Mechanisms of Borehole Instability of the Shaximiao Formation in Block Zhongjiang and the Anti-collapse Alkyl Glycoside Drilling Fluid
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摘要: 针对川西中江区块沙溪庙组井壁失稳技术难题，分析了沙溪庙组泥岩的矿物组成、微观结构及理化性能，揭示了沙溪庙组井壁失稳机理。沙溪庙组属于典型的硬脆性泥岩，黏土矿物含量高，水化作用强，其中伊利石含量最高，微纳米尺度裂隙发育，钻井液滤液侵入后，伊利石、伊蒙混层等分布不均匀，比亲水量大，水化膜斥力大，裂缝不断扩展，易发生井壁坍塌。结合“多元协同”井壁稳定理论，优选了烷基糖苷类抑制剂、微纳米封堵剂等，构建了适用于沙溪庙组的烷基糖苷高性能防塌钻井液体系。通过室内实验可知，该体系流变性良好，API滤失量小于3 mL，高温高压滤失量不大于8 mL，岩样滚动回收率为98.87%，膨胀率小于3%，抑制性优良，对微裂缝和孔隙封堵能力强。现场应用表明，烷基糖苷高性能防塌钻井液能有效抑制沙溪庙组地层坍塌，机械钻速高，无井下复杂事故发生，为保证中江区块沙溪庙组“安全、高效、经济”钻井施工提供了技术支撑。Abstract: Borehole wall instability has long been a problem encountered in drilling the Shaximiao formation in the block Zhongjiang, western Sichuan. To solve this problem, the claystones from the Shaximiao formation was studied for their mineral composition, microstructure and physical-chemical properties. The study results have revealed the mechanisms of borehole wall instability of the Shaximiao formation. The Shaximiao formation is a typical hard and brittle rock with high content of clay minerals (mostly illite) which are strongly hydratable. The formation is developed with plenty of micrometer- and nanometer-sized fractures, which will expand continually when mud filtrate invasion take place and finally, collapse. The inhomogeneous distribution of illite and illite/montmorillonite mixed layer in the rocks, high specific water absorptivity and high repulsive force of the hydration films have made the expansion of the microfractures even worse. An alkyl glycoside inhibitive agent and a nanometer plugging agent were selected to formulate a high-performance anti-collapse drilling fluid based on the “Multivariate collaboration” borehole stabilization theory. Laboratory experiment on the performance of this drilling fluid has shown that this drilling fluid has good rheology, API filter loss of less than 3 mL, HTHP filter loss of 8 mL or less, percent cuttings recovery of 98.87%, swelling rate of less than 3%. These data indicate that the drilling fluid has good inhibitive capacity and good capacity of plugging the microfractures and micropores. Field application has shown that the alkyl glycoside drilling fluid can effectively inhibit the collapse of the Shaximiao formation. High ROP was obtained with this drilling fluid, and no downhole troubles have been encountered. The use of the alkyl glycoside drilling fluid has provided a technical support to safely, efficiently and economically drill the Shaximiao formation.
