钻井液对页岩井壁的稳定性能评价方法探讨

赵虎，司西强，王善举，孙举

中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院 （河南 濮阳 457001）

评价钻井液井壁稳定能力的主要方法有：相对抑制率、线性膨胀实验、滚动回收率、阳离子交换容量Zeta电位、毛细管虹吸时间试验、活度匹配和岩心浸泡等[1-4]。通过对比清水、常规水基钻井液、高性能水基钻井液和油基钻井液的评价结果，指出评价方法的准确度和可操作性及其优缺点，以期为不同区块页岩气开发中选用安全低成本的钻井液提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 主要试剂

主要试剂为石油醚（沸程30～60℃）、氯化钠（分析纯）、氯化镁（分析纯）等。

1.2 主要仪器

主要仪器有高温滚子加热炉、电子分析天平、JS94H2型Zeta电位测试仪、HD-5型智能水活度分析仪、D8型X射线衍射仪、S-4800型扫描电镜分析仪、YAW-300D型全自动压力试验机、RTR-1000型三轴岩石力学测试仪、油田化学剂评级模拟装置等。

1.3 实验方法

1.3.1 岩屑滚动回收率

取涪陵地区页岩气井焦页1-3HF井志留系下统龙马溪组黑色炭质泥页岩钻屑（油基钻井液）（3 500～3 800 m），洗油晾干[5]，称取粒径为 2.00～5.27 mm 的岩屑10 g，分别放置在不同液体中，90℃、16 h测定一次回收率和二次回收率。

1.3.2 岩心浸泡及抗压强度测试

模拟焦石坝地层温度和三开段钻完井周期，分别用不同介质，90℃条件下对页岩岩心连续浸泡5～90 d。在不同的时间段取出不同岩心进行观察，并采用全自动压力试验机匀速缓慢加压，进行抗压强度测试。

1.3.3 岩心封堵实验

将页岩岩心装入岩心夹持器，测定岩样的正向地层水渗透率K1；用水基钻井液反向损害岩样，升温至地层温度（下表温度为80℃），压差3.5 MPa，损害时间2 h，用地层水正向测岩样的渗透率K2。计算渗透率降低率：R=(K1-K2)/K1×100%。

岩屑Zeta电位、活度分析、矿物组分分析，岩心三轴强度等评价均按自动化仪器通用方法测试。

2 结果与讨论

2.1 岩屑分析与评价

2.1.1 岩屑滚动回收率

页岩滚动回收率测试是评价钻井液井壁稳定能力较为通用的测试方法，可较为直观地反映钻井液抑制黏土矿物分散的能力。焦页1-3HF井钻屑在高性能水基钻井液中抑制性较好，一次回收率和二次回收率均超过90%，与油基钻井液相当。而在聚磺钾盐等钻井液中回收率较低，表明该井岩屑在高性能钻井液中稳定性良好，测试结果如图1所示。然而，较多硬脆性页岩岩屑在清水中的回收率较高，如长宁H9-3井清水回收率大于90%，再评价钻井液回收率就没有太大参考意义。

图1 页岩滚动回收率

2.1.2 岩屑Zeta电位

Zeta电位是评价页岩水敏性的重要方法之一，页岩活性越高，电负性越强，Zeta绝对值越大。模拟地层温度在不同介质中浸泡页岩钻屑24 h，测试Ze⁃ta电位数据如表1所示。

表1 页岩岩屑Zeta电位

由表1中数据可知，高性能水基钻井液1浸泡页岩Zeta电位绝对值小于10 mV，岩屑分散能力大幅下降，页岩趋于稳定；而清水浸泡页岩Zeta电位绝对值大于20 mV，页岩活性较强，聚磺钾盐钻井液浸泡页岩次之。页岩颗粒的不均性使颗粒运动时相互干扰，运动时彼此影响，可通过多次测定取平均值以降低偶然误差。

