绒囊钻井流体在金坛储气库硬脆性泥岩地层的应用

班凡生，底 磊，申瑞臣，李文帅，聂帅帅，付毓伟.

(1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195； 2.中国石油大学(北京)石油天然气工程学院，北京 102249)

盐穴地下储气库[1]是利用地下较厚的盐层或盐丘，采用人工方式在盐层或盐丘中水溶形成洞穴存储空间[2]来存储天然气[3]。我国对盐穴储气库的研究开始于1999年，初期主要是对国内盐矿进行调查，评价各盐矿的建库地质条件[4]。随着西气东输战略工程的实施，2001年1月启动了西气东输工程建设天然气地下储气库工程可行性研究项目[5]，确定了江苏金坛作为国内首个盐穴储气库建库目标[6]。

盐穴储气库井与常规油气井的主要区别有：

(1)井筒压力不同，储气库井受交变压力影响[7]。

(2)井眼尺寸和套管尺寸不同，盐穴储气库的井眼尺寸较大[8]。

(3)储层类型多，盐穴储气库井的储层为盐岩层[9]。

(4)使用寿命要求不同，盐穴储气库井要求为50年[10]，对钻井、完井的质量要求较高。完井套管应采用高强度厚壁气密封套管，防止盐岩蠕变被挤毁，并满足季节调峰和应急供气需要[11]。

同时，金坛地区套管鞋处地层破裂压力当量密度在1.65 g/cm3左右，而盖层上方的地层破裂压力当量密度在1.60 g/cm3左右，安全密度窗口窄。

综上，江苏金坛盐穴储气库井井眼尺寸大、多种压力共存、多种岩性共生，钻井、完井工程难度大，但是却需要高标准的井身质量。

1 井壁失稳原因分析及对策

目前，江苏金坛盐穴储气库井三垛组、戴南组井段井壁失稳严重，多形成“大肚子”井眼。对金坛地区JK5-1等6口井的井径测井数据统计发现，二开井眼的最大井径扩大率为67.74%，三开井眼的最大井径扩大率为21.46%。同时，该井段还伴有不同程度的漏失。

钻井过程中的井壁失稳问题严重制约了金坛盐穴储气库的成井质量。三垛组棕红色粉砂质泥岩和戴南组灰绿色泥页岩岩样如图1所示，其中，灰绿色泥页岩硬而脆，端口见明显裂隙发育，易引起钻井液漏失。

图1 三垛组棕红色泥岩和戴南组硬脆性泥岩Fig.1 Brown-red mudstone of Sanduo formation and Hard brittle mudstone of Dainan group

采用XRD对480～604 m井段岩样全岩矿物类型及含量进行分析，结果如图2所示。

图2 XRD分析全岩矿物类型及含量Fig.2 XRD analysis of whole rock mineral types and contents

从图2可以看出，480～604m井段矿物主要成分为黏土、方解石和白云石。其中，石英含量为6.3%～10.6%、钾长石含量为0.8%～ 4.2%、斜长石含量为1.5%～6.1%、方解石含量为9.4%～32.0%、白云石含量为7.3%～24.2%、菱铁矿含量为0～1.9%、黄铁矿含量为0～3.3%、赤铁矿含量为1.8%～2.7%、方沸石含量为0～11.8%、三水铝石含量为0～2.2%，以及黏土矿物含量为30.6%～ 49.5%。

采用XRD对480～604 m井段岩样黏土矿物类型和含量进行分析，结果如图3所示。

从图3可以看出，该井段黏土矿物主要成分为伊蒙混层和伊利石，并含有少量的绿泥石、蒙脱石和高岭石。其中，伊蒙混层含量为78%～82%，伊利石含量为13%～49%。总体来看，黏土矿物中伊蒙混层和伊利石含量相对总量在90%以上，因此，可以认为伊蒙混层膨胀分散是井壁失稳的原因之一。

图3 XRD分析黏土矿物类型及含量Fig.3 XRD analysis of types and contents of clay minerals

目前，金坛储气库在用钻井液是以降滤失剂为主的聚合物钻井液，滤失性能良好。但钻井液封堵能力和抑制能力却不足。尤其对于裂隙发育的硬脆性泥岩，钻井液难以形成有效的封堵，而进入地层的滤液对伊蒙混层的抑制性不足，从而导致井壁失稳。

刘向君针对库车组泥岩井壁失稳的问题，采用增强钻井液抑制性以及对微裂缝和毛细管封堵的措施保证井壁稳定[12]。徐恒针对明化镇组馆陶组砂泥岩交互层，采用正电胶提高钻井液抑制性，添加聚合醇、PAM、纳米乳液形成泥饼的措施提高封堵能力[13]。许春田针对戴南组阜宁组裂隙发育泥岩，采用醋酸钾、聚胺、大分子聚丙烯酰胺抑制，采用润滑剂RH85、封堵剂NF-25与ZHFD、成膜剂CMJ-2 等复配封堵的措施解决井壁失稳问题[14]。梁大川针对泥页岩，使用KCl等盐类抑制剂和EP-1封堵剂实现防塌[15]。

因此，通过提高钻井液抑制性与封堵性[16]进行防塌堵漏是主流。但采取封堵方式皆为外封堵，钻进过程中钻头及流体对井壁的冲刷、起下钻产生的抽汲和激动都会影响到外封堵的效果。同时储气库下部为盐膏层，需要采用低活度[17]方法，既可抑制上部泥岩水化，又可抑制下部盐溶解。因此，本文提出将封堵带引至地层内部避免钻井干扰有效封堵及低活度强抑制防塌对策。