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泥页岩地层钻井过程中，由于地质/工程因素、地层与钻井液相互作用，井壁失稳频发，是目前制约油气井“安全、高效、经济”钻进的主要技术瓶颈之一[1-2]。通过垮塌层位岩心的矿物组成、微观结构及理化性能分析，揭示井壁失稳机理，并设计合理的钻井液体系，提高钻井液的抑制性和封堵性，可有效缓解井壁失稳技术难题[3-6]。四川盆地中江区块位于川西坳陷东坡，以沙溪庙组为主要储层的致密碎屑岩气藏，砂岩、泥页岩互层，钻井过程中极易发生井壁坍塌[7]。江沙343HF井钻进至沙溪庙组3281.66 m遇卡，井筒返出大量尺寸较大的泥岩掉块。江沙220HF、江沙316HF、江沙317HF等井在沙溪庙组均发生过不同程度的坍塌掉块，因此保持井壁稳定是该层位钻井液施工的技术重点。针对川西中江区块沙溪庙组井壁失稳技术难题，分析了矿物组成、微观结构及理化性能，揭示了井壁失稳机理，通过高效处理剂优选和配方优化，构建了适用于本区块的烷基糖苷高性能防塌钻井液体系配方，现场应用效果良好，为解决中江区块沙溪庙组井壁失稳技术难题提供了钻井液技术保障[8]。
1. 沙溪庙组井壁失稳机理分析
1.1 矿物组成分析
选取江沙343HF井沙溪庙组泥页岩，利用X射线衍射仪进行了全岩矿物及黏土矿物相对含量分析，结果见图1。可知，中江区块沙溪庙组泥页岩属于典型的硬脆性泥岩，其黏土矿物含量最高，平均为51.1%，易发生水化作用产生短程水化斥力，引发井壁坍塌。其中，黏土矿物中伊利石含量最高，平均为65.5%，最高达到85.7%。伊利石为脆性矿物，钻具碰撞作用下易发生坍塌掉块。伊/蒙混层平均含量为20.8%，伊利石的遇水膨胀量小于蒙脱石，但膨胀速率较大，遇水后快速膨胀并产生较大的水化膜斥力，水化不均匀导致应力分布失衡，最终破坏岩石结构导致井壁失稳。因此，增强钻井液的表面水化抑制能力，可减小不均匀的水化应力，通过抑制作用维持井壁稳定。
1.2 微观结构分析
利用扫描电镜分析了沙溪庙组岩心的微观结构、矿物类型及分布，结果见图2。可知，岩样孔隙、裂缝发育，裂缝开度0.46～1.54 μm，最大裂隙约为35 μm。鳞片状伊利石发育，多分布于颗粒表面。棉絮状伊/蒙混层发育，充填于石英颗粒之间，绿泥石薄膜覆于颗粒表面。黏土矿物与其他矿物的胶结面较为分明，胶结强度较小。若钻井液中缺少与地层微裂隙匹配的微纳米封堵材料，钻井液滤液沿裂缝进入地层后，坍塌压力上升易导致井壁失稳。伊利石、伊/蒙混层等分布不均匀，滤液侵入后导致膨胀应力失衡，水化斥力较大的部位易产生晶层破裂，引起破碎性坍塌。另一方面，钻具碰撞、钻井液滤液侵入后，弱胶结面裂缝/孔隙不断扩展，岩石强度进一步降低，导致井壁失稳。因此，提高钻井液对沙溪庙组纳米-微米裂隙的封堵能力，可阻缓滤液侵入和压力传递，维持井壁稳定。
1.3 理化性能分析
1.3.1 滚动分散和膨胀实验
沙溪庙组泥岩不同岩样在清水中的滚动回收率和膨胀性能如表1所示。由表1可以看出，该泥岩岩样在清水中的滚动回收率为49.00%～81.68%，非均质性强，平均值为68.66%，回收率整体偏高，属于中等-弱分散岩样。岩样膨胀率为7.84%～11.13%，平均值为9.39%，膨胀率较低，属于弱膨胀岩样。
表 1 沙溪庙组岩样在清水中的滚动回收率和膨胀性能岩心 滚动回收率/% 膨胀率/% 1# 81.68 7.84 2# 49.00 9.92 3# 65.57 11.13 4# 70.15 9.15 5# 76.89 8.92 平均值 68.66 9.39 1.3.2 比表面积和比亲水量