2.1.3 岩屑活度分析

活度是评价页岩吸水趋势强弱的重要指标之一，页岩活度越低，吸水趋势越强，水基钻井液滤液越易进入页岩，井壁失稳的风险越高。通过降低钻井液的活度，平衡页岩地层的渗透压，减少滤液浸入，提高页岩的稳定性。国内页岩活度范围为0.40～0.65（如焦页20-2HF活度为0.61、焦页20-2HF为0.65、YS108H3-2为0.41、延页-平3为0.55），高性能水基钻井液1可控制活度0.40～0.75，实现与页岩地层活度平衡，减少滤液浸入；而常规水基钻井液活度大于0.75（饱和盐水钻井液活度为0.75，聚磺钾盐钻井液为0.96），滤液浸入页岩地层趋势较高[6]。岩屑和钻井液活度评价结果较为稳定，但仅能说明页岩吸水趋势和钻井液浸入页岩地层水量的难易程度，只能作为表征井壁稳定的数据之一。

2.1.4 岩屑矿物组分分析

页岩中黏土矿物含量也是表征页岩吸水趋势强弱的重要指标之一，开展不同介质浸泡后页岩岩屑黏土矿物损失率，评价钻井液抑制黏土水化分散能力。如模拟地层温度在不同介质中浸泡页岩岩屑3 d，测试浸泡前后矿物组成变化，高性能水基钻井液1浸泡后黏土矿物（蒙脱石或伊利石）含量接近原始黏土组成，钻屑分散程度低，对比清水浸泡后黏土矿物损失较高，测试结果如图2所示。岩屑矿物组成可测试黏土矿物总量，以及黏土中蒙脱石等易水化分散组分的含量，表征页岩的水敏性；通过钻井液与清水浸泡后过筛洗涤，再次测试黏土矿物含量，可以表征钻井液抑制黏土水化分散的能力。需要说明的是，该方法仅作为钻井液对页岩井壁稳定能力的定性分析。

图2 页岩岩屑在不同介质浸泡后的黏土矿物含量

2.1.5 岩屑浸泡扫描电镜分析

为了评价页岩的孔缝和层理结构特征，可对页岩岩样（一般可采用页岩掉块）进行扫描电镜分析，同样可进行钻井液浸泡（多采用滤液）后再次扫描分析，以评价钻井液对页岩的稳定能力。如模拟地层温度90℃，分别使用高性能水基钻井液1和清水浸泡焦页6侧钻水平井龙马溪掉块3 d，扫描电镜观测表明，5 000倍放大可以看出高性能水基钻井液1保持片状层理和微孔结构完整，对比清水浸泡后结构破坏，孔径扩大率为100%～150%，如图3所示。该方法可较为直观地展现页岩的微观结构，以及滤液对页岩的稳定能力，但岩样平行和垂直层理扫描存在差异，同样平行层理也存在差异，该方法仅作为钻井液对页岩稳定能力的一个定性分析。

图3 焦页6侧龙马溪掉块扫描电镜5 000倍放大图

2.2 页岩岩心分析与评价

2.2.1 页岩岩心浸泡及抗压强度测试

模拟地层温度，使页岩岩心在不同介质中浸泡不同时间后，观察岩心外观的变化，并测试岩心强度变化，考察不同的介质对页岩岩心的影响情况，可作为评价钻井液井壁稳定能力的重要依据。由于页岩地层岩心样品数量少，获取难度大，往往采用与实钻岩心矿物种类和含量相当的露头岩心开展评价研究。如90℃时将页岩岩心连续浸泡，在不同的时间段取出岩心观察，测试抗压强度，如图4和图5所示。

