浅谈页岩气藏地层井壁水化失稳机理与抑制方法

宋永康

摘要：世界能源对页岩气藏的非常规能源需求日益攀升，页岩气的勘探开发嫌弃新型能源开发浪潮，页岩气藏开发成为全球能源开发热点。国内页岩气藏开发对外需求仍然存在，开发主力军是中石油和中石化，中石油作业区块分布在四川盆地及其周边，中石化作业区块在重庆涪陵及其周边;在天然气供需矛盾凸显的情况下，开发高质量页岩气成为改变油气供需矛盾最重要的组成部分。页岩气的开发会出现井壁失稳等问题，井壁失稳会导致卡钻、井眼报废等问题，给钻井工程带来巨大损失。页岩气井水平井段井壁失稳是目前页岩气资源勘探开发关键技术难题，全面了解页岩气藏井壁稳定性研究进展十分重要。本文综合国内外研究进展对井壁稳定性进行归纳总结，揭示了页岩地层井壁水化失稳机理和抑制方法。

关键词：页岩气井;井壁水化;井壁失稳;表面自由能

引言：

页岩气藏对增储上产十分重要，可以有效解决油气资源紧张，保障国家能源安全。页岩气藏是一种非常重要的非常规气藏，当前因为国内经济的高速增长，谷内的页岩气藏开发当前正处在一种技术不完全的階段，很多重点区域已经成为页岩气藏开发的的前沿阵地，但是在具体的开采钻井中也暴露出很多作业工程上的难点，最让业界关注的作业工程重点难点是页岩气藏的地层在作业过程之中频繁发生井壁坍塌事故。

国内最初研究页岩气藏井壁稳定性中主要集中在研究页岩气藏井壁水化对井壁安全稳定性的影响上，现在随着页岩气藏的井壁坍塌机理逐渐将研究转移到

页岩本身的层理构造上来，逐渐发现井壁失稳的抑制机理。

一、国内外页岩气藏地层井壁水稳定性研究情况

1850年左右是采井井壁稳定研究的最早追溯时间，从第一篇研究采井井壁稳定性的文章发表一直到现在来讲，和采井井壁稳定性有关的研究论述逐渐在增加，虽然研究井壁稳定性的论述著作数量变得越来越多，但研究方法还是历经了诸多阶段，例如力学、化学、力化耦合等研究阶段。在20世纪的70年代前，力学与化学研究是属于各自独立的，没有有机统一结合。

直到七十年代开始，一直到九十年代，研究人员逐渐把化学和力学研究结合统一起来，但是仅仅只是停留在研究的实验层面，结果并不准确。直到就是年代莫得时候，力学才和化学有机统一起来，这也促使页岩气藏的井壁稳定性研究彻底迈进可以定量实验模拟的具体分析阶段。

1.井壁稳定的力学研究

在力学的范畴之内，岩石的强度不稳定主要是因为岩石强度不能对破坏应力进行强有力的抵抗采造成的。

在这一思想的研究基础之上，研究人员做了大量的实际实验工作，同时取得研究成果的飞跃，1940年，关于井壁稳定性问题的第一篇研究文章问世，在文中的假设中描述了应力在水平井四周的弹塑性井眼分散的情况。

2002年对非线弹性对井眼四周应力如何产生具体作用做研究，得出弹性模型对井内四周井壁应力估计过大的研究结果。

2.井壁稳定的化学研究

在页岩气藏地层之中，因为泥浆和黏土矿物产生的水化作用，此作用直接造成围岩的强度变小，直接造成井壁坍塌;黏土矿物的具体水化作用是对井壁失稳造成坍塌的主要原因;技术人员对问题的解决重点在于页岩气藏地层水化作用的防塌处理研究上，取得了长足的进展。

3.井壁稳定力的化耦合研究

20世纪90年代，井壁的耦合进行一个研究高产阶段，很多研究都出具了研究模型供业界探讨。

二、页岩气藏地层井壁稳定性机理研究

页岩气藏地层井壁水化的抑制原理主要是依据热力学第二定律，物质总有自发地减小表面自由能的趋势，可以通过一定的吸附作用去改变湿润性，以此降低体系的自由能，这和物质界面的动力学、湿润性和吸附性特征都有很大的关系。所以，可以通过把页岩表面的自由能去减少页岩对水分子的吸附，充分的抑制页岩表面的水化程度，稳定井壁。页岩和水与空气组成的体系中，能通过在页岩表层接触角的情况计算出页岩表面的自由能。

根据式，能够让水在页岩表面接触角的抑制剂显著的增强，对页岩表层自由能进行有效降低，对表面水化起到抑制作用。

三、页岩气藏地层井壁水化失稳抑制方法

1.多碳醇可将页岩表面抑制性能改变

使用细砂纸将页岩岩样的表面打磨光滑，页岩的岩样厚度在打磨后要保持在 3-5 mm，将页岩的岩样置于5%多碳醇水溶液中，浸泡24小时之后在干燥箱中 80℃下干燥6小时，冷却2小时后，页岩岩样在经过5%多碳醇水溶液更改性状后疏水性明显变强;页岩岩样经多碳醇进行改性后，岩样表面的自由能明显变小，页岩岩样表面吸附水分子的强度减弱，这样的方式很大程度的对页岩岩样表面的水化表现起到抑制的作用，在实际的作业中非常有利于气藏的井壁稳定。

2.岩样在多碳醇溶液中膨胀作用

多碳醇可以对页岩的岩样表面水化起到抑制作用，进一步抑制页岩岩样水化的分散与膨胀，多碳醇对页岩岩样的稳定作用显而易见。

3.岩样的单轴压缩

因为水分子在侵入页岩岩样之后，岩样中的裂缝和孔隙逐渐变多并且出现微裂，页岩的强度明显下降，和没有被浸泡过的岩样相比较之后强度基本相似，这说明多碳醇可以将井壁表面水化为主的页岩的抗压强度有效保持，对井壁的安全稳定性的保持非常有利。

四、页岩气藏地层井壁水化失稳的抑制展望

页岩井壁稳定问题属于非常复杂的实际问题，为了实际生产应用考虑，提出以下几点展望：

1.因为钻井的过程里地应力有加强时效作用，所以采用先进的钻具及时获取井壁信息，可以提高待钻地层参数精准度，充分完全钻前对井壁稳定性的探寻。

2.页岩气藏地层的水化机理是了解研究井壁稳定的基础，一定要高度重视，主要涉及页岩成分和微结构等。

结论：

要实现页岩气藏地层钻井过程中井壁稳定，必须一致井壁表面水化。基于热力学的第二定律，可以通过利用降低页岩表面自由能的方式去抑制页岩井壁表面水化，建立利用多碳醇吸附的作用，以此改变井壁的湿润度，有效降低页岩井壁表面自由能，抑制页岩井壁表面水化产生的膨胀和分散。

参考文献

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[3]邹才能，董大忠，王社教，等.中国页岩气形成机理-地质特征及资源潜力.石油勘探与开发，2010，37（6）：641-651.

（辽河油田钻采工艺研究院 辽宁 盘锦 124010）