我國的海陸過渡相頁巖主要分布在鄂爾多斯盆地、南華北盆地、沁水盆地的本溪組、太原組以及山西組中，具有極好的頁巖氣開發(fā)潛力。大寧-吉縣區(qū)塊石炭-二疊系的山西組中發(fā)育了海陸過渡相頁巖，其厚度約為5～10 m，山23亞段的頁巖氣地質(zhì)資源量估計高達1.01×1012 m3，資源豐度達1.78×108 m3/km2，這為勘探開發(fā)提供了極為廣闊的前景。海陸過渡相頁巖中黏土礦物含量高，活性黏土礦物水化作用后易發(fā)生膨脹和分散作用，且廣泛發(fā)育微裂縫，重點應(yīng)該加強對微納米級裂縫的封堵，實現(xiàn)井壁穩(wěn)定。

針對泥頁巖井壁穩(wěn)定機理與鉆井液應(yīng)用技術(shù)，國內(nèi)外已形成一套完整成熟的理論體系，且在現(xiàn)場實際應(yīng)用良好。國外的斯倫貝謝、哈利伯頓、貝克休斯等公司在鉆井液的封堵性能、抑制性能以及活度平衡等方面開展鉆井液體系優(yōu)化，形成高效的水基鉆井液體系，有效支撐頁巖氣水平井高效鉆完井。國內(nèi)學(xué)者在處理劑合成、處理劑優(yōu)選、配方優(yōu)化等方面開展較多研究工作，劉敬平等以多碳醇和磺化瀝青鉀鹽為核心處理劑，研發(fā)了一種新型水基鉆井液體系，可以有效地抑制頁巖膨脹和分散，并具有良好的封堵性能和抗溫抗污染性能。趙素娟等以端胺基聚醚和植物油酰胺極壓減摩為核心處理劑，開發(fā)了一種高性能水基鉆井液，表現(xiàn)出良好的流變性、低濾失量和穩(wěn)定的頁巖井壁性能。同時，通過對頁巖特征研究，厘清頁巖的坍塌機理，并針對性的研發(fā)、優(yōu)選處理劑，并形成鉆井液體系，對鄂爾多斯盆地陸相、海陸過渡相頁巖氣鉆井具有一定的借鑒價值。

針對大寧-吉縣區(qū)塊海陸過渡相頁巖氣水平井鉆井過程中井壁易坍塌失穩(wěn)、摩阻扭矩大等難題，通過開展頁巖的液巖作用機理分析，揭示海陸過渡相頁巖水基鉆井液井壁失穩(wěn)機理，優(yōu)選關(guān)鍵處理劑，構(gòu)建具有強抑制、高效封堵、強潤滑等作用的高性能水基鉆井液，提高井壁穩(wěn)定能力、降低摩阻扭矩，為解決大寧-吉縣區(qū)塊海陸過渡相頁巖地層鉆井難題提供技術(shù)支撐。

巖液作用后頁巖表面張力變化

根據(jù)SY/T 5153—2017測定了不同溶液的接觸角（見表1），在去離子水中接觸角為9.2°，在5種處理劑中接觸角均有所增加，表明處理劑增強了頁巖表面的疏水性。海陸過渡相頁巖黏土顆粒在疏水抑制劑中的接觸角變化幅度最大，這是因為疏水抑制劑吸附在黏土顆粒表面后，其內(nèi)部分子中的疏水部分覆蓋在黏土顆粒表面，形成一層疏水膜能阻止水分子吸附在黏土顆粒表面，使黏土顆粒的潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，進而抑制黏土水化分散，起到更好的頁巖抑制效果。

表1巖樣在不同抑制劑溶液中的毛管力

同時從表1中可以看出，疏水抑制劑能夠有效降低溶液的表面張力，當微裂縫的寬度為0.1μm時，微裂縫對于去離子水的毛管自吸力達到1.44 MPa，而加入疏水抑制劑后可以降低至0.60 MPa，而且隨著微裂縫寬度增加毛管自吸力逐漸降低。納米級別的微裂縫具有較高毛管自吸力，所以在體系構(gòu)建時應(yīng)封隔頁巖微納米級裂縫和加入疏水類的處理劑，弱化微納米級裂縫的毛管自吸力。

抑制劑優(yōu)選思路

表2不同濃度KCl和甲酸鉀水活度

通過海陸過渡相頁巖巖心浸泡實驗與線性膨脹實驗，可以得出甲酸鉀、疏水抑制劑對于該區(qū)塊儲層頁巖具有良好的抑制效果。其作用原理為：①疏水抑制劑可以在黏土表面吸附后形成一層膠束膜，一定程度上阻止水分子進入黏土晶層，減少水分滲透，從而抑制黏土礦物的水化膨脹，同時，疏水抑制劑能夠改善頁巖的潤濕性和濾液的表面張力，弱化毛細管力，阻止濾液進入地層內(nèi)部；②甲酸鉀則是通過改變水的化學(xué)性質(zhì)和與黏土礦物的相互作用來影響?zhàn)ね恋乃再|(zhì)，加入甲酸鉀后會降低水的活度（表2），產(chǎn)生一定的滲透壓差，有利于阻止壓力傳遞到泥頁巖中，從而抑制頁巖水化膨脹、分散；③KCl可以抑制黏土礦物的水化膨脹，部分是因為它能夠影響?zhàn)ね恋V物顆粒表面的電荷分布和相互作用。當黏土礦物水化時，表面的電荷特性會發(fā)生變化，導(dǎo)致顆粒之間的斥力增加，從而引起膨脹。KCl的存在可以中和一部分表面電荷，降低顆粒間的斥力，減緩水化膨脹的速率。