川西低渗气藏井壁修补强化钻井液技术

吴雄军 ，林永学 ，金军斌 ，李大奇 ，刘珂

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101）

0 引言

近年来，国内外在低渗气藏高效钻井液技术方面取得了显著进展［1-3］，在一定程度上解决了低渗气藏钻探过程中出现的井壁失稳、水平段延伸能力不足等问题，保障了低渗油气资源的勘探开发。但是，随着我国油气资源战略的推进实施，勘探开发不断深入，低渗气藏高效钻井液技术面临复杂地质环境下的诸多挑战［4］。以川西低渗气藏为例，受构造运动强烈挤压，沉积物严重致密化，地下断裂发育且发育程度不均衡，属于典型的致密砂岩裂缝性气藏。该类气藏上三叠统和侏罗系陆相碎屑岩地层，如沙溪庙组、千佛崖组、须家河组等，钻进过程中经常发生掉块型井壁失稳，不仅会显著增加钻井综合成本，而且还会延误低渗油气资源的勘探开发进程［5-6］。笔者以川西低渗气藏主力开发气藏沙溪庙组地层为主要研究对象，开展了川西低渗气藏井壁失稳原因分析，研制了井壁修补强化钻井液处理剂，开发了川西低渗气藏井壁修补强化钻井液技术，为川西低渗气藏的“提速、提产、提质、提效”开发提供了有力的技术支撑。

1 川西低渗气藏井壁失稳原因分析

1.1 地层特性

川西陆相低渗储层沙溪庙组分为2段。其中：沙溪庙组上段以紫红色含钙质泥岩为主，夹厚层长石石英砂岩；沙溪庙组下段以厚层岩屑长石砂岩、岩屑石英砂岩为主，偶夹紫红色泥岩。物性分析结果表明，储层平均孔隙度为8.66%，平均渗透率为0.021×10-3μm2，属低渗中低孔储层。

从沙溪庙组地层岩样的显微镜照片（见图1）中可以看出，地层岩性以细—中粒岩屑长石砂岩为主，粒间微孔隙及粒内微裂缝发育，且微裂隙尺寸分布范围广，表现出明显的非均质性。

图1 沙溪庙组地层岩样显微镜照片

1.2 黏土矿物分析

采用X射线衍射仪分析了川西低渗气藏侏罗系蓬莱镇组和沙溪庙组2个主力产层的岩样黏土矿物组成，结果见表1。

表1 蓬莱镇组和沙溪庙组岩样黏土矿物组成

从分析结果可以看出，蓬莱镇组和沙溪庙组黏土矿物中伊利石质量分数高达30%以上，蒙皂石质量分数为0，伊/蒙混层质量分数在2.92%～10.88%，且间层比较低，属于典型的硬脆性泥页岩。

1.3 井壁失稳原因

综合地层特性分析结果和黏土矿物分析结果可以看出，川西低渗气藏沙溪庙组地层微裂隙发育，采用水基钻井液钻进时，若体系中缺少与地层微裂隙相匹配的微纳米封堵材料，将难以对微纳米级的地层裂隙进行有效封堵［7］。钻井液滤液沿裂缝侵入后，一方面会使得微裂隙内孔隙压力增加，弱面摩擦力降低，地层坍塌压力上升；另一方面还会使得微裂缝中的片状黏土矿物发生水化膨胀，产生膨胀压力。在两方面因素的共同作用下，裂隙周围的原有应力平衡状态将不可避免地被打破，引起硬脆性泥页岩快速分散、剥落，并诱导产生更多新的裂缝或微孔，加速钻井液滤液的进一步侵入，从而导致井周应力的整体改变，引发严重的剥落掉块与井壁坍塌［8-9］。因此，川西低渗气藏钻井液体系选择时应当首先考虑其与地层裂隙相匹配的封堵防塌性能。

2 井壁修补强化钻井液技术

2.1 井壁修补强化剂研制

2.1.1 井壁修补强化剂合成与表征

针对川西低渗气藏地层裂隙发育、非均质性明显、钻井液体系选择时难以与不同尺寸微裂隙准确匹配的问题，采用水分散聚合方法设计合成了一种含有温度响应结构和分子链膨胀控制结构的亲水性交联聚合物——井壁修补强化剂（SM-SCH）。

合成反应步骤：配制25%（质量分数，下同）的硫酸铵溶液，加入1.50%～3.00%的丙烯酰胺（AM）和3.00%～5.00%的丙烯酸（AA）；然后，加入3.45%～5.75%的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化胺（DMC）；搅拌均匀后，再加入1.20%～2.75%的交联剂N-N/-亚甲基双丙烯酰胺复配物和0.04%～0.10%的引发剂2，2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二盐酸盐；在保持充分搅拌的条件下，通入氮气30～45 min，在 65 ℃下反应 4～6 h 即可得到 SM-SCH［10］。