由表2可知，沙溪庙组泥岩比表面积均较低，平均为11.96 m2/g，这与易水化/膨胀性黏土矿物含量低有关。但比亲水量为18.53×10−4～60.93×10−4 g/m2，平均为34.04×10−4 g/m2，整体较高。由于沙溪庙组黏土矿物以伊利石为主，比亲水量较高，水化膜较厚，钻井液滤液沿微裂缝侵入后，优先发生较强的局部水化作用，水化膜斥力较大极易导致井壁剥落掉块。因此，应增强钻井液的泥页岩表面水化抑制能力。
表 2 沙溪庙组泥岩的比表面积和比亲水量岩心编号 比表面积/（m2/g） 比亲水量/（×10−4 g/m2） 1# 11.79 31.82 2# 11.90 60.93 3# 12.04 21.19 4# 11.93 37.74 5# 12.14 18.53 平均值 11.96 34.04 1.3.3 自发渗吸裂缝扩展形态
将沙溪庙组泥岩岩样放入60 ℃清水中浸泡，观察岩样表面的裂缝扩展形态(见图3)。由图3可知，岩样未浸泡时，表面观察不到明显的裂缝。浸泡48 h中间出现两条明显的裂缝，其中一条贯穿于整个岩样。浸泡64 h裂缝进一步扩展，岩样表面出现相互贯穿的裂缝网络结构。浸泡72 h裂缝扩展加强，开度明显增大，进一步贯通，岩样整个表面遍布水纹网络，有分散、破碎垮塌的趋向。浸泡80 h由于水化作用，岩样沿着开度较大的弱胶结裂缝面破碎。继续浸泡至86 h，岩样整体破碎崩塌，宏观上表现为井壁垮塌掉块。沙溪庙组硬脆性泥页岩发育，在液柱压力、毛细管力、化学势差等作用下，钻井液滤液沿微裂隙进入地层，尤其在弱胶结面处，孔隙压力增大，水化应力不均匀，水化膜斥力较大，导致微裂隙进一步扩展、开度增大、贯穿连通，形成裂缝网络结构，最终沿着弱胶结面发生剥落破坏，钻井过程中表现为井壁垮塌失稳[9-11]。因此提高钻井液的封堵性能和抑制性能对于阻缓滤液侵入和孔隙压力传递，抑制表面水化至关重要。
基于沙溪庙组井壁失稳机理综合分析，结合“多元协同”稳定井壁理论，提出“物化封/固阻缓滤液侵入和压力传递—加强抑制表面水化—合理密度有效应力支撑”的防塌钻井液技术对策[3]。利用微纳米材料作为封堵剂，通过纳米效应、比表面积大等优良性能，对沙溪庙组微纳米裂隙进行封堵，配合刚性、柔性封堵剂“刚柔并济”的协同封堵作用，对地层微裂隙进行架桥、充填和封堵，阻缓滤液侵入和孔隙压力传递。沙溪庙组较强的水化膜斥力易导致严重的剥落掉块，利用烷基糖苷类强抑制剂，有效抑制泥岩表面水化，减小水化膜斥力，保持泥岩整体结构强度[12]，有效阻止破碎垮塌。在加强封堵抑制作用、阻缓孔隙压力传递的前提下，适当提高钻井液密度，保持液柱压力对井壁的有效支撑，实现宏观力学井壁稳定。
2. 防塌钻井液处理剂优选
2.1 降失滤剂优选
以“3%膨润土浆+0.1%NaOH+0.2%FA367+0.5%KPAM”为基浆（1#），以120 ℃、16 h老化后的API滤失量为指标进行降滤失剂优选。由图4可知，基浆的滤失量为46.4 mL，加入SMP-2、SPNH和PAC-LV的滤失量小于15 mL，降滤失效果最好，优选为降滤失剂。
2.2 抑制剂优选
以“3%膨润土浆+0.1%NaOH+0.2%FA367+ 0.5%KPAM+2%SMP-2+2%SPNH+0.5%PVC-LV”为基浆（2#），以沙溪庙组泥岩滚动回收率和膨胀率为指标进行抑制剂优选。由图5可知，阳离子烷基糖苷CAPG、聚醚胺基烷基糖苷NAPG的滚动回收率最大，膨胀率最小，抑制泥岩水化能力最强，优选为抑制剂。烷基糖苷类抑制剂通过电荷吸附作用，嵌入黏土层间，抑制水化作用导致的分散和膨胀，减小水化斥力而保持泥岩强度，且还能通过吸附成键、成膜阻水、降低泥岩活性等作用，起到抑制防塌的作用[12-13]。
