系解决泥页岩井壁失稳的新技术，本文在对泥页岩矿物组分分析和页岩井壁失稳机理分析，以及油基钻井液具有较好稳定井壁的基础上，对水基钻井液相关处理剂在井壁稳定性好等方面进行了研究[2，3]。
1 ?頁岩岩性分析
1.1 ?页岩矿物组成分析
室内利用X衍射对页岩气某井的岩心进行了矿物组分分析，实验结果如表1-表2。
从表1和表2可以看出，该井页岩地层矿物以黏土和石英为主，其次为斜长石和白云石，还含有少量的钾长石、方解石和黄铁矿。页岩地层的黏土矿物含量均较高，达到了23%～46%，其中以伊蒙混层和伊利石为主，绿泥石次之，膨胀性黏土矿物含量较低。另外脆性矿物石英含量高，表现出泥页岩质硬、性碎的特征，这就加剧了此类泥页岩发生壁失稳的风险。
1.2 ?页岩膨胀性及分散性
（1）阳离子交换容量限——亚甲基蓝实验
取100目以下页岩地层岩心粉0.5 g，加入30 mL蒸馏水，按照亚甲基蓝测试标准进行实验，消耗3.2 g/L亚甲基蓝溶液5.5 mL达到实验终点;膨润土的阳离子交换容量为70 meq/100 g，及70 mL亚甲基蓝溶液/g膨润土，所以可以推算出龙马溪岩心粉阳离子交换容量为11 meq/100 g。
（2）线性膨胀实验
取龙马溪岩心粉100目以下按标准进行膨胀实验，清水实验最终膨胀量为1.21 mm;油基钻井液膨胀量为0.01 mm。
（3）页岩岩心滚动回收率实验
室内采用滚动回收率的实验方法，对比了清水和水基钻井液对龙马溪页岩的抑制性能。实验方法为，分别在清水和水基鉆井液中加入50 g经过100 ℃烘干后6～10目的龙马溪组岩屑，经过90 ℃×16 h热滚，40目筛出，烘至恒重，计算一次滚动回收率。泥页岩岩心滚动回收率实验结果如表3。
从表3可以看出，该泥页岩在清水和水基钻井液中的回收率均在97%以上，说明泥页岩水化分散性较弱。
2??页岩失稳机理分析
2.1 ?页岩失稳原因
通过以上实验分析和研究，影响泥页岩井壁失稳的因素主要有两个方面。一个是泥页岩的内部因素的影响，主要是泥页岩地层的理化性质和力学方面;另一个是外部因素的影响，其主要是页岩地层钻进中钻井液的选用，以及钻井工程条件等方面。
泥页岩中的黏土矿物主要是非膨胀性黏土矿物伊利石、伊蒙混层等为主，非黏土矿物主要是石英等硬脆性矿物。根据泥页岩的组分构成，分析发现这类泥页岩主要以脱落掉块的失稳形式呈现出来。此外，泥页岩层理和微裂缝十分发育，在钻井过程中，井下钻具的机械剧烈振动，会产生诱导裂缝，更加为钻井液滤液侵入地层提供了通道。在钻井工程中，井下钻井液液柱压力往往大于地层压力，钻井液滤液容易沿着泥页岩纳-微孔缝侵入页岩地层，使地层压力增大，地层额外压力又会使微裂缝扩展和延伸，最终导致泥页岩剥落掉块，从而导致井塌等事故的发生。
2.2 ?页岩井壁失稳机理分析
（1）失稳模式
硬脆性泥页岩由于脆性矿物石英含量高，主要表现出较强的脆性。对于近井壁泥页岩地层，由于上部地层的压实作用，当其所受的压力超过其岩石颗粒的黏聚力时，即失去其原有的应力状态而发生井壁失稳[4，5]。
（2）黏土矿物与钻井液之间的化学反应：
如果泥页岩含有较多的分散性矿物（如高岭石、伊利石或伊-蒙混层等），泥页岩中的矿物就容易水化分散开裂，从而更易导致泥页岩脱落失稳。