对合成产物SM-SCH进行红外光谱分析（见图2）。

图2 SM-SCH红外光谱

从图2可以看出，3 426.8 cm-1处见酰胺羰基振动峰，1 635.6 cm-1处见羧酸羰基振动峰，963.8 cm-1处见羟基振动峰，1 491.5 cm-1处见与N相连的—CH2振动峰。——说明合成产物SM-SCH分子结构中含有3种聚合单体的结构单元，达到了预期的设计目的。

2.1.2 井壁修补强化剂性能评价

采用扫描电子显微镜对合成产物SM-SCH的形貌进行观察，结果见图3。可以看出，SM-SCH为粒径分布在0.5～7.0 μm的球形颗粒，粒径主要集中在2.5 μm左右。——说明SM-SCH用作钻井液处理剂时，可进入微纳米尺度的地层微裂隙中实施封堵。

图3 SM-SCH扫描电镜照片

采用激光粒度分析仪测试了SM-SCH在4%膨润土浆中的原始尺寸和在不同温度下老化2 h后的平均粒径，考察了SM-SCH的温度响应性能和膨胀性能。实验结果见表2。

表2 不同温度下SM-SCH在膨润土浆中的平均粒径

从表2可以看出，SM-SCH分散在 22°C，4%膨润土浆中2 h后，平均粒径为2.71 μm，较合成产物原始粒径略有上升。在70℃以下的温度条件下热滚老化2 h后，SM-SCH的平均粒径增大并不明显，吸水膨胀倍率均在2.5以内。当热滚老化温度达到75℃后，在温度的激发作用下，SM-SCH平均粒径增大至42.95 μm，表现出良好的温度激发吸水膨胀特性，膨胀倍率超过15.0。值得注意的是，当热滚老化温度继续升高时，SMSCH的平均粒径基本保持不变。由此说明，SM-SCH可在75℃时被激发，产生明显的吸水膨胀。当然，SMSCH的激发温度和吸水膨胀倍率还可以根据地层需要，通过对聚合单体加量的改变进行调整。考虑到SMSCH合成产物的平均粒径分布，当它被用作钻井液处理剂时，在地层温度下被激发，可以有效提高钻井液体系的封堵范围，实现对不同尺寸微裂隙的准确匹配与有效封堵。

2.2 钻井液封堵剂优选

川西低渗气藏主力产层蓬莱镇组和沙溪庙组地层中微裂隙发育。对中江-高庙区块地层的微观测试数据表明，地层中存在大量尺寸在1 μm以下的微裂隙。以江沙某井为例，1 μm以下的微裂隙占比约为40%，1 μm以上的裂隙主要集中在1～10 μm，占比约为45%，最大裂隙约为34.5 μm。对比发现，SM-SCH能够在地层温度激发下吸水膨胀，实现对上述尺寸微裂隙的匹配封堵，但吸水膨胀后SM-SCH的强度不可避免会有所降低。为进一步提高对微裂隙的封堵强度，有必要向封堵材料中补充一定量的刚性颗粒类封堵材料［11］。利用D90理想充填模型，对不同粒径的超细碳酸钙和改性石蜡的配比进行了优化计算，得到最佳（质量）配比——3 000目超细碳酸钙∶2 500目超细碳酸钙∶1 500目超细碳酸钙∶改性石蜡=2∶4∶3∶1（记作 SM-P1）。

采用FDS动态滤失及地层伤害评价系统，利用取自江沙区块沙溪庙组的地层岩心进行封堵性优化评价实验（温度设定在75℃），以测试4%膨润土浆中加入不同质量分数的SM-SCH和SM-P1后对地层岩心的封堵效果。具体实验步骤为：1）采用模拟地层水，以0.025 mL/min的恒定流量，测试通过岩心时的稳定压力p1；2）用添加不同封堵材料的膨润土浆在4.2 MPa的压力下对岩心动态污染30 min；3）采用模拟地层水以与之前相同的恒定流量，测试通过污染后的岩心时的稳定压力p2。则封堵率η的计算公式为

实验结果见表3。

表3 不同配比的封堵剂对岩心的封堵效果

从表3可以看出：单独加入3%的SM-SCH或SMP1时，对岩心的封堵率低于85%；当两者复配使用时，对岩心的封堵率得到明显提高，封堵率超过90%，且随着两者质量分数的增加，封堵效果更好。结合经济性考虑，将2%SM-SCH+2%SM-P1作为钻井液封堵材料推荐配方。

2.3 钻井液抑制剂优选

利用川西低渗气藏中江区块X井沙溪庙组岩心和岩屑，通过线性膨胀率实验和岩屑回收率实验，进行钻井液抑制剂优选［12］。实验结果见表4。

表4 岩心和岩屑在不同抑制剂中的线性膨胀率和回收率

由表4可以看出，沙溪庙组岩心在3.0%铝基聚合物防塌剂和3.0%聚胺抑制剂溶液中的线性膨胀率最低，明显低于在其他几种抑制剂溶液中的测试结果。综合考虑岩屑滚动回收率实验结果，选择3.0%聚胺抑制剂为钻井液体系推荐抑制剂。

