延长区块炭质泥岩高性能水基钻井液研究

薛少飞，李伟，张文哲，王波，殷嘉伟

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075）

延长地区页岩气井页岩井段黏土矿物以伊利石为主，黏土质量分数高达40%以上，且目的层段常钻遇有泥岩、灰黑色泥岩、炭质泥岩及煤岩等不同岩性，不同岩性间胶结作用差，井壁坍塌风险高[1-3]。对此，开展了高性能有土甲酸盐水机钻井液研究，有效解决了长炭质泥岩、煤岩井段井壁稳定性问题。陆相页岩气水平井YYP-10井的水平段为1 000 m，其中炭质泥岩、煤岩井段连续长达200 m，在陆相页岩气水平井YYP-10井中应用的改进型高性能水基钻井液PYW-2，进一步优化了体系配方，保证了优异性能的同时，节约了成本。

1 延长页岩气井井壁不稳定机理分析

1.1 地质、力学因素

延长区块陆相页岩气水平段钻探层位为山西组，包含有大段炭质泥岩、煤层。山西组炭质泥岩具有层状结构，因此，地层在垂直方向上胶结力较弱，层与层之间胶结力小，在钻井过程中，应力释放（卸荷）、钻具机械扰动极易导致井壁岩石破裂，使炭质泥岩沿层理呈片状剥落掉块，诱发井壁失稳，坍塌压力PC大幅上升[4-5]。

1.2 化学因素

延长区块山西组泥页岩、炭质泥岩微裂缝、微裂隙发育，毛细管效应突出；含有可水化的阳离子（如Na+等）水化，削弱不同岩性交界处的联结，在外力作用下，易碎裂垮塌[6]。

炭质泥岩具有一定的水化能力，若滤液pH值过高，OH－与层面负电荷较高的氧原子可以形成强烈的氢键作用，促进层间水化作用。泥页岩阳离子释放可能是间歇式的或无规律性变化，会导致水化不均匀，表现为突发性垮塌[7]。

2 水基钻井液PYW-1性能优化评价

2.1 抑制剂优化

在原高性能水基钻井液PYW-1中，采用甲酸钾作为体系的抑制剂和加重剂，但在陆相页岩气系列水平井YY-7、YY-8、YY-9井的应用情况中发现，由于其抑制性过强影响膨润土水化分散和造浆能力，导致初次配浆后黏度和切力过低，不利于携岩和稳定井壁。现在原配方的基础上，将甲酸钾的加量进行优化，另在体系中引入重晶石作为复配加重剂，实验结果如表1。

表1 抑制剂加量对水基钻井液PYW-1性能影响

配方：4%膨润土+0.2%纯碱+0.15%XC+0.03%烧碱+2%降滤失剂+2%QS+3%封堵剂RL-2+5%无水聚合醇WJH-1+3%白油+甲酸钾+重晶石。

实验结果表明，在甲酸钾加量为25%和重晶石加量为25%时，钻井液体系具有最小的API失水量（2 mL），且具有较高的切力和适当的黏度，能够有效地携带岩屑，防止泥页岩、炭质泥岩井段水化膨胀。为进一步探究优化后高性能水基钻井液PYW-2的抑制性和沉降稳定性，对其进行抑制性和沉降稳定性评价，结果如图1和表2所示。

图1 PYW-2沉降稳定性评价

表2 PYW-1和PYW-2抑制性评价

实验结果表明，经优化后的高性能水基钻井液PYW-2体系在静置6 d的情况下，沉降因子一直小于0.52，仅在第6 d有所增大，说明其具有良好的沉降稳定性。高性能水基钻井液PYW-2滚动回收率仅比PYW-1低0.5%，高达96.2%；线性膨胀率仅高2.8%，达到了7.3%，说明高性能水基钻井液PYW-2体系依然具有强抑制性，能够有效抑制泥页岩、炭质泥岩段水化膨胀，保证井下安全。

2.2 封堵剂优化

延长区块泥页岩、炭质泥岩这类地层富含微裂缝、细微裂缝，孔隙细小，为纳米至微米级范畴，属低孔、低渗地层，其渗透率多在10-3～10-7mD之间[8]。若采用油基钻井液，首先能够免除水对炭质泥岩地层的不利影响，加上其本身所具有强抑制性和毛管附加阻力，使体系中微小固相颗粒和油相滴珠对裂缝地层进行有效封堵；但是其昂贵的成本、严重的污染限制了油基钻井液的使用[9]。而针对延长地区地层所研制的陆相页岩气钻井液PYW-1已经可以在延长区块替代油基钻井液，满足现场的正常钻井。但是，在面对复杂地层时，其封堵性能还稍有不足。因此，在改进型高性能水基钻井液PYW-2中，需进一步优化封堵性，拟优选一种或几种封堵剂与现体系中封堵剂RL-2进行复配，从而实现对纳微米裂缝的多级填充，增强体系的封堵性。

经文献调研和室内的初步优选后，拟采用封堵剂EP-2、JB53、MN-1中一种或几种与RL-2进行复配，实验结果如表3所示，其中各种类封堵剂均已采用最优加量。封堵评价方法采用具有特低渗透（如10～4 mD级）的厚泥饼来进行模拟，K为含封堵剂钻井液体系的泥饼渗透率，用来表征封堵效果，K越小，说明封堵效果越好。

表3 封堵剂复配后钻井液性能参数及封堵效果

实验结果表明，采用微软变形封堵剂EP-2、微纳米封堵剂MN-1和纳米乳液封堵剂RL-2复配的钻井液体系拥有最小的API失水和泥饼渗透率（图2），以及较好的流变性。这3种封堵剂粒径大小分布合理，首先由粒径较大的纳米乳液RL-2微米级封堵颗粒先架桥，减小孔缝大小，随后较小的微米级封堵剂EP-2颗粒填充，使孔隙大小进一步减小，最后由微纳米级封堵材料MN-1封堵结束，有效实现对地层孔隙的微纳米级封堵。

图2 封堵剂复配后钻井液封堵效果

3 高性能水基钻井液PYW-2现场应用效果

经优化后的高性能水基钻井液PYW-2在陆相页岩气水平井YYP-10井成功应用，YYP-10井水平段为1 000 m，钻遇7套炭质泥岩、6套煤岩，复杂地层井段连续长达近200 m。表4为YYP-10井实钻钻井液性能，经现场应用证明，改进型高性能水基钻井液PYW-2能够有效稳定长炭质泥岩、煤岩等复杂地层井段，且具有携砂能力强、润滑性好、强封堵、强抑制和低成本等特性。

表4 YYP-10井实钻钻井液性能

4 结 论

延长地区页岩气井目的层段常钻遇有多套炭质泥岩及煤岩等复杂地层，不同岩性间胶结作用差，井壁坍塌风险高。在高性能水基钻井液PYW-1的基础上，对其抑制性和封堵性进行优化，优化后的配方为：4%有机土+0.2%纯碱+0.15%XC+0.03%烧碱+2%降滤失剂+2%QS+3%RL-2+5%EP-2+3%MN-1+5%无水聚合醇WJH-1+3%白油+25%甲酸钾+25%重晶石。经性能优化后的高性能水基钻井液PYW-2在YYP-10井应用证明新体系能够有效稳定长炭质泥岩、煤岩等复杂地层井段，具有携砂能力强、润滑性好、强封堵、强抑制和低成本等优点。