图4 浸泡露头岩心抗压强度变化

图5 岩心在不同介质中浸泡的状态

由图4可知，岩心浸泡5 d后，在高性能水基钻井液和油基钻井液中的岩心强度较大，其他介质中的岩心强度均下降幅度较大；20 d内清水和常规水基钻井液浸泡的岩心均出现断裂，失去抗压强度；高性能水基钻井液2中浸泡60 d的岩心抗压强度降低；高性能水基钻井液1和油基钻井液浸泡90 d的岩心抗压强度变化较小。从图5可以看到，在清水或常规水基钻井液浸泡5 d后的岩心均出现不同程度的裂缝；在高性能水基钻井液和油基钻井液中浸泡90 d的岩心外观没有明显变化。说明了高性能水基钻井液1与油基钻井液具有较长的页岩稳定周期，高性能水基钻井液2次之。该方法可以模拟地层温度，测试岩样在不同钻井液中浸泡的稳定周期，操作简便，复测性较强，可定性说明钻井液井壁稳定能力，但模拟实钻程度较低。当然，浸泡岩心也可以放置在密闭承压容器，并充入一定压力的氮气模拟地层压力，然而，密闭承压容器不易长期密封和观察，需要每隔1～2 d检查一次容器压力，可测试岩心在90℃、3.5 MPa浸泡5 d后抗压强度的变化，评价岩心的压力敏感性。

2.2.2 页岩岩心三轴强度测试

通过页岩岩心三轴强度实验可以获得岩石在特定条件下的应力-应变曲线，研究岩样的变形和破坏规律，并求得岩样的三轴抗压强度、静态杨氏模量、静态泊松比、内聚力和内摩擦角等量化表征岩样抗破坏能力的岩样强度参数。同样可进行钻井液浸泡后测试，以评价钻井液对页岩的稳定能力。如模拟地层温度90℃，分别使用不同介质浸泡龙马溪露头岩心30 d，进行力学性能测试，三轴抗压强度变化如图6所示。

图6 浸泡露头岩心三轴抗压强度变化

由图6可知，岩心在不同介质中浸泡后，三轴抗压强度都有降低的趋势，但油基钻井液浸泡后岩心抗压强度降低了16%，高性能水基钻井液浸泡次之，再次为聚磺钾盐钻井液，清水浸泡15 d碎裂，失去抗压强度。该方法可模拟地层施加三向不同的压力，更加贴近地层内岩样受力状况，测试较单轴抗压强度测试贴近实钻情况[7-8]，但仍存在难以模拟页岩易破碎胶结层面的稳定情况，且操作较为繁琐，仪器费用较高，该方法可作为表征井壁稳定的数据之一。

2.2.3 页岩岩心封堵实验

测试钻井液污染前后的页岩岩心渗透率变化，可作为钻井液井壁稳定能力（重点是封堵能力）的一项参考数据。评价不同类型的钻井液污染对露头岩心渗透率的影响，结果见表2。

由表2中数据可知，高性能水基钻井液在露头岩心渗透率测试中12 h未通，可以认为渗透率接近0，渗透率降低率接近100%，具有较好的岩芯封堵效果。常规水基钻井液难以形成致密的封堵层，导致岩心渗透率降低较多。该方法可以表明钻井液的封堵能力，缺点是页岩渗透率极低，要求测试仪器承压能力和密封性较强，误差率较高。

表2 不同钻井液的岩心渗透率降低率实验结果

3 结论与建议

页岩地层的井壁稳定问题是制约其开发的主要因素之一，影响井壁稳定的因素较多，如钻井液的密度、抑制性、封堵能力、活度平衡以及与防漏堵漏的关系等。有机构和学者开展了岩石连续刻划强度测试、岩石裂缝扩展层析成像测试等大型仪器分析；也有对多种评价数据相关性进行分析，更加精准地评价井壁稳定能力。

建议根据不同的地层水敏性及微孔缝层理发育选择合理评价测试方法：①黏土矿物含量较高，水敏性较强的地层重点评价岩屑滚动回收、Zeta电位、活度和矿物组成等；②微孔缝和层理较为发育的地层重点评价扫描电镜、抗压强度、三轴强度和岩心封堵实验等；③现场易采用岩屑滚动回收等较为简洁的测试方法，并考虑地质、工程和钻井液等因素，为现场井壁失稳的预防和快速处理提供技术支撑，以期实现低成本环保开发页岩气资源。