CN106753288A - 一种利用泥浆优化技术抑制泥页岩水化膨胀的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用泥浆优化技术抑制泥页岩水化膨胀的方法，包括以下步骤：步骤一、加入降失水材料，满足降低泥浆失水FL≤4.0ml，从而防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块；步骤二、加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度；步骤三、加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定；步骤四、提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全；利用该方法可有效降低泥浆失水、加强泥浆抑制性及封堵防塌性、提高泥浆携岩能力，大幅降低泥页岩段的施工风险，保障页岩气井钻探及测井施工安全顺利实施。

Description

一种利用泥浆优化技术抑制泥页岩水化膨胀的方法

技术领域

本发明属于页岩气井钻井工艺新技术，特别涉及一种利用泥浆优化技术抑制泥页岩水化膨胀的方法。

背景技术

随着我国国民经济快速发展，能源需求日益增长，油气对外依存度处于高位。在北美页岩气商业开发取得成功的背景下，页岩气作为一种清洁高效的绿色能源，在我国未来能源供应中被寄予厚望。我国页岩气资源潜力巨大，近年来分阶段开展页岩气勘探开发工作，截至目前,我国页岩气开发已累计完成各类页岩气钻井400余口,其中在涪陵焦石坝页岩气田、威远-长宁页岩气田已取得了重大产气突破。但在实际钻井过程中出现系列工程技术难题，“井壁失稳”即是其中之一，并带来巨大的井下安全风险，迫切需要解决。

造成井壁失稳的原因错综复杂,一般可归结为两方面的因素:地层力学因素和物理化学因素，归根结底是井壁力学不稳定所致：一是泥浆密度过低，泥浆液柱压力难以支撑力学不稳定的地层；二是泥浆液柱压力高于地层孔隙压力，驱使泥浆进入泥页岩孔隙,产生压力穿透效应，使井眼附近的泥页岩含水量增加,孔隙压力增大,导致泥页岩强度降低。其机理分析如下：1、泥浆的浸入使泥页岩含水量增加，密度下降，沿井眼周围产生微裂缝，导致泥页岩强度降低；2、井眼周围压应力过高会产生微裂缝，裂纹变深变宽会引起井壁坍塌和井眼扩大；3、在水敏性泥页岩中，稳定作用取决于颗粒表面之间的氢键(由泥页岩颗粒表面的硅醇形成)。当水溶液削弱了泥页岩颗粒之间的结合力时,强度降低,粘土的膨胀力便成为泥页岩分散的主要因素，因此控制泥浆中自由水渗入泥页岩是井壁稳定的关键措施；此外，地层的裂缝和微裂缝发育可增大黏土与水的接触面积,加剧泥页岩的水化裂解。

目前针对泥页岩地层垮塌的预防处理主要是采用钾基钻井液和油基钻井液。钾基钻井液通过调整K⁺含量来改变泥浆性能，从而抑制泥页岩的水化膨胀，但由于其对测井曲线有影响并且实际防膨防塌效果有限而受到一定的制约。油基钻井液防塌效果极佳，但成本高、有一定的毒性，在环保要求较高的地方使用受到一定的制约。

发明内容

为了更好的解决井壁失稳难题，减少井下安全风险，保障钻完井施工及测井作业顺利安全，本发明的目的在于提供一种利用泥浆优化技术抑制泥页岩水化膨胀的方法，基于渝东南地区页岩气多口井的实钻数据以及区域地质特征、泥页岩的物理化学特性，抑制泥页岩水化膨胀，有效控制井壁垮塌程度，保障井下作业安全，具有较好地区域适应性及可移植性,且成本低廉，具有一定的推广价值。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用泥浆优化技术抑制泥页岩水化膨胀的方法，包括以下步骤：

步骤一、加入降失水材料，满足降低泥浆失水FL≤4.0ml，从而防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块，加入的降失水材料及用量占泥浆总质量比如下：抗温抗盐降滤失剂SPNH：3％-5％；聚阴离子纤维素LV-PAC：0.5％-0.8％；

步骤二、加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度，加入的泥浆抑制剂及用量占泥浆总质量比如下：聚胺抑制剂NH-1：0.5％-0.8％；甲基葡萄糖甙MEG：3％-5％；

步骤三、加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定，加入的封堵防塌剂及用量占泥浆总质量比如下：纳米级乳化石蜡SDJ-2：1％-2％；磺化沥青粉FT-342：2-3％；超细碳酸钙QS-2：2％-3％；

