摘要：气体钻井遇到地层出水时，通常就要转化为雾化钻井、充气泡沫钻井或钻井液钻井。工作液中液相浸入，引起地层岩石的物理化学变化，可造成井壁垮塌，甚至会导致井下复杂情况及事故。为此，深入分析和总结了气体钻井遇地层出水后的特殊井下情况，提出了在特殊井下情况下泥页岩井壁稳定对处理剂的性能要求，并对气体钻井井壁稳定处理剂的实验评价方法进行了探讨。结果表明：综合运用滚动回收实验、封堵效果评价，压力穿透测试、抗毛细管力自吸测试以及岩石力学参数测试等方法，能够较全面地评价井壁稳定处理剂的抑制性、封堵性、抗毛细管力自吸等性能以及该处理剂对岩石力学性质的影响。
关键词：深井；超深井；气体钻井；井壁稳定；处理剂；评价方法
气体钻井不同于常规钻井，常规钻井的井筒内循环介质为液态钻井液，井筒与地层孔隙压力之间存在正压差，对井壁起到一定的支撑作用。而气体钻井的井筒内的循环介质为气体，环空内压力小于地层压力，负压差较大，井壁支撑力小。特别是在钻遇地层出水的情况下，由于液相进入井筒，可能引起上部泥页岩地层的水化失稳。需要对气体钻井不同情况下出现的井壁失稳进行分析，并开展相应的井壁处理剂研究，提高特殊工况下气体钻井井壁稳定性。
1 气体钻井工况分析及处理剂性能要求
1.1 气体钻井转换工况分析
气体钻井遇到地层出水时通常就要转化为雾化钻井或泡沫钻井，国外推荐在地层出水大于2.0m3/h时就要转换[1]，国内采用气体钻井时通常的做法是地层出水为1.0～5.0m3/h，可转为雾化液。地层出水大于5.0m3/h及采用雾化钻井时，扭矩仍大于40kN·m，则转化为充气或泡沫流体钻井。但是现场施工中有时当地层出水大于3m3/h时就要求转化为其他钻井方式[2]。本文参考文献[3]认为转换为常规钻井的条件有：①地层出水大于5m3/h；②扭矩、摩阻过大或起下钻困难，影响钻井安全；③井斜大于设计要求且纠斜效果差；④地层出气量超过30×104m3/h；⑤地层掉块比较严重，影响钻井安全；⑥返出气体中硫化氢含量连续超过7.5mg/m3。实际上气体钻井转换钻井方式应主要考虑井眼净化和井壁稳定问题，对不同的施工和地层条件，转换方式和转换的边界条件应不同。
在转换作业中，原来没有受到浸泡的无任何保护的裸露地层，会因钻井液中液相和固相的浸入，引起地层岩石的物理化学变化，可能造成井壁垮塌，甚至会导致井下复杂情况及事故的发生。工作液转换前后井筒工况分析如下：
1) 气体钻井后，井眼周围的岩石必须承担由已钻去岩石所应承担的载荷。由于岩石各向异性程度较高，从而使得井眼周向应力集中，若地层应力超过岩石极限压力，在空井眼中井壁周围岩石就会发生脆性破裂、垮塌，井眼常井径扩大等[4]。
2) 与钻井液钻井不同的是，气体钻井主要靠高速上返的气体流举升钻屑，清洗井眼。同时，在环空中，夹带岩屑的高速上返气流也会冲蚀井壁，由此导致井壁岩石表面遭到剪切破坏，岩石颗粒持续不断的冲击作用会使井眼尺寸不断扩大，造成扩径或者井壁失稳[4]。
3) 气体钻井时井内流体压力极低，井眼周围地层岩石应力得到充分释放，加之空气锤和钻头的震荡，往往在井壁上形成更多的应力释放缝。这不利于地层出水后井壁的稳定。
4) 纯气体钻井井下出水时，地层水随着循环气体上返附着在干燥的井壁上，并逐渐润湿井壁。当高速循环的气体不再能风干井壁时，干燥的泥页岩地层自吸水化，同时岩屑中的泥岩水化后抱团，黏附在井壁和钻具上，形成滤饼环，堵塞环空通道，起下钻遇阻或遇卡；由于环空中的循环气体需要将地层水雾化带到地面，会导致注入压力升高，在流量不变的情况下，压力升高则流速减慢，不利于携带岩屑[5]。
