地质状况的分析与油页岩钻探存的问题分析

摘要：本文主要介绍了地质的现状分析与油页岩钻进中存在的问题，依据钻探施工现场存在的泥浆问题，结合油页岩物化特性和井壁稳定理论，探讨了油页岩钻进的泥浆体系优选，并试验分析了泥浆体系对泥页岩膨胀的抑制效果。

关键词：地质状况；油页岩；问题分析

Abstract: This paper mainly introduces the present situation analysis and oil shale drilling in geological problems, on the basis of drilling mud problems existing in construction site, with the oil shale of the characteristics and wellbore stability theory, discusses the optimization of oil shale drilling mud system, and test analysis of the inhibitory effect of mud system expansion of shale.

Key words: geological condition; oil shale; problem analysis

中图分类号：F416.1

引言：油页岩是一种腐泥岩，遇水后容易发生水化膨胀、分散的问题。与泥页岩遇水产生的问题相同，对其泥浆体系的研究类似于泥页岩。油页岩地层由于其所含粘土比例较高，容易水化，给钻进操作带来了极大的负面影响，钻井过程中常出现井径扩大、井壁失稳、卡钻、糊钻、扭矩及阻力增大等一系列井下复杂情况。所以，对油页岩地层钻探施工而言，泥浆体系是个非常重要的技术问题。

一、我国地质状况的分析

1.1 我国地质技术总体成新水平

我国地质技术装备在过去3年购置踊跃，成新率较高。在可统计的130家施工单位中，有60%-70%的主要地勘装备是在近三年购置的；在可计算的71个施工单位中，国产设备平均成新率约为64%，进口设备成新率约为70%。

1.2 国产地质技术装备仍然是地勘施工的主力装备

（1）我国地质技术装备市场呈现品种多样、供货商众多、需求旺盛的繁荣局面，国产地质技术装备仍然是广大地勘施工单位的主力装备，千米以深国产钻机拥有率约为94%。

从收回的150份调查表中统计，拥有岩心钻探设备并承担岩心钻探工作量单位有73个，拥有300m以深（含300m）岩心钻探设备786台套，其中：千米以深（含1000m）钻机690台套，占87.8%；300-1000米钻机96台套，占12.2%；立轴式钻机735台，占93.5%；全液压钻机51台，占6.5%。在51台全液压钻机中，国产钻机11台，占21.6%；进口钻机40台，占78.4%。

从以上数据不难得出，立轴式岩心钻机在我国仍占据绝对的主导地位。

（2）目前地勘队伍典型机台设备配套现状见表1。

表1 目前地勘队伍典型机台设备配套情况

（3）除传统的钻机、钻具、仪器承担了大量施工任务外，为满足地质勘查市场新的需求，深度更深、自动化程度更高、能力更强的一系列新型号钻探设备研制成功并投入市场，比如XY-6B、HXY-8B等机械传动岩心钻机，满足了大深度岩心钻探施工要求；HCD-5、XD-5、HYDX-8B等全液压岩心钻机在中深孔岩心钻探施工中效率高、劳动强度低、安装搬运简便，部分替代进口。据不完全统计，2008年国产全液压岩心钻机全球销售量超过了150台。

二、油页岩井壁稳定机理

研究油页岩稳定性有两个主要的方面：①油页岩膨胀力；②油页岩的运移过程。

（1）油页岩的膨胀力

膨胀力是油页岩以及泥页岩在钻井过程中与钻井液相互作用过程中影响其稳定性的关键作用力，要稳定油页岩，必须在钻井液中添加抑制剂，以控制和减小膨胀力。图1为油页岩受钻井液影响的膨胀力受力模型。

1连有微孔的粘土片层体系受力

膨胀力是所有粘土固有的特性，它总是存在于富含粘土的油页岩及泥页岩中，在粘土片层上表现为张力。当在钻井过程中，油页岩与水基钻井液接触时，膨胀力不会突然变化，但粘土与钻井液接触过程中所发生的相互作用的化学变化可改变其大小。抑制剂是能减少这种膨胀的作用力，但并不是说最佳的抑制剂能将膨胀力降为零[1]，且抑制剂减少膨胀力的效果会根据粘土的种类不同而不同。

（2）油页岩的运移过程

泥页岩－钻井液体系如同“透过性的渗透膜”发生化学渗透[2]，膜的特性源于低渗透、富含粘土的泥页岩中水及水化质子的运动差异性，通过化学势梯度驱动形成水的流动，导致了泥页岩与钻井液体系之间的水及离子的交换，从而改变了膨胀压力、水含量及孔隙压力。

侵入泥页岩的离子将在粘土片层间进行交换，从而改变膨胀力。泥浆压力的侵入将提高孔隙压力。如果发生渗透，井壁周边的泥页岩将去水化。这些变化将及时影响刚钻的泥页岩的应力状况及强度，从而影响泥页岩的稳定性。