步骤四、提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全，加入的配药名及用量占泥浆总质量比如下：预水化膨润土浆：7-8％；高黏HV-CMC：0.3％-0.5％。

利用该方法可实现：在井壁表面形成薄而韧的泥饼，有效降低泥浆失水、加强泥浆抑制性及封堵防塌性，并可有效提高泥浆携岩能力，从而大幅降低泥页岩段的施工风险，保障页岩气井钻探及测井施工安全顺利实施。

实验数据表明，按本发明方法处理过的泥浆页岩回收率高达97.6％，页岩膨胀率10.13％，说明该泥浆对页岩具有较强的抑制能力。

原理及优点：

有机胺钻井液和甲基葡萄糖甙钻井液具有很强的泥页岩抑制、防塌能力，本发明综合了两种钻井液的优点，其抑制性、润滑性优于单一体系产生的效果。

甲基葡萄糖甙钻井液具有油基钻井液的某些特征，具有良好的页岩抑制能力，MEG抑制机理如下：

(1)膜效应。MEG为糖类衍生物，其分子结构含有4个亲水基和1个亲油基。亲水基通过氢键吸附在井壁表面上后，形成一层憎水膜，可降低页岩表面水化作用，从而提高井壁稳定性。(2)封堵作用。MEG中悬浮胶状物可有效封堵泥页岩孔隙和裂缝，阻止泥浆滤液进入页岩内部，降低泥页岩水化趋势。

有机胺钻井液体系是近年来国外发展起来的一种高性能水基钻井液，被认为可以替代油基钻井液。其实质是应用了一种新的有机胺泥页岩抑制剂。这种胺类抑制剂有很强的抑制能力和防钻头泥包能力，是页岩气井钻探的优选体系。有机胺类抑制剂抑制机理如下：

有机胺抑制剂是在聚醚的分子链中引入胺基基团，具有非离子和阳离子表面活性剂的双重特征，这种分子结构独特，可充填在粘土层间，并把它们束缚在一起，能有效地降低粘土水化膨胀；胺分子通过金属阳离子吸附在粘土表面，或者是在离子交换中取代了金属阳离子形成了对粘土的束缚，从而抑制页岩膨胀。

甲基葡萄糖甙和有机胺均具有优良的抑制泥页岩水化能力，甲基葡萄糖甙除具有强抑制性外，在降低泥浆润滑系数方面也有不错的表现。由于甲基葡萄糖甙做为抑制剂使用时加量较大，成本较高，因此在发明中主要作为润滑剂使用，在抑制性方面仅为辅助作用。本发明综合了两种抑制剂的优点，其抑制性优于单一产品达到的效果。

现场应用效果表明，该发明的优化技术具有的优点：(1)可以抑制大多数活性页岩，提供良好的井壁稳定性；(2)低的剪切稀释率，有利于提高悬浮钻屑能力；(3)防泥包能力强，润滑性好，有利于提高钻速；(4)流变性好，固相含量低，抗污染能力强；(5)可生物降解性强，有利于环保。该技术可以认为是替代油基钻井液且又能安全钻进的一类性能更高的水基钻井液，成本比油基钻井液低，易于维护处理。

本发明适用范围：页岩气钻井中的直井、小斜度定向井、水平井的斜井段(井斜小于45°)，地温不超过80℃的井。

具体实施方式

下面对本发明所依据的渝东南区块泥页岩层段的井壁防膨防塌进行实施方式说明。

实施例一

本实施例包括以下步骤：

步骤一、加入降失水材料，满足泥浆API滤失量≤4.0ml，从而防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块，加入的降失水材料及用量占泥浆总质量比如下：抗温抗盐降滤失剂SPNH：3％；聚阴离子纤维素LV-PAC：0.5％；

步骤二、加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度，加入的泥浆抑制剂及用量占泥浆总质量比如下：聚胺抑制剂NH-1：0.5％；甲基葡萄糖甙MEG：3％；

步骤三、加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定，加入的封堵防塌剂及用量占泥浆总质量比如下：纳米级乳化石蜡SDJ-2：1％；磺化沥青粉FT-342：2％；超细碳酸钙QS-2：2％；

步骤四、提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全，加入的配药名及用量占泥浆总质量比如下：预水化膨润土浆：7％；高黏HV-CMC：0.3％。

效果及优点：通过该方法在渝东南地区的实验，濯页3井(1700-2150)m泥页岩段的井径扩大率控制在6％，较泥浆性能未改进之前的井径扩大率(20-28)％下降了70％，并显示出较好的区域适应性和可移植性。