（3）各向异性及非连续性
由于泥页岩地层岩石具有非均质性，且各向同性。在多数情况下，井壁岩石的失稳主要是根据局部的各向异性和非均质性来决定的。针对泥页岩的层理分布明显的特点，所以天然裂缝和诱导裂缝是会导致泥页岩非均质性，从而增加了岩石的这种各向异性[4，5]。
（4）钻井液液柱压力
在页岩气钻井过程中，特别是在起钻时，由于钻井液的抽吸压力，可能产生井底压力急剧减小的现象，使地层失去支撑作用而发生坍塌。所以，控制起下钻速度，对保持泥页岩井壁稳定有着非常关键的作用[6]。
通过CT扫描仪，对硬脆性泥页岩裂缝进行了实验研究。设备采用德国diondo d2高分辨率CT扫描仪，分辨率为12μm（图1）。
1#、2#、3#、4#分别为泥页岩地层同质岩心，经过切割和加工制备成，通过肉眼观察，是很难发现有裂缝分布。
实验过程：将四块同质岩心浸泡在不同的流体中，90 ℃保温36 h。
1#岩心浸泡在清水中;
2#岩心浸泡在传统水基钻井液中;
3#岩心浸泡在页岩气强抑制性水基钻井液中;
4#岩心浸泡在油基钻井液中。
通过观察图2和图3可以看出，经过高分辨率仪器拍摄的浸泡前，岩心表面偶有少量微小的天然裂缝;浸泡后，发现经清水和水基钻井液浸泡的，裂缝均呈现不同程度的扩大，而油基钻井液浸泡后的岩心没有裂缝出现。
图4是四块同质岩心，分别浸泡在四种不同流体中后，经过CT扫描，观察到的情况，可以看出，从1#到4#岩心，裂缝的扩展程度逐渐增大。
综上所述，该泥页岩岩心浸泡后的裂缝发展状况与初始的裂缝分布相关;岩心在不同的液体浸泡后，都会不同程度的增加裂缝开度和裂缝的数量;在岩心初始状态相似的情况下，从1#到4#液体对岩心的破坏程度逐渐减小;说明油基钻井液对页岩的封堵和抑制效果最好，对稳定页岩井壁的能力最强。
如何解决页岩的井壁稳定问题，在了解和分析油基钻井液体系在页岩气中的成功开发特点的基础上就会发现：
（1）油基钻井液体系具有极低的高温高压滤失量，具有极佳的封堵性能;
（2）油基钻井液以乳液状态的形式存在，其乳滴粒径分布窄，更容易封堵页岩的微小孔隙;
（3）油基钻井液滤液为全部为油相，抑制性强，能够延缓裂缝的应力释放，延长垮塌周期。
3 ?页岩井壁失稳对策研究
3.1 ?页岩井壁失稳对策分析
基于对油基钻井液体系在页岩气开发中的应用，以及对泥页岩岩性的分析认为：
（1）硬脆性泥页岩的属于弱膨胀性、分散性岩石，所以泥页岩膨胀不是引起页岩井壁失稳主要因素;泥页岩本身就具有微裂缝，并且经过浸泡以后微裂缝会延伸，扩展范围就会变大，这就涉及微裂缝变大之后最终崩裂的结果，从而导致页岩失稳及垮塌，存在一个垮塌周期;
（2）该种泥页岩失稳需要解决最主要的问题是防止微裂缝的进一步扩大，需要从两个方面来解决，一是泥页岩抑制方式，二是对微裂缝的有效封堵;
（3）改变传统的水基钻井液的抑制方式，进而开发出适合于页岩气钻井的高性能水基钻井液抑制剂;
（4）结合油基钻井液的微乳液封堵效果，水基钻井液需要采用纳米封堵技术，降低渗透压的传递;
（5）在钻井过程中还必须提高钻井速度，缩短钻井周期，在页岩垮塌周期内完钻。