油页岩地层钻进过程中，除井壁稳定问题，还有钻屑分散和钻头泥包问题。

2 泥浆体系配方的确定

根据油页岩的性能，初步确定出两种泥浆体系：低固相泥浆体系物为：膨润土、XY-27、腐植酸钾、磺化酚醛树脂、聚合醇、部分水解聚丙烯晴铵盐和纯碱；无固相泥浆配方物为：PHP水解聚丙烯酰胺、KHm腐植酸钾、PVA聚乙烯醇、CMC和KCL。

通过正交实验所得的各项性能数据，实验出配方中各物质的最优含量。低固相泥浆体系最优含量见表1，性能指标见表2。无固相泥浆体系最优含量见表3，性能指标见表4。

表1 低固相泥浆体系各组分含量 单位：%

注：沉化2天没有分层现象。

三、泥浆体系的评价

泥浆体系得评价主要做了两个方面的测试：膨胀性和岩屑回收率。

3.1 低固相泥浆体系

在低固相泥浆体系中，聚合醇对泥页岩的抑制性比较关键，把4%膨润土+0.3%XY-27+1%腐植酸钾+2%磺化酚醛树脂+0.5%部分水解聚丙烯腈铵盐+0.2%Na2CO2 定位基浆。利用页岩膨胀仪分别测定①基浆、②基浆+1.5%聚合醇、③基浆+2%聚合醇、④自来水体系的膨胀。得到的膨胀曲线见图2和图3所示。

图2①、②、③泥浆的膨胀曲线图

图3 ①、②、③、④体系的膨胀曲线图

从图2和图3可以看出：聚合醇加量在2%时候对页岩的抑制性最强。与水相比，其体系可以降低页岩膨胀率达到88.7%。

筛取30目的泥岩50g，分别加于上述①、②、③、④体系中，在120℃的滚炉中热滚16小时，然后利用40目筛回收岩屑，测得回收率如图4所示。

图4低固相泥浆体系岩屑回收率对比图

从图4可以看出聚合醇加量为2%时，岩屑的回收率最高，对页岩的抑制性最强，确定聚合醇JC-2的最佳加量为2%。

3.2无固相泥浆体系

把0.07%PHP水解聚丙稀酰胺+2%KHｍ腐植酸钾+0.3%CMC +5%KCL定为基浆，利用页岩膨胀仪对①基浆+1.5%PVA、②基浆+2%体系、③自来水进行页岩膨胀率实验的测定，所测定的膨胀率结果如图5和图6所示。

图5①、②体系的膨胀曲线图

图6①、②、③体系的膨胀曲线图

从图5和图6可以看出：聚合醇加量在PVA 1.5%时候对页岩的抑制性最强。与水相比，无固相泥浆体系可以降低页岩膨胀率达到86.7%。

筛取30目的泥岩50g，分别加于基浆+1%PVA、基浆+1.5%PVA、基浆+2%PVA、自来水体系中，在120℃温度下热滚16小时，然后利用40目筛回收岩屑，所得到岩屑回收率对比如图7所示。

图7无固相泥浆体系岩屑回收率对比图

由图5、图6和图7可以看出PVA的加量最佳为1.5%，对泥页岩的整体抑制效果最好。

四、结语

在对油页岩的物理化学特性测定的基础上，优选了低固相泥浆和无固相泥浆两种体系，通过正交实验，测定了泥浆体系中各组分的最优加量；通过页岩膨胀率和岩屑回收率检测实验，评价了泥浆体系对泥页岩地层的抑制效果。低固相泥浆体系的配方为：4%膨润土+0.3%XY-27+1%腐植酸钾+2%磺化酚醛树脂+0.5%部分水解聚丙烯腈铵盐+0.2%Na2CO2+2%聚合醇（JC-2）。无固相泥浆体系的配方为：0.07%PHP水解聚丙稀酰胺+2%KHｍ腐植酸钾+0.3%CMC +5%KCL+1.5%PVA聚乙烯醇。

参考文献：

[1] 李荣华，刘雨晴，泥页岩水化膨胀测定新方法，钻井液与完井液，

[2] 唐林，罗平亚，泥页岩井壁稳定性的化学与力学耦合研究现状，西南石油学院学报，

[3] 郭健康，鄢捷年，硅酸盐钻井液体系的研究与应用[J]，石油钻采工艺，

[4] 刘想君，罗平亚，泥岩地层井壁稳定性研究，天然气工业，

[5] 刘玉石，白家址，黄荣樽，周煜辉，硬脆性泥页岩井壁问题研究，石油学报

[6] 罗健生，鄢捷年，页岩水化对其力学性质与井壁稳定性的影响，石油钻采工艺

[7] 于培志. 聚合醇钻井液体系的研究与应用[J ] ，石油钻采工艺