实施例二

本实施例包括以下步骤：

步骤一、加入降失水材料，满足泥浆API滤失量≤4.0ml，从而防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块，加入的降失水材料及用量占泥浆总质量比如下：抗温抗盐降滤失剂SPNH：5％；聚阴离子纤维素LV-PAC：0.8％；

步骤二、加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度，加入的泥浆抑制剂及用量占泥浆总质量比如下：聚胺抑制剂NH-1：0.8％；甲基葡萄糖甙MEG：5％；

步骤三、加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定，加入的封堵防塌剂及用量占泥浆总质量比如下：纳米级乳化石蜡SDJ-2：2％；磺化沥青粉FT-342：3％；超细碳酸钙QS-2：3％；

步骤四、提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全，加入的配药名及用量占泥浆总质量比如下：预水化膨润土浆：8％；高黏HV-CMC：0.5％。

效果及优点：通过该方法在渝东南地区的实验，濯页5井(1850-2080)m泥页岩段的井径扩大率控制在5.8％，较泥浆性能未改进之前的井径扩大率(20-28)％下降了72％，并显示出较好的区域适应性和可移植性。

实施例三

本实施例包括以下步骤：

步骤一、加入降失水材料，满足泥浆API滤失量≤4.0ml，从而防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块，加入的降失水材料及用量占泥浆总质量比如下：抗温抗盐降滤失剂SPNH：3％；聚阴离子纤维素LV-PAC：0.5％；

步骤二、加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度，加入的泥浆抑制剂及用量占泥浆总质量比如下：聚胺抑制剂NH-1：0.5％；甲基葡萄糖甙MEG：3％；

步骤三、加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定，加入的封堵防塌剂及用量占泥浆总质量比如下：纳米级乳化石蜡SDJ-2：2％；磺化沥青粉FT-342：2％；超细碳酸钙QS-2：3％；

步骤四、提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全，加入的配药名及用量占泥浆总质量比如下：预水化膨润土浆：7％；高黏HV-CMC：0.3％。

对比例一

与实施例三相同，区别在于不添加甲基葡萄糖甙MEG。

将本发明的实施例三与对比例应用的对象及对象性能为：

1、实验用岩心取自濯页5井2184m-2272m取心段(龙马溪组、五峰组泥页岩)进行X-衍射粘土矿物含量检测，结果如下：伊利石：64-89％；绿泥石：11-32％；伊/蒙混层：0-5％；高岭石：0。

2.钻井液基浆：清水+5％膨润土+0.3％纯碱+0.3％HV-CMC

本发明实施例三抑制性评价

浸泡介质	滚动回收率％(16h，80℃)	膨胀率％(16h)
			基浆	35.30	23.42
对比例一	84.62	17.87
			实施例三	97.6	10.13

MEG加量与泥浆润滑系数的关系

MEG加量％	润滑系数Ep
		基浆	0.2032
基浆+3％MEG	0.1846
		基浆+5％MEG	0.1634
基浆+7％MEG	0.1574

综上所述，甲基葡萄糖甙MEG的加入能够有效提高抑制性能，对润滑性能也有很好的帮助。

Claims (1)

1.一种利用泥浆优化技术抑制泥页岩水化膨胀的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、加入降失水材料，满足降低泥浆失水FL≤4.0ml，从而防止泥页岩吸水膨胀剥落形成掉块，加入的降失水材料及用量占泥浆总质量比如下：抗温抗盐降滤失剂SPNH：3％-5％；聚阴离子纤维素LV-PAC：0.5％-0.8％；

步骤二、加入泥浆抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀，降低井壁垮塌程度，加入的泥浆抑制剂及用量占泥浆总质量比如下：聚胺抑制剂NH-1：0.5％-0.8％；甲基葡萄糖甙MEG：3％-5％；

步骤三、加入封堵防塌剂，在井壁上形成泥饼维护井壁稳定，加入的封堵防塌剂及用量占泥浆总质量比如下：纳米级乳化石蜡SDJ-2：1％-2％；磺化沥青粉FT-342：2-3％；超细碳酸钙QS-2：2％-3％；

步骤四、提高泥浆黏切力及携岩能力，携带出井内掉块及岩屑，保证井筒清洁及井下作业安全，加入的配药名及用量占泥浆总质量比如下：预水化膨润土浆：7-8％；高黏HV-CMC：0.3％-0.5％。