南堡油田玄武巖井壁穩(wěn)定影響因素的研究

李 楠，李 健，王 維，聶明順，吳 彬，王 薦

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.冀東油田勘探開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目部，河北唐海063200；3.冀東油田瑞豐化工有限公司，河北唐海063200；4.湖北漢科新技術(shù)股份有限公司，湖北荊州434023）

南堡油田位于河北省灤南縣、唐?？h和樂亭縣境內(nèi)的0～5m 淺水海域，地處渤海灣盆地黃驊凹陷、南堡凹陷中部和西南部，該油田在館陶組及東營組普遍鉆遇玄武巖，且經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、井壁坍塌、電測遇阻、井漏、劃眼等井下復(fù)雜事故，嚴(yán)重影響了鉆井速度和井身質(zhì)量。

作者在此針對(duì)南堡油田玄武巖層理、裂隙發(fā)育等特點(diǎn)，從礦物組分、理化性能等方面對(duì)影響玄武巖井壁穩(wěn)定的因素進(jìn)行了室內(nèi)研究。

1 玄武巖礦物組分與理化性能分析

表1 南堡油田玄武巖的礦物組分分析Tab.1 Mineral composition analysis of basalt in Nanpu Oilfield

由表1可看出，南堡油田玄武巖的粘土礦物相對(duì)含量較高，以伊／蒙間層礦物為主，間層中蒙脫石（S）含量較高，其次是綠泥石、伊利石和高嶺石。因此，南堡油田水敏性損害是影響玄武巖井壁穩(wěn)定的因素之一，不容忽視。

同時(shí)對(duì)南堡油田玄武巖進(jìn)行了理化性能及掃描電鏡分析，結(jié)果見表2及圖1。

表2 南堡油田玄武巖的理化性能分析Tab.2 Analysis of physical and chemical properties of basalt in Nanpu Oilfield

圖1 南堡油田玄武巖的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM Images of basalt in Nanpu Oilfield

由表2可看出，南堡油田玄武巖具有很強(qiáng)的膨脹性，分散性相對(duì)較弱。

由圖1可看出，南堡油田玄武巖具有微裂隙非常發(fā)育的特點(diǎn)，極易造成水化膨脹后微裂隙開啟、剝落坍塌。

2 影響玄武巖井壁穩(wěn)定的因素

2.1 地質(zhì)因素

從南堡油田玄武巖礦物組分分析以及掃描電鏡分析結(jié)果來看，南堡油田玄武巖具有很高的粘土礦物含量，且粘土礦物含量中以蒙脫石或伊／蒙間層礦物為主，蒙脫石含量高，極易造成水化膨脹，同時(shí)地層層理發(fā)育微裂隙分布廣，在鉆井過程中，壓力與濾液的傳遞極易造成玄武巖水化膨脹，微裂隙開啟，從而剝落坍塌、井壁失穩(wěn)。

2.2 物理化學(xué)因素

鉆井液是平衡地層壓力以及阻止地層巖石水化膨脹的主要手段。一般來說，為平衡井壁，鉆井液液柱壓力普遍高于地層正常壓力。當(dāng)鉆開地層時(shí)，由于鉆井液無法實(shí)現(xiàn)零封堵，因此壓力和濾液會(huì)隨之侵入到地層。研究表明，泥頁巖中壓力傳遞比溶質(zhì)和離子擴(kuò)散快1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，后者又比鉆井液的濾液的達(dá)西流快1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。由于玄武巖地層滲透率很低，無法像高滲砂巖一樣無限釋放壓力，因此，壓力的傳遞會(huì)導(dǎo)致玄武巖地層的原始?jí)毫Ω淖?、鉆井液液柱壓力與地層壓力的差值逐漸減小并趨于平衡；而濾液的侵入又會(huì)導(dǎo)致地層的水化膨脹，隨著時(shí)間的推移，地層水化膨脹產(chǎn)生的水化膨脹壓會(huì)進(jìn)一步減小鉆井液液柱壓力與地層壓力的差值。伴隨著層理裂隙的開啟，地層逐漸剝落坍塌，從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