5) 地层高产水时，实施充气泡沫钻井。泥页岩地层不但与地层水相互作用，而且与泡沫处理剂相互作用，泥页岩地层毛细管自吸水化进一步加强。
6) 在替入钻井液初期，由于井壁横向形成了更多的应力释放缝和井壁周围原有微裂缝的扩张，使得地层的连通性和渗透性得到了增加；加之地层干燥，没有滤饼，钻井液中的自由水会迅速大量地进入地层，岩石吸水膨胀引起井壁水化失稳。其次，在渗透性极好的井壁上形成厚滤饼引起卡钻复杂事故。替入钻井液后，井下压力增加，低压漏失层发生井漏以及出现诱导性井漏。
7) 随着钻井液的替入，当达到过平衡钻井时，液柱压力高于地层孔隙压力，驱使钻井液进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应。井眼周围产生微裂缝，钻井液渗入地层，近井地带孔隙流体压力增加，井壁稳定性进一步削弱。
1.2 气体钻井对井壁稳定处理剂的要求
根据气体钻井中地层出水以及工作液转换可能造成的井壁失稳和其他复杂井下情况，气体钻井井壁稳定应至少具备以下几项性能：
1) 良好的抑制性，能够有效地抑制液相侵入引起的黏土矿物水化作用。
2) 良好的封堵能力及低失水特性，通过良好的封堵和尽量降低失水量可以有效地降低液相侵入程度及其对岩石物理化学性质的影响。
3) 较强的抗毛细管力自吸能力，通过增强处理液的抗毛细管自吸能力可以有效地降低雾化、泡沫钻井中液相吸入深度，同时也有利于转换为钻井液过程的井壁稳定。
4) 对岩石力学性质影响小，流体进入地层引起井壁失稳最终体现为岩石力学性质的改变，良好的井壁稳定处理剂应当能够有效地保持原有岩石力学强度。
2 处理剂实验评价方法探讨
2.1 滚动回收实验
主要用于检测处理剂对泥页岩分散性的抑制能力，能定量评价泥页岩在经充分膨胀后分散趋势大小。
热滚动回收率评价方法：取300mL钻井液于高温罐内，然后将50g的6～10目目的层段泥页岩岩屑加入其中，在130℃下进行热滚16h，然后将其过40目筛，并在自来水下冲洗1Omin左右，将筛余物放在105±3℃下进行烘干至恒重，然后称重并计算热滚动回收率R=烘干后的质量/实验前的干重。回收率越大，处理剂抑制性越强，反之抑制性越差。
测定膨胀性泥页岩在3种处理剂和清水中的滚动回收率，测试结果见表1。
从实验数据可知，清水滚动回收率仅为9.65%，0.5%KCl+0.5%钾水玻璃的滚动回收率高达81.87%抑制黏土矿物水化膨胀分散性的能力比较强；其他两种处理剂的抑制性都较弱，可以通过加入其他添加剂增加其抑制性。
2.2 封堵效果评价
室内利用气体/欠平衡钻井多功能评价仪进行处理剂的封堵效果评价，其基本流程为：
1) 岩心饱和地层水(标准盐水)，并用氮气正向测定渗透率(K1)。
2) 一定正压差下循环处理剂反向污染岩心，记录滤失量，利用滤失量计算滤饼渗透率(K滤饼)。
3) 停止循环，用氮气反向测定岩心渗透率(K2)。
4) 计算岩心的封堵率：(K1-K2)/K1×100%。
实验中采用代号为A、B、C、D的4种处理剂，在3.5MPa循环压力下对取自井下同一深度的岩心进行了封堵效果测试，结果见表2。
由实验结果可知，4种处理剂对同一深度岩心的封堵效果较差。此项实验不但可以评价处理剂对地层的封堵效果，而且通过分析对比不同处理剂的封堵性能差异，可以找到比较理想的处理剂，从而提高工作液体系的胶结封堵性。
2.3 压力穿透测试