2.3 封堵剂优选
以“3%膨润土浆+0.2%NaOH+0.5%CaO+0.2%FA367+0.5%KPAM+7%KCl+2%SPNH+2%SMP-2+0.5%PAC-LV”为基浆（3#），考察加入不同封堵剂后体系在120 ℃、3.5 MPa下的HTHP滤失量和API滤失量。由图6可知，微纳米封堵剂、复配刚性颗粒和磺化沥青的HTHP滤失量及API滤失量最小，封堵效果最好，优选为封堵剂。
微纳米封堵剂的微观形貌及粒径分布见图7。
可以看出，微纳米封堵剂为改性纳米二氧化硅，其为大小均匀的球形颗粒状，颗粒尺寸为纳米-微米级别，分散性良好，可对沙溪庙组微纳米裂隙进行有效封堵。另外，无机刚性封堵剂、沥青柔性封堵剂“刚柔并济”的协同封堵作用，对地层裂缝和孔隙进行架桥、变形充填和致密封堵，阻缓滤液侵入和压力传递。
3. 烷基糖苷高性能防塌钻井液体系配方优化
基于处理剂优选实验结果，优化了适用于中江区块沙溪庙组的烷基糖苷高性能防塌钻井液体系配方，并进行了综合性能评价。配方如下。
3%膨润土浆+0.2%NaOH+0.5%PAC-LV+0.5%CaO+0.2%FA367+0.2%KPAM+7%KCl+2%复配无机刚性颗粒+0.5%微纳米封堵剂+2%SPNH+3%SMP-2+3%FT-1+5%NAPG+2%CAPG，密度为1.90 g/cm3
3.1 流变性能及滤失性能
测试了烷基糖苷高性能防塌钻井液在120 ℃、16 h老化前后流变性能和滤失性能，结果见表3。由表3可知，老化前后黏度和切力适中，流变性良好且性能稳定，能满足水平井钻井过程中的井眼清洁要求。老化前后API滤失量低（<3 mL），HTHP滤失量低（≤8 mL），泥饼薄而坚韧，有利于减小滤液侵入而稳定井壁。
表 3 烷基糖苷高性能防塌钻井液流变性及滤失性评价结果测试
条件AV/
mPa·sPV/
mPa·sYP/
PaGel/
Pa/PapH Hk/
mmFLAPI/
mLFLHTHP/
mL老化前 58.5 45.0 13.5 2.5/3.5 10 0.5 2.4 8.0 老化后 56.0 42.0 14.0 3.5/6.0 10 0.5 2.8 注：老化条件为：120 ℃、16 h。 3.2 抑制性能
考察了烷基糖苷高性能防塌钻井液在120 ℃、16 h老化后的抑制性能。可知，岩样在防塌钻井液中的滚动回收率达到98.87%，膨胀率仅为2%，具有较强的抑制性，能抑制沙溪庙组泥岩表面水化，减小水化膜斥力引起的井壁失稳。
3.3 封堵性评价
采用HTD18984型渗透性封堵实验装置和裂缝封堵实验装置评价优化后的烷基糖苷高性能防塌钻井液的封堵性能。选用渗透率为400 mD砂盘作为渗滤介质，可知优化后的钻井液总滤失量为10.2 mL，瞬时滤失量、静态滤失速率分别为3.82 mL、1.47 mL/min1/2，较现场钻井液明显降低。如图8所示，封堵前砂盘具有大量的微孔隙，封堵后砂盘结构致密，具有良好的孔隙封堵性能。
利用裂缝封堵实验装置评价优化钻井液对200 μm裂缝的封堵效果。优化的钻井液对200 μm开度裂缝承压能力达到6.0 MPa，漏失量仅为25 mL。在裂缝口进行了有效封堵，无大量钻井液进入裂缝内部，具有良好的裂缝封堵性能。
3.4 泥页岩压力传递实验
