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宜昌龙马溪组页岩水化分散研究

赵素娟  吕成冬  李银迪  陈长元

湖北省潜江市江汉石油工程公司钻井一公司湖北潜江 433121

摘要：针对宜志页3井龙马溪组页岩井径不规则，局部井径扩大率达33.24%，以宜志页3井龙马溪组页岩岩心为主要研究对象开展室内研究，利用高温滚动实验、浸泡实验、扫描电镜和现场资料对宜志页3井龙马溪组页岩的组构及其与水相互作用宏微观变化规律进行了分析，研究宜志页3井龙马溪组页岩水化分散过程中的宏微观变化，及其对钻井液性能的影响。结果表明，龙马溪组页岩的阳离子交换容量高，且整体微裂缝发育；水化作用降低了龙马溪组页岩的极限抗压值，增加了页岩膨胀量，岩屑不仅易分散在水基体系，也容易分散在油基体系中，迅速增加体系固相含量，对钻井液流变等性能造成影响。

关键词：宜昌页岩气；龙马溪组页岩；水化分散；钻井液

宜志页3井龙马溪组发育深水陆棚相页岩为灰色泥岩，底部为灰色粉砂质泥岩、灰黑色碳质页岩、砂质页岩、灰黑色-黑色页岩。井区页岩不仅有机质丰度高，而且页岩脆性矿物含量高、水平应力差异系数较高。页岩从注入液中吸收水和离子化合物是导致黏土扩张和岩石结构发生变化的主要原因。在钻完井时，导致页岩破坏的最重要的原因为井筒流体与天然孔隙流体相互作用产生渗流作用，以及页岩活性组分与周围流体之间发生物理化学反应［1-4］。油基钻井液连续相为油相，可以最大程度地避免页岩水化引起的井壁失稳［5-6］。但分散在油基体系中的钻屑增加了油基钻井液的固相含量，影响性能和井下施工。

笔者采用水化作用对龙马溪组页岩的矿物组分进行了分析，通过高温滚动实验、浸泡实验观察龙马溪组岩样与水相互作用宏微观变化，研究龙马溪组钻屑对油基钻井液的影响，对正确认识龙马溪组页岩水化分散过程及为井壁稳定技术提供了有力数据支撑。

1 龙马溪组页岩的矿物组分特征分析

黏土矿物的类型及相应的含量对稳定井壁，分析页岩微观孔隙结构的发育程度具有重要的意义。依照SY/T5613-2000《泥页岩理化性能试验方法》和GB/T16783.1-2014《石油天然气工业钻井液现场测试》分析宜志页3井龙马溪组岩芯，按照如下公式计算:

MBT=CEC/0.7

a----滴定所耗亚甲基蓝溶液毫升数；

b---滴定所取泥页岩克数；

CEC---泥页岩的阳离子交换容量，mmol(一价离子)/kg(干泥页岩)；

MBT---泥页岩的膨润土相当量，g(膨润土当量)/kg(干泥页岩)；

0.70---指每1克膨润土的阳离子交换容量，mmol(一价离子)/g(膨润土)。

从分析结果可知:龙马溪组深水陆棚相页岩中黏土矿物以伊蒙混层为主，伊蒙混层是伊利石和蒙脱石的混合物，其水化能力大于伊利石，小于蒙脱石，蒙脱石阳离子交换容量70-130，而龙马溪组页岩的阳离子交换容量高达50。因此，在研究龙马溪组页岩水化损失时，对于伊蒙混层的分析研究需特别注重。

2 龙马溪组页岩与水相互作用后宏微观变化

岩心的强度参数不仅与矿物组分有关，还与岩石矿物颗粒之间的排列顺序，胶结程度相关。以宜志页3井3600米处龙马溪组页岩为研究对象，研究其在不同液相中的宏观结构变化特征差异，并对其原因进行分析。借助扫描电镜分析龙马溪组页岩的微观结构特征。

2.1龙马溪组页岩在基油中的研究

在400ml基油（0#柴油或3#白油）中加入100克宜志页3井3600米龙马溪组岩心10000r/min搅拌2小时，150℃滚动16小时，过200目筛网观察其分散情况，回收岩心。

表1龙马溪组页岩在基油中的岩心回收率

通过实验发现高搅后龙马溪组钻屑粉在基油中分散均匀，静置16小时后龙马溪组页岩在基油中下沉高度大小为：h柴油＞h白油＞h柴油:白油，岩芯回收率：柴油＞白油＞柴油：白油，说明龙马溪组岩心强度极低，易分散。

2.2龙马溪组页岩膨胀实验

在测筒杯中称取10克龙马溪组岩心粉末，在4MPa的压力下压制5min,制成直径为25mm小岩心，依照SY/T6866-2012《页岩膨胀测试仪》分别测定岩心在去离子水、白油和柴油的页岩膨胀量，结果如下:

实验发现，龙马溪组页岩在清水中的岩心膨胀量远大于在基油中的，这是因为油基钻井液连续相为油相，可以最大程度地避免页岩水化引起的井壁失稳。

2.3龙马溪组页岩浸泡实验

为准确分析页岩地层井壁失稳问题，需要分析龙马溪组地层长期浸泡在不同液相中的页岩强度影响规律。使用Z4112B台式钻床将岩芯切割成直径为25mm,高65mm的圆柱，将其浸泡在清水、5%KCl溶液、白油和柴油中24小时，观察其极限抗压值，结果如下：

图1 龙马溪组页岩极限抗压值

从浸泡岩心后的极限压力值可以看出:龙马溪组页岩的抗压强度与液相组分具有很明显的对应关系。在白油和柴油的抗压强度比清水和5%氯化钾都大很多，因此为了稳定井壁建议龙马溪组地段使用油基钻井液，为了稳定井壁必须要加强对裂缝、微裂缝的封堵，防止页岩膨胀，地层抗压值降低影响井下施工。

2.4龙马溪组页岩的微观结构特征

龙马溪组页岩富集脆性矿物，脆性指数平均为 73.5%。粘土矿物含量高达31%，且整体微裂缝发育。分别对该体系进行盐、石膏、岩屑污染评价，性能如下：

（a）龙马溪组页岩微观结构特征

（b）平行层理方向           (c)垂直层理方向

图2龙马溪组页岩微观裂缝发育

龙马溪组页岩平行层理和垂直层理两个方向的微观结构具有显著区别。平行层理方向断裂面较为光滑平整，各种矿物定向排列，且其排列面与层理平行；而垂直方向断裂面凹凸不平，可见大量的走向较为一致的微裂缝，且裂缝方向与层理面方向相同。

3 龙马溪组页岩在油基钻井液中的研究

将宜志页3井3600米处龙马溪组页岩制成钻屑粉加入油基钻井液中，150℃热滚16小时测定油基钻井液性能，结果如下:

图3钻屑对油基钻井液的影响

通过龙马溪组页岩在基油和油基钻井液中的研究可以看出:油基钻井液连续相为油相，可以最大程度地避免页岩水化引起的井壁失稳。但分散在油基钻井液中的钻屑，不仅增加了钻井液固相含量、高温高压滤失量和表观粘度，而且降低了油基钻井液的破乳电压，对钻井液性能维护非常不利。建议现场提高钻井液动切力，充分利用固控设备，尽可能清除钻屑。

4认识与建议

1）、龙马溪组页岩富集脆性矿物，脆性指数平均为 73.5%。黏土矿物以伊蒙混层为主，阳离子交换容量达50，在水中较易水化分散，在基础油中较易分散；

2）、龙马溪组页岩整体微裂缝发育，这些微裂缝会为钻井液与泥页岩接触后黏土矿物发生水化反应提供通道和反应场所，所以在钻进的过程中不仅要强化钻井液抑制性，抑制泥页岩水化分散，还需要强化钻井液的封堵性，及时封堵微裂缝，阻止裂缝进一步扩展。

3）、龙马溪组页岩钻屑极易分散在油基钻井液中并影响钻井液性能维护，建议现场提高钻井液动切力，充分利用固控设备，尽可能清除钻屑。

参考文献：

［1］ 时贤,程远方,蒋恕,等．页岩微观结构及岩石力学特征实验研究［J］．岩石力学与工程学报,2014,33( S2):3439-3445．

［2］左京杰,张振华,姚如钢,等 川南页岩气地层油基钻井液技术难题及案例分析［J］．钻井液与完井液,2020,37(3):294-301.

［3］高书阳,豆宁辉,林永学,等 川渝地区龙马溪组页岩储层水化特征评价方法［J］．石油钻探技术,2018,46(3):20-26.

［4］张晓波,李 丽,许鑫科,等 龙马溪组页岩水化过程宏微特征研究［J］．钻采工艺,2020,37(3):115-136.

［5］吴雄军,林永学,王显光,等 顺北5-7井超深层奥陶系地层油基钻井液技术［J］．长江大学学报［G］,2021,18(1):100-106.

［6］赵 晗,戴 昆,晏 锬,等 页岩气油基钻井液井壁稳定技术研究［J］．化学与生物［J］,2022,39(3):60-64.

第40卷第×期                      第1作者，等：将文章标题粘贴在此标题粘贴在此                           5

作者简介：赵素娟（出生年1984-），女，高级工程师，河南省商丘市人，2012年硕士毕业于长江大学应用化学专业，现从事钻井液技术研究及应用工作。