2.4 钻井液润滑剂优选

川西低渗气藏孔隙度小、渗透率低、非均质性强、自然产能低，为提高单井产量和采收率，大多采用水平井钻井技术。由于水平井造斜率高、造斜段泥岩段长和钻井液密度高等不利因素，造成定向段托压严重、机械钻速低、钻井作业风险大［13］。此外，由于川西地区水系发达，生态环境脆弱，对钻井液润滑剂的环境可接受性也提出了较高的要求。在室内合成环保高性能润滑剂SMLUB-E的基础上［14］，采用极压润滑系数和泥饼黏附系数测定实验，对比评价4%膨润土浆中加入不同质量分数的SMLUB-E与常用润滑剂时的润滑性能［15］。实验结果见表5（热滚老化条件均为120°C，16 h）。

表5 不同润滑剂润滑性对比评价实验

由表5可以看出，SMLUB-E在较低的质量分数条件下即可获得明显优于常用极压润滑剂和抗温抗饱和盐润滑剂的润滑性能，2% SMLUB-E下的极压润滑系数和泥饼黏附系数与6%原油相当。因此，选择2% SMLUB-E作为钻井液润滑剂推荐配方。

2.5 钻井液性能评价

根据处理剂的优选结果，研究形成了适用于川西低渗气藏的井壁修补强化钻井液体系推荐配方。即：4%膨润土浆+2% SM-SCH+2% SM-P1+2% SMLUB-E+（0.5%～1.0%）水解聚丙烯腈钾盐+0.2%氢氧化钾+（0.3%～0.5%）LV-PAC+（3%～5%） 氯化钾+（0.4%～0.6%）生石灰+（0.1%～0.2%）黄原胶+重晶石。

2.5.1 常规性能评价

对钻井液体系推荐配方在120℃热滚老化16 h前后的常规性能进行评价［16］，结果见表6。

表6 钻井液体系推荐配方常规性能评价

从实验结果看，按推荐配方配制的井壁修补强化钻井液体系在120℃老化16 h后，体系黏度和切力虽略有上升，但变化幅度均较小，钻井液流变性能保持良好。值得注意的是，钻井液高温老化后，高温高压滤失量明显降低。——说明SM-SCH与其他钻井液处理剂具有良好的配伍性能，在温度激发下产生的吸水膨胀作用，进一步增强了钻井液体系的封堵性能。

2.5.2 综合性能评价

评价了钻井液体系推荐配方在120℃下热滚老化16h前后的综合性能。实验结果见表7。

从表7可以看出，井壁修补强化钻井液体系推荐配方在120℃老化前后，钻井液性能整体保持稳定。得益于SM-SCH的温度激发后吸水膨胀特性，钻井液体系岩心封堵率进一步提高，表现出良好的封堵防塌性能和润滑减阻性能。

表7 钻井液体系推荐配方综合性能评价

3 现场应用

井壁修补强化钻井液在川西低渗气藏GS311HF，JS211-2HF井进行了现场应用，有效解决了沙溪庙组井壁失稳和定向段托压问题，取得了良好的应用效果。

GS311HF井位于川西坳陷新场构造带高庙子构造，该井的目标层位为沙溪庙组下段JS33-1层，上部主要钻遇剑门关组、蓬莱镇组、遂宁组地层。已完钻井的井史资料显示，川西地区蓬莱镇组、遂宁组、沙溪庙组等地层在钻开后均不同程度出现井壁掉块失稳现象，其中以沙溪庙组尤为严重。GS311HF井同区块邻井在2 385～3 100 m井段均发生明显的井壁失稳现象。

GS311HF实钻过程中见明显掉块（见图4a），起下钻摩阻在78.4～117.6 kN；自2 329 m转换井壁修补强化钻井液后，掉块明显减少。通过适时补充SMSCH和SM-P1等封堵材料和SMLUB-E润滑剂，有效提高了钻井液体系的封堵防塌性能和润滑减阻性能，在易于发生井壁失稳的2 385～3 100 m井段未见明显掉块，返出的钻屑规则、完整（见图4b），水平段起下钻摩阻降为39.2～58.8 kN。测井曲线表明，该井沙溪庙组转换钻井液体系前施工井段平均井径扩大率为13.52%，转换后施工井段平均井径扩大率降为5.36%，取得了良好的井壁稳定和润滑减阻效果。

图4 转换井壁修补强化钻井液前后返出岩样照片

4 结论

1）采用水分散聚合方法设计合成了一种能够在温度激发下吸水膨胀的井壁修补强化剂，研制了可对不同尺寸微裂隙实施准确匹配与有效封堵的封堵材料配方。在此基础上，优选了聚胺抑制剂、环保高性能润滑剂等核心处理剂，形成了适用于川西低渗气藏的井壁修补强化钻井液。

2）室内评价表明，井壁修补强化钻井液具有良好的封堵防塌和润滑减阻性能，能满足川西低渗气藏水平井钻井过程中的井壁稳定和润滑减阻需求；现场试验表明，该体系能有效解决川西低渗气藏沙溪庙组水平井施工中存在的井壁失稳和定向段托压难题。