采用泥页岩压力传递模拟实验装置，评价优化钻井液阻缓压力传递的能力，如图9所示。
针对沙溪庙组泥岩岩心，模拟7%氯化钾水溶液压力传递速率很快，上下游压力平衡所需时间为47.2 min，此时上游压力为3.5 MPa，压力传递效率为100%；经过240 min，烷基糖苷钻井液体系下游压力增至1.38 MPa后不再增长，能大幅度阻缓孔隙压力传递作用。因此，优化的钻井液体系封堵性能优良，压力传递效率低，能阻缓压力传递，保持井壁稳定。
3.5 井壁稳定机理分析
烷基糖苷高性能钻井液体系以阳离子烷基糖苷CAPG、聚醚胺基烷基糖苷NAPG、微纳米封堵剂、无机刚性封堵剂和沥青柔性封堵剂为主剂，提高体系抑制性能和封堵性能。其中，阳离子烷基糖苷CAPG含有季铵阳离子（R1R2R3R4N+）、羟基（—OH）、醚键（C—O—C）。季铵阳离子具有强吸附性，易进入带负电的黏土层间，—OH的静电吸附作用使得黏土层间距减小，并且一端的烷基具有疏水性，阻止了水分子进入黏土层间，抑制水化作用减小水化斥力，维持井壁稳定。另外，羟基、糖苷键和黏土硅酸盐分子上的硅原子形成网状结构的Si—O—Si键，具有一定的封堵作用[12]。聚醚胺基烷基糖苷NAPG包含烷基（—R）、羟基（—OH）、葡萄糖环、聚醚基团（[C—O—C]m）和多胺基团（H[N—C—C]nNH2）。NAPG水溶液浸泡后泥岩岩样Zeta电位由−46 mV增加至−10 mV，岩样趋于稳定[12-15]。其中羟基、多胺基团具有强吸附作用，通过多点吸附拉紧黏土晶层，抑制表面水化，减小水化斥力。吸附后另一端烷基具有成膜阻水作用，堵塞孔隙并形成封固层，显著降低泥页岩活性。沙溪庙组含大量微孔缝，缝宽和孔径集中在纳米-微米尺度，微纳米封堵剂加入钻井液中，在高温高压条件下发生挤压变形作用，对井壁的微纳米裂隙进行有效封堵。采用无机刚性封堵剂和沥青柔性封堵剂“刚柔并济”的协同作用，对地层微裂隙进行架桥、变形充填和致密封堵，再配合降滤失剂进一步降低高温高压滤失量，阻缓滤液侵入[16-17]。高分子增稠机理，快速形成致密、高强度封堵层，通过物化封/固井壁阻缓滤液侵入及压力传递。除此之外，以上处理剂在一定程度上改善钻井液的流变性、润滑性等，并且能够降低摩阻。
综上所述，由烷基糖苷类、微纳米封堵剂、刚性封堵剂、柔性封堵剂等优化的钻井液是一种强抑制、强封堵高性能钻井液体系，可解决沙溪庙组泥岩易坍塌地层的井壁失稳技术难题。
4. 现场应用
烷基糖苷高性能防塌钻井液体系在江沙220-3HF井、江沙240-4HF井进行了现场应用。两口井在进入上沙溪庙组地层后，由于该地层含大量泥岩，井壁失稳严重，钻具遇卡，井筒返出掉块较大，随后将钾基聚磺钻井液体系转换为烷基糖苷高性能防塌钻井液体系。转换后的现场钻井液配方如下：3%膨润土 + 0.12%纯碱+0.2%NaOH+0.5%CaO+0.5%PAC-LV+（0.2%～0.5%）KPAM+（2%～4%）SMP-2+（2%～4%）SPNH +（6%～8%）KCl+3%FT-1+4%复配无机刚性颗粒+0.5%微纳米封堵剂+5%NAPG+2%CAPG+重晶石。转换后的钻井液性能如表4所示。
