水敏性地层钻探技术研究

郑兴华、周鹏飞、赵子栋

湖北省地质局第七地质大队 湖北省宜昌市夷陵区 443100

摘要：地层钻探是地质勘察中的一项重要工作，开展高质量的地层钻探工作，有助于快速、准确地获取地表下的地质资料。地层钻探中经常遇到储层敏感层现象，其中就包括水敏性地层。储层孔隙在水分的渗透下会发生变化，严重影响钻探施工进度及质量。下面以某地区的地质地层情况。通过实验分析研究等工作，确定了对水敏性地层岩石的矿物组分和微观结构究。针对当地地层微裂缝多,泥质岩粘土总含量高,地层易吸水膨胀,且膨胀量较大的特点。在钻探过程中使用了符合当地实际地层情况的钻井液配方。并通过研究得到具有良好失水量、抑制性和流动性的泥浆冲洗液。

关键词：地质勘探；地层钻探；储层敏感性；水敏性地层，技术研究

水敏性是储层敏感性中的一种。地层中含有蒙脱石、高岭石等矿物成分，在矿物特殊物理化学性质的影响下，若泥浆中水活度过高,就会向井壁中渗透大量水分，泥页岩吸水膨胀或裂解。这种现象就被称为地层水敏性。泥页岩的水化。导致地层内部有不同程度的水化膨胀应力生成。同时，泥页岩地层中有水进入后，粘土矿物颗粒间的粘结力将被削弱，该地层间的岩石力学强度降低，严重影响了地层结构的稳定性。储层水敏性带来的上述地层结构问题，将导致水敏性地层区域勘探、开采矿物资源时，极容易出现地层孔壁溶蚀、坍塌、缩径等安全事故。有调查研究显示，既往各地开展的地质勘察、钻井开采工作中，有超过九成以上的井壁失稳问题，是由于泥页岩的井壁稳定性降低所导致的^[1]。在未来的钻井以及资源开采中，如何合理有效地处理泥页岩的井壁稳定性问题，成为了相关单位工作中的一个重点发展方向。解决井壁失稳问题，能够协助降低井下复杂事故的发生率，避免井壁坍塌、缩径等事故的频繁出现，让机械钻、测井仪器都能处于正常的工作状态。这将大大提升勘探开发的速度与安全性^[2]。

一 、地质与地层资料

研究区构造形式主要为断裂和褶皱。根据错切特征,推断该组断裂以扭性活动为主，大多为左平移断裂，个别断裂后期活动具有张性活动特征。该区域的地层主要的奥陶一志留纪的滩间山群。地层岩性为主要是碳质灰岩、泥碳质灰岩及绿泥石化、高岭土化蚀变带。地层特征的主要分布方式是沿着东西方向变化的。自东向西地层深度逐渐升高，地层厚度逐渐增大。构造断裂带特征为夹杂、多层分布。

二 、水敏性地层的钻探技术

1. 、钻井稳定壁技术

基于对页岩储层微纳米结构特征和微裂缝扩展特性的充分认识，应继续开展对水基钻井液作用的相关问题研究。重点从页岩气地层的井壁失稳问题出发，并从多角度对泥页岩地层井壁的构造展开研究。下面是应用钻井稳定壁技术，并结合使用钻井液避免井壁坍塌的几点对策。

一是要强水基钻井液的致密封堵能力。针对页岩储层的微纳米结构特征，将微纳

米页岩稳定剂与常用封堵剂相结合，多尺度封堵页岩微裂缝、孔隙及层理，在页岩气地

层井壁形成致密的封堵层，有效阻缓压力传递与水基钻井液的滤液侵入。

第二，可以着重在实际工作中研究如何让水基钻井液的页岩表面有更强的水化抑制能力。配合使用新型的页岩水化抑制剂，削弱页岩与水基钻井液作用时的表面水化作用，避免高强度的水化应力在微裂缝尖端处聚集，让页岩微观结构能够继续保持稳定与完整。

第三是分析页岩储层的毛细自吸效应，并研究如何让毛细自吸效应被弱化。这样有助于抑制水基钻井液在页岩上的界面张力，在页岩表面生成功能性较强的疏水层，在一定程度上避免了毛细效应对页岩井壁稳定性的影响。

第四是从水基钻井液的配合方面进行研究。重点调整水基钻井液的密度。强化封堵页岩气地层井壁，提升地层承压能力，让井下液柱压力对井壁起到更有效的支撑效果，使页岩气地层井壁在稳定性昂方面更具优势，为后续工作创造稳定安全的有利施工条件。