根据对泥页岩失稳机理的分析研究，提出了如下井壁内定对策，泥页岩纳-微孔缝的封堵和表面抑制改性。通过纳米封堵技术，可有效阻缓钻井液滤液侵入泥页岩内部，防止因压力传递导致井壁脱落掉块;通过表面改性抑制，主要是改变其润湿性，降低表面水化斥力，两种作用的双重结果就是，尽最大应力支撑泥页岩井壁，达到稳定泥页岩井壁的效果[7]。
3.2 ?纳米封堵技术
刘树根[8]在“四川盆地东部地区下志留统龙马溪组页岩储层特征”文中提到，通过SEM扫描电镜研究发现，泥页岩中纳-微米孔隙和裂缝十分发育（如图5），其尺寸主要分布在30?nm～1?μm之间。由此可见，泥页岩中的孔隙一般在几十纳米到几百纳米之间，该泥页岩中微裂缝也较发育，微裂缝缝宽一般在几微米。
针对上述页岩中存在的纳米孔隙和微裂缝，必须具有针对性的封堵才能够有效的解决钻井液滤液侵入纳米孔隙和微裂缝的概率，提高頁岩井壁稳定性能，为此，实验室专门优选了纳米材料封堵剂和多功能材料来封堵纳-微米微孔隙和微裂缝，图6和图7为两种材料的粒径分布曲线，纳米材料的粒径分布在几十纳米到几百之间，主要用于封堵纳米级孔隙;而多功能材料的粒径分布主要在1～20 μm之间，主要用于封堵微米级微裂缝。
上述两种材料在实现纳米孔隙和微裂缝封堵的同时，降低压力传递，并能够提高钻井液的滤失损耗，改善泥饼质量，提高钻井液的综合性能。
3.3 ?页岩抑制方式及抑制机理分析
刘敬平等[9]基于热力学第二定律，利用降低页岩表面自由能以抑制页岩表面水化的原理，发现了多碳醇对固体物质具有较强的吸附作用，从而可以改变泥页岩的表面特性，进而抑制页岩水化分散的稳定井壁的方法。其通过实验，将页岩岩样置于5%的多碳醇溶液中浸泡以对页岩表面进行改性，泥页岩改性前表面自由能为52.7 mJ/m3，改性后表面自由能为22.8 mJ/m3，与改性前比较降低了131.1%，取得了较好的效果。由此可以说明页岩经多碳醇改性后，表面自由能显著降低了，页岩表面吸附水分子的能力减弱，进而很大程度抑制页岩表面水化，有利于页岩地层井壁的稳定。
3.4 ?井眼稳定钻井液技术措施
基于对泥页岩井壁失稳的机理分析，现场可以通过采取以下方法来提高井壁稳定：
（1）在水基钻井液中加入纳米级和微米级封堵材料，对泥页岩纳-微孔缝进行有效封堵，阻缓压力传递进入泥页岩内部，稳定泥页岩井壁;
（2）对于泥页岩亲水的特点，通过进行表面改性抑制的方法，使泥页岩对水的亲和力减弱，也能缓解水侵入泥页岩，延长泥页岩井壁稳定周期;
（3）控制钻井液的黏度和切力，钻进时开泵平稳，起下钻过程中控制速度，减少钻具对井壁的碰撞和减轻激动压力。
4 ?结论
（1）传统的钻井液抑制性评价方法与手段不能满足页岩气地层对于钻井液抑制性的评价要求;页岩气钻井中传统的抑制性不能很好地满足抑制要求;
（2）页岩气开发用钻井液必须具有极佳的封堵性能，降低孔隙压力传递，尽量减少钻井液滤液向裂缝纵深侵入，提高井壁稳定性;
（3）通过往水基钻井液中加入多碳醇的方法，使得页岩表面自由能降低，同时也降低了泥页岩对水的吸附，从而保持井眼稳定。
参考文献：
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