粒径分布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。
粒径分布为提高页岩地层井壁稳定性,利用自制高温高压金属缝块封堵仪研究了各类封堵剂对油基钻井液性能的影响,并获得有效封堵微裂缝用油基封堵剂及复配方案,并分析了封堵剂的封堵机理。研究结果表明,复合树脂和成膜封堵剂对微裂缝的封堵效果较优,高温高压滤失量控制在5mL左右,其中成膜封堵剂对油基钻井液流变性的影响小;复配封堵剂的封堵效果优于单一封堵剂,当复合树脂和成膜封堵剂复配比为1:1时,平均高温高压滤失量可降低81.64%,既能对微裂缝有效封堵又能保证对基浆流变性能基本无影响。
粒径分布刚性封堵剂强度大,难以有效适应地层孔隙的尺寸及形状;柔性封堵剂自适应能力强,但承压强度低,两者均都难以形成有效封堵。结合刚性封堵剂强度大和柔性封堵剂自适应能力强的优点,采用碳酸钙作为刚性内核,以酰胺和2-酰胺基-2-丙磺酸为主要聚合单体,以N,N-亚双酰胺为交联剂,以过硫酸铵-亚氧化还原体系为引发剂,采用溶液聚合法制备了一种外柔内刚型封堵剂。该封堵剂吸水膨胀倍数较小,抗压强度高,抗温性好,对钻井液流变性影响小,并具有较柔性封堵剂更好的降滤失和砂床封堵性能。