失水页岩气作为非常规能源,具有含气量足、产气速率平稳、开采生产周期长等特点,其开发利用价值越来越受到重视。页岩由于天然微裂缝发育,且岩性主要为伊/蒙混层的黏土矿物,脆性大,层理发育,钻井过程中因钻井液滤液侵入导致页岩解理和近井壁带孔隙压力增加,从而导致井壁失稳问题。因此,本文进行了页岩纳微米级孔缝的封堵评价方法和与页岩孔缝尺寸匹配的纳微米封堵剂的研发,从而解决页岩气钻井过程中井壁失稳的问题。本文分别从国内外页岩井壁失稳机理、封堵理论和纳微米封堵剂研究现状进行调研。首先分析了页岩井壁失稳理论,得出井壁失稳原因除了力学作用以外,钻井液封堵能力又是重要因素;其次对国内外钻井液封堵理论调研,分析了钻井液固相颗粒封堵作用机理;后结合页岩理化性能特征分析,得出油基钻井液中固相颗粒粒径较大,不能对页岩纳-微米级孔缝实施有效封堵的结论。颗粒的尺寸不匹配导致了钻井液滤液侵入页岩混层,引起井壁坍塌掉块现象产生,因此需要研究纳微米材料类的封堵剂。
失水钻井过程中通常因封堵性能欠缺出现井塌、井漏以及油气层损害等问题,在高温高压井中尤为严重。而现有的封堵性能评价方法在评价高温(200℃)高压(10 MPa)钻井液的封堵性能时具有一定的局限性,为此建立了高温高压驱替法用以评价钻井液封堵剂的高温高压封堵性能。该方法通过填砂管模拟地层,在填砂管中以不同温度和不同驱替压力驱替封堵剂基浆或钻井液,根据填砂管渗透率的变化情况评价封堵剂或钻井液在不同温度不同压力条件下的封堵性能。选取了LRF、LPF和LSF三种封堵剂进行评价,在3 MPa和200℃下封堵性能的是LPF,在10 MPa和200℃下封堵性能的是LSF,为进一步验证该方法的可行性,通过高温高压滤失量法及压力传递法评价LRF、LPF和LSF三种封堵剂的封堵性能,实验结果与高温高压驱替法一致,验证了新建立的钻井液封堵剂高温高压封堵性能评价方法的可行性。研究结果表明,所建立的评价方法可以简单有效地评价封堵剂以及钻井液的封堵性能。
失水页岩气开发中,保证井壁稳定是其关键技术之一,钻井液良好的封堵能力是井壁稳定的基础,而封堵剂则是钻井液良好封堵能力的基本保障。但泥页岩地层微裂缝微孔隙发育多,通常处于纳微米级,渗透率极低,普通封堵剂固相颗粒粒径较大,难以进入泥页岩地层形成有效的封堵,而纳米级封堵剂则能对泥页岩地层表现出良好的封堵性能。文章在分析前人对封堵剂评价方法基础上,采用不同级配固相颗粒人造滤饼的方法来模拟泥页岩低孔低渗的特性,对3种封堵剂(聚合醇JH-1,纳米LAT,纳米Fe_3O_4)在不同的温度及浓度加量条件下进行了封堵性能评价,确定了3种封堵剂的适用温度和佳加量,并对它们的封堵机理进行了简单的分析。