以表面活性剂形成的绒囊[18]能够实现黏结内封堵，以分压、耗压或者撑压封堵流动通道，且封堵具有高承压性[19]，以堆积、拉伸、填塞等形式提高地层承压能力[20]，具有防塌、防漏、可降解、低污染等优点，是一种新型钻井流体。目前，绒囊钻井液已经解决吉X井、沁平12-11-3H六分支水平井等泥岩[21]、砂岩[22]、煤岩[23]钻进中的漏失、坍塌问题，实现动态安全密度窗口安全钻井。因此，用绒囊钻井液解决金坛盐穴储气库的井壁失稳问题，具有一定的可行性。非常规的问题用非常规的思想去解决，才能有效果[24]。

2 室内试验

室内采用常规搅拌器，采用绒囊的4种主处理剂配制绒囊钻井液，配方为：1.5%～2.0%囊层剂+1.0%～1.5%绒毛剂+0.2%～0.4%囊核剂+0.4%～0.6 %囊膜剂，并采用10%～40%的甲酸钠或甲酸钾加重钻井液。配制形成的绒囊钻井液密度为0.77～1.18 g/cm3，塑性黏度为19～24 mPa·s，动切力为12.5～17.5 Pa，动塑比为0.52～0.88 Pa/(mPa·s)，流变性良好。

2.1 封堵能力测试

选取砂泥岩柱塞1 枚，在温度为25 ℃、围压为 9 MPa、回压为 0.5 MPa下，先后用清水、绒囊钻井液驱替岩心，记录驱压随时间的关系，如图4所示。

图4 注入压力与时间的关系Fig.4 The relationship between the injection pressure and time

从图4可以看出，清水驱替煤岩柱塞驱替压力稳定在1.7 MPa左右，而绒囊钻井液驱替30 min后迅速起压，1 h后驱替压力上升至18 MPa，说明绒囊成功封堵了柱塞流动通道，封堵能力强。

2.2 抑制能力测试

以金坛盐穴储气库硬脆性泥岩为岩样，依据SY/T 5613—2000《泥页岩理化性能试验方法》分别测试清水、聚合物钻井液、绒囊钻井液的泥页岩滚动回收率，试验温度为50 ℃，测试结果如图5所示。

图5 不同钻井液泥页岩滚动回收率Fig.5 Rolling recovery rate of different drilling fluid shale

从图5可以看出，清水的滚动回收率在28%左右，聚合物钻井液滚动回收率在50%左右，而绒囊钻井液的滚动回收率达93%。因此，绒囊钻井液能够有效地抑制黏土水化，抑制能力较强。

综上，绒囊钻井液的流变性、封堵能力和抑制能力满足要求，现场可以开展试验。

3 现场配制和维护研究

绒囊钻井液的现场施工应注意两个方面：一是配制出性能符合设计的绒囊钻井液；二是钻进过程中实时监测钻井液性能，以补充处理剂维护其性能。

3.1 绒囊钻井液配制方法研究

依据室内试验配方，先在配浆罐中依次加入清水、囊层剂和绒毛剂，搅拌20～30 min；再缓慢加入囊核剂和囊膜剂，搅拌20～30 min；最后加入适量甲酸盐，待处理剂完全溶解后，测定钻井液性能。配制的绒囊钻井液性能要求为：密度为0.85～1.20 g/cm3；塑性黏度为8～15 mPa·s；动切力为7～14 Pa；动塑比为0.5～1.2 Pa/(mPa·s)，pH值为8～10。

3.2 绒囊钻井液维护方法研究

日常维护要求每2 h测量绒囊钻井液的漏斗黏度和密度，每4 h测量密度和流速。同时，全天候使用固控设备，清除钻井液中的无用固相，维持钻井液表观黏度在20 mPa·s左右。否则固相含量过高，塑性黏度变大，而动塑比的维持需要较高的动切力，此时钻井液的表观黏度过高，不仅钻井液性能变差，还会进一步影响机械钻速。

为保证井眼清洁，维持钻井液动塑比在0.5 Pa/(mPa·s)以上，保证钻井液的携岩能力良好，防止形成岩屑床，当动塑比低于0.5 Pa/(mPa·s)，加入绒毛剂，或者是加入囊核剂并辅以囊膜剂。

为保证井壁稳定，绒囊钻井液的密度应在合适的范围内。绒囊密度越低，形成的囊泡数量越多，封堵性能越好。但是，绒囊防塌不仅仅是依靠囊泡的封堵，还需要引入甲酸盐以适当提高密度。加入甲酸盐一方面可以平衡高压力地层，另一方面提高了绒囊钻井液的抑制性，从而保证井壁稳定。

4 钻井实例

茅X井位于金坛区直溪镇茅溪盐矿，是一口新钻盐穴储气库井。该井一开东台组即采用绒囊钻井液钻进，直至钻穿戴南组二开完井。

绒囊钻井液在茅X井钻井过程中井壁稳定，井径扩大率在7.4%～12.9%之间，平均为8.2%，而邻井井径扩大率达18%；平均机械钻速达7.5 m/h，缩短建井周期5.3 d，实现了金坛盐穴储气库优质、安全、高效成井。

5 结论和建议

室内试验表明，绒囊钻井液的封堵能力、抑制能力较强，能够满足盐穴储气库井钻井的要求。现场应用表明，绒囊钻井液能够解决砂岩、泥岩交互地层的井壁失稳问题，实现盐穴储气库井安全、优质、快速成井。绒囊钻井液在盐穴储气库井的成功应用，进一步扩大了绒囊技术的应用范围。

同时也可以看出，绒囊钻井液可依据地层情况实时调整性能，能够满足不同钻井方式的需要，适用性强，但前提是要做好预案，并维护得当。

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