表 4 江沙220-3HF井烷基糖苷高性能防塌钻井液性能井深/m ρ/（g·cm−3） PV/（mPa·s） YP/Pa FLAPI/mL G10 s/Pa G10 min/Pa pH FV/s 2652～4215 1.90～2.05 45～66 7～18 1.0～2.8 1～4 1.5～20.0 10～12 52～68 现场应用表明，该钻井液体系具备良好的悬浮稳定性、流变性和润滑性，最高密度为2.05 g/cm3。江沙220-3HF井全程平均机械钻速为7.04 m/h。江沙240-4HF井全程平均机械钻速为6.93 m/h，最高密度为1.90 g/cm3，无复杂事故发生，较邻井的平均机械钻速5.2 m/h提高了35.4%，实现了优快钻进。说明优化后的烷基糖苷高性能钻井液体系能有效维持井壁稳定，保证了川西中江区块沙溪庙组“安全、高效、经济”钻井施工，具有推广应用价值。
5. 结论
1.川西中江区块沙溪庙组地层属于典型的硬脆性泥岩，黏土矿物含量高，水化作用强。其中伊利石含量最高，微裂缝、孔隙发育，钻井液滤液侵入后，由于伊利石、伊/蒙混层等分布不均匀，比亲水量大，局部产生较大的水化膜斥力，裂缝不断扩展，易发生井壁坍塌。
2.结合“多元协同”井壁稳定理论，通过处理剂优选和配方优化，构建了适用于沙溪庙组的烷基糖苷高性能防塌钻井液体系，该钻井液体系流变性良好，API滤失量小于3 mL，HTHP滤失量不大于8 mL，岩样滚动回收率为98.87%，膨胀率小于3%，抑制防塌性能优良，封堵能力强。
3.现场应用表明，烷基糖苷高性能防塌钻井液能抑制沙溪庙组泥岩地层井壁失稳，应用井沙240-4HF井较邻井机械钻速提高35.4%，无井下复杂事故，为保证川西中江区块沙溪庙组“安全、高效、经济”钻井施工提供了钻井液技术支撑。
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表 1 沙溪庙组岩样在清水中的滚动回收率和膨胀性能
岩心 滚动回收率/% 膨胀率/% 1# 81.68 7.84 2# 49.00 9.92 3# 65.57 11.13 4# 70.15 9.15 5# 76.89 8.92 平均值 68.66 9.39 
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表 2 沙溪庙组泥岩的比表面积和比亲水量
岩心编号 比表面积/（m2/g） 比亲水量/（×10−4 g/m2） 1# 11.79 31.82 2# 11.90 60.93 3# 12.04 21.19 4# 11.93 37.74 5# 12.14 18.53 平均值 11.96 34.04
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表 3 烷基糖苷高性能防塌钻井液流变性及滤失性评价结果
测试
条件AV/
mPa·sPV/
mPa·sYP/
PaGel/
Pa/PapH Hk/
mmFLAPI/
mLFLHTHP/
mL老化前 58.5 45.0 13.5 2.5/3.5 10 0.5 2.4 8.0 老化后 56.0 42.0 14.0 3.5/6.0 10 0.5 2.8 注：老化条件为：120 ℃、16 h。
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表 4 江沙220-3HF井烷基糖苷高性能防塌钻井液性能
井深/m ρ/（g·cm−3） PV/（mPa·s） YP/Pa FLAPI/mL G10 s/Pa G10 min/Pa pH FV/s 2652～4215 1.90～2.05 45～66 7～18 1.0～2.8 1～4 1.5～20.0 10～12 52～68
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