2.3 地層自吸水因素

由于南堡油田玄武巖普遍屬于低滲地層，孔隙多類似于毛細(xì)管，因此即使液柱壓力與地層壓力平衡，在沒有壓差的情況下鉆井液密度大的濾液仍然會(huì)通過自吸水作用而進(jìn)入地層，從而造成地層水化膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致層理裂隙的開啟、剝落坍塌。

2.4 工程因素

由于南堡油田玄武巖存在層理微裂隙發(fā)育，因此當(dāng)鉆開地層后，鉆井液的沖刷、機(jī)械碰撞均可能導(dǎo)致地層層理微裂隙的剝落坍塌，從而造成井壁失穩(wěn)、起下鉆遇阻、憋泵等復(fù)雜情況。

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3 穩(wěn)定玄武巖井壁的技術(shù)對(duì)策

通過對(duì)南堡油田館陶組玄武巖井段地層失穩(wěn)原因分析，可采取以下技術(shù)措施來穩(wěn)定井壁，防止坍塌。

（1）合適的鉆井液密度

防止玄武巖地層坍塌重要的因素是控制鉆井液的液柱壓力。基于壓力平衡理論，必須采取適當(dāng)?shù)你@井液密度，形成適當(dāng)?shù)囊褐鶋毫Γ@是對(duì)于薄弱地層、破碎地層及應(yīng)力相對(duì)集中地層的有效措施。但增大鉆井液密度具有兩重性，一方面鉆井液密度大有利于增大對(duì)井壁的支撐力，另一方面又會(huì)導(dǎo)致濾液進(jìn)入地層，增大孔隙壓力、增大粘土的水化面積和水化作用，從而降低地層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)力。

（2）較強(qiáng)的鉆井液抑制性

地層粘土礦物含量高，鉆井液體系應(yīng)具有優(yōu)良的抑制性，能夠有效抑制鉆屑的水化分散和鉆井液濾液侵入地層造成的粘土膨脹，有利于穩(wěn)定井壁。

（3）優(yōu)良的鉆井液封堵能力和防堵漏功能

鉆井液體系應(yīng)具有優(yōu)良的封堵能力，能有效提高泥餅質(zhì)量，封堵地層裂隙，減少濾液侵入和壓力傳遞。同時(shí)體系還應(yīng)具有較強(qiáng)的防堵漏能力，減少鉆井液對(duì)地層的漏失，提高井壁的強(qiáng)度和抗壓能力，穩(wěn)定井壁。

（4）合理的鉆井液流變性

優(yōu)選合理的鉆井液流變性能和環(huán)空返速，既確保玄武巖巖屑的攜帶，又不會(huì)對(duì)井壁發(fā)生沖蝕。

（5）增大鉆井液中自由水進(jìn)入地層的毛管阻力

使鉆井液束縛更多的自由水，增大鉆井液進(jìn)入地層的毛管阻力，減少濾液侵入地層的量和深度。

（6）降低地層巖石的自吸水能力

在鉆井液體系中應(yīng)加入一定量的表面活性劑，有效減小鉆井液濾液的表面張力，盡可能降低地層巖石的毛細(xì)管自吸水能力，從而阻止濾液進(jìn)入地層。

4 結(jié)論

（1）南堡油田玄武巖粘土礦物含量較高，以蒙脫石或伊／蒙間層礦物為主，其次是綠泥石、伊利石和高嶺石，具有很強(qiáng)的膨脹性，分散性相對(duì)較弱，且層理微裂隙非常發(fā)育。

（2）影響南堡油田玄武巖井壁穩(wěn)定的主要因素包括壓力的傳遞及濾液的侵入導(dǎo)致的壓力差的變化、地層自吸水引起的地層水化膨脹以及微裂隙的開啟引起的層理剝落坍塌。

（3）合適的鉆井液密度、較強(qiáng)的鉆井液抑制性、優(yōu)良的封堵能力以及增加鉆井液中自由水進(jìn)入地層的毛管阻力等措施是提高南堡油田玄武巖井壁穩(wěn)定性的主要措施。

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