气液转换达到过平衡时，工作液液柱压力逐渐高于地层孔隙应力，驱使钻井液进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应，使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低。因此，压力穿透效应是造成井壁失稳的主要原因之一。室内利用气体/欠平衡钻井多功能评价仪(图1)进行压力穿透实验评价。
实验采用处理剂E、F对同一深度的井下岩心进行了压力穿透测试，结果见图1、2。
由实验结果可知，两种处理剂的穿透作用均很明显，E的穿透作用比F更显著。通过此项实验，对比不同处理剂压力穿透作用，进而评价处理剂的封堵性能，经证明是一种合理的方法。
2.4 抗毛细管力自吸测试
室内研究利用泥页岩自吸水测量仪进行抗自吸能力对比实验。该仪器主要由精度为0.1mg的电子天平、悬挂、液槽、控温器、计算机等组成。通过电子天平记录悬挂在它下面的泥页岩岩心重量变化。
分别对清水、1%聚乙烯醇溶液、0.5%硅酸钾+0.5%聚乙烯醇混合溶液、1%CTAB润湿反转剂溶液进行了测试，结果见图3。
对比吸水量与时间关系曲线可知，泥岩在清水中的吸水量上升的最快，同一时间内吸水量也最大。从总吸水量上来看，聚乙烯醇大于CTAB润湿反转剂，大于聚乙烯醇和硅酸钾混合溶液，说明聚乙烯醇和硅酸钾混合溶液的抗毛细管力自吸能力很好。CTAB润湿反转剂相对封堵型的处理剂，吸水量还是略高，抑制效果稍差。通过此项实验，能有效地模拟评价处理剂抑制泥页岩自吸水的性能。
2.5 对岩石力学性质的影响评价
评价井壁稳定处理剂综合性能的重要方法之一就是测量对比饱和处理剂与饱和水的岩石力学参数变化。室内采用聚合物处理剂浸泡过的泥岩岩样进行岩石力学参数测试。实验结果见表3。
由分析可以看出用处理剂处理过的岩心抗压强度比用水浸泡的岩心抗压强度大，岩石发生垮塌破裂的程度相对较小，不同处理剂饱和后的岩石三轴抗压强度也不同。说明，通过岩石抗压强度测试，可以评价处理剂抑制井壁失稳的综合性能。
3 结论
1) 气体钻井钻遇特殊复杂情况转换为其他循环介质，钻井井筒条件复杂，井壁稳定处理剂需要有良好的抑制性、封堵能力、低失水性和抗毛细管力自吸能力，同时要有效地保持岩石强度。
2) 开展滚动回收率评价、封堵效果评价、压力穿透测试、抗毛细管力自吸测试以及岩石力学参数测试等室内实验测试能够较为全面地评价气体钻井井壁稳定处理剂性能。
参考文献
[1] LYONS W C，GUO B，SEIDE F A.Air and gas drilling manual[M].New York：McGraw-Hall，2001.
[2] 吴仕荣，邓传光，周开吉.空气钻井地层出水限定值的探讨[J].钻采工艺，2006，29(5)：7-8.
[3] 周成华，王平全，张珍，等.气体钻井替换过程中保持井壁稳定的对策[J].钻采工艺，2007，30(5)：1-3.
[4] 李爱军.空气钻井井眼稳定问题初探[J].西部探矿工程，1994，6(1)：11-14.
[5] 许爱.气体钻井技术及现场应用[J].石油钻探技术，2006，34(4)：16-19.
(本文作者：魏武1 邓虎1 李皋2 朱义新2 孟英峰2 1.川庆钻探工程有限公司钻采工艺技术研究院；2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学)
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