2. 、钻井液配方研究

针对研究区域的地质与地层特征，需要在钻探工作中配合使用合适的钻井液配方，以避免钻井工作受到各类不利因素的影响。研究中发现本区域的地层特征具体表现为易吸水膨胀、膨胀量大。这样的特征容易造成实际施工开展阶段容易频繁出现孔壁溶蚀、坍塌、缩径、岩芯采取率等情况。这些问题不利于钻井等一系列工作的开展。基于采集归纳完备的矿区资料，开展泥质岩地层微观分析、XRD衍射分析后，对适合在该矿区水敏性地层钻井中使用的钻井液配方展开研究。目的是进一步提升钻井液性能。该区域的泥质岩岩样膨胀曲线情况与

山群泥炭质灰岩XRD图谱见图1~2。

图1 泥质岩岩样膨胀曲线图

图2山群泥炭质灰岩XRD图谱

研究中，为了让泥浆钻进液的粘度、流动性、切力得到优化升级，同时降低失水量等参数，开展了室内实验。首先明确与钻井液相关的材料，并对纳入的各类材料进行组分预筛选，研究出最符合当地矿区地层情况的钻井液处理剂。结论是使用提粘剂、抑制剂和降失水剂能够贴合当地矿区钻井开采工作的实际需求，最大限度地保证钻探过程中的工作效率。在进行了正交试验后，缩小了钻井液处理剂材料的选取范围，进一步优选出得到钻井液配方。水敏性地层泥浆最突出的特征就是失水量小、粘度相对合适、固相含量少、密度低。 应用中既能够稳定原有钻进效率，又可以避免钻井液对周边的自然生态环境造成污染

^[3]。经试验发现（1）羧甲基纤维素是一种高效提粘剂，钻井液中的羧甲基纤维素含量控制在0. 05％〜0. 15％的区间，最适宜当地矿区对钻井液粘度的实际需求。（2）泥浆冲洗液中的粘羧甲基纤维素钠盐成分，功能是提升泥浆冲洗液粘度，降低冲洗液失水量。研究发现在粘羧甲基纤维素钠盐成分含量逐渐升高的过程中，钻井液失水量将逐渐降低。但如果将粘羧甲基纤维素钠盐成分的含量添加到0.4％，继续增加粘羧甲基纤维素钠盐含量，钻井液失水量虽然将继续降低，但是变化的幅度会非常小。（3）在钻井液添加粘羧甲基纤维素钠盐和羧甲基纤维素的前提下,抗温淀粉将对泥浆冲洗液失水量产生极为显著的影响，在泥浆冲洗液中可以在1.5％含量的基础上继续提高，起到优化泥浆的降失水性能的作用，同时能避免泥浆流变性受到不利影响。（4）在钻井液添加MV-CMC和HV-CMC的前提下粘羧甲基纤维素钠盐和羧甲基纤维素的前提下,,加入褐煤树脂可显著降低泥浆失水量，1.5％含量的基础上继续可以适当增加褐煤树脂含量，可泥浆的降失水性能。（5）CT植物胶含量控制在0.4百分时，可起到最佳的泥岩地层的抑制性。

由上述研究可以得到这样的钻井液配方：4%钠土 + 2%纯碱(Na2CO3)+3%火碱(NaOH) + 0. 4%高粘聚阴离子纤维素(HV-CMC)+0.15%中粘钠竣甲基纤维素(MV-CMC) + 0. 15%改性淀粉(DFD) + 0.15%褐煤树脂(SPNH) + 0.4%植物胶(CT)+O. 4%磺化沥青(SAS) + 0. 05%水解聚丙烯酰胺(PHP)。

结语：针对钻井区域的水敏性地层，采用钻井稳定壁技术，并配合使用合理有效的钻井液配方，有助于抑制地层容易出现的水化膨胀问题，切实解决该地区能满钻探矿区的工作需求。进一步稳定地层钻探工作的安全性，提升实际工作效率。

参考文献：

[1] 赵欣,耿麒,邱正松,等. 深水高孔高渗储层免破胶钻井完井液技术[J]. 天然气工业,2021,41(4):107-114. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2021.04.012.

[2] 伍贤柱,万夫磊,陈作,等. 四川盆地深层碳酸盐岩钻完井技术实践与展望[J]. 天然气工业,2020,40(2):97-105. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2020.02.011.

[3] 黄超,宋振云,汪小宇,等. 特低渗透强敏感性地层压裂工艺技术研究[J]. 钻采工艺,2011,34(3):32-34. DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2011.03.10.