鉆井液封堵性對徐聞區塊潿三段井壁失穩的影響

許春田， 馬成云， 徐同臺， 湯燕丹， 肖偉偉（. 江蘇石油勘探局鉆井處，江蘇揚州56；. 北京石大胡楊石油科技發展有限公司，北京000）

許春田等.鉆井液封堵性對徐聞區塊潿三段井壁失穩的影響[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：52-56.

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鉆井液封堵性對徐聞區塊潿三段井壁失穩的影響

許春田1， 馬成云2， 徐同臺2， 湯燕丹1， 肖偉偉2
（1. 江蘇石油勘探局鉆井處，江蘇揚州225261；2. 北京石大胡楊石油科技發展有限公司，北京102200）

許春田等.鉆井液封堵性對徐聞區塊潿三段井壁失穩的影響[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：52-56.

摘要在徐聞區塊鉆井過程中，鉆遇潿洲組時發生了井塌等井下復雜事故，但通過對測井數據和地層3個壓力剖面數據分析，發現鉆井使用的鉆井液密度均高于地層坍塌壓力當量密度，且潿三段地層層理裂隙比較發育。利用給出的坍塌壓力當量鉆井液密度簡化計算式，計算了鉆井液浸泡后巖心坍塌壓力的變化，其結果表明，隨著鉆井液浸泡時間的增加，巖石強度下降，進而造成地層坍塌壓力大幅度增加，巖心浸泡5 d坍塌壓力增加了12.15%。對潿三段地層井壁失穩情況及影響因素進行了分析，認為該層位井壁失穩機理為：鉆井液封堵性不足以阻止鉆井液濾液侵入地層，造成地層強度下降和近井壁孔隙壓力升高，進而導致地層坍塌壓力升高，誘發井壁坍塌。采用有機鹽、包被劑和胺基抑制劑改善了鉆井液抑制性，采用ZHFD、QS-4和NFA-25作為封堵劑，形成了強封堵強抑制的有機鹽胺基鉆井液，延長了井壁坍塌周期，有效解決了潿三段井壁失穩的技術難題。

關鍵詞井眼穩定；坍塌壓力當量密度；強封堵強抑制鉆井液；抑制性；封堵；徐聞區塊；潿三段

Effect of Sealing and Plugging Capacity of Drilling Fluid on Borehole Stability of Weisan Member in Block Xuwen

XU Chuntian, MA Chengyun, XU Tongtai, TANG Yandan, XIAO Weiwei
(1. Drilling Department of Jiangsu Oilfield, Sinopec, Yangzhou Jiangsu 225261,China; 2. Beijing Shi Da Hu Yang Petroleum Technology Company Ltd., Beijing 102200,China)

Abstract Borehole instability of the Weizhou Member has been encountered during drilling in Block Xuwen, although the mud weight used exceeded the equivalent density calculated from the collapse pressure of the formation, as known from logging data and analyses of 3 pressure profiles. It was found that fractures and fissures were developed in the Weisan Member. In laboratory experiments, cores taken from the formation of interest were immersed in drilling fluid, and changes in collapse pressure were calculated using a simplified equation of calculating mud weight from collapse pressure. It was found that the rock strength decreased with immersion time, resulting in a large increase in collapse pressure of formation; in the experiments, the collapse pressure increased by 12.15% after 5 d of immersion in drilling fluid. Analyses of borehole instability in the Weisan Member indicated that lack of sealing and plugging of formation by drilling fluid resulted in filtrate invasion, which in turn reduced the strengths of formation and increased the pressure of formations near the wellbore. The collapse pressure of formation was thus increased, resulting in borehole instability. Based on these understandings, the formulation of drilling fluid was modified by adding organic salts, encapsulators and amine additives into the drilling fluid, and using ZHFD, QS-4 and NFA-25 as plugging agents. With this optimized drilling fluid, the time required for the borehole to collapse was prolonged, and borehole instability of the Weisan Member was prevented.

Key words Borehole stabilization; Equivalent density of collapse pressure; Strongly inhibitive drilling fluid with strong plugging capacity; Inhibitive capacity; Sealing and plugging; Block Xuwen; Wensan Member

徐聞地區已鉆井主要位于北部灣盆地邁陳凹陷北斜坡區塊，完鉆層位主要是潿洲組和流沙港組。但是鉆探潿洲組和流沙港組過程中，出現了井壁坍塌、井漏等井下復雜，嚴重影響了油氣資源勘探和開發。通過對測井數據和地層3個壓力剖面數據分析，發現徐聞潿三段地層層理裂隙比較發育，鉆井過程中所使用的鉆井液密度為1.27～1.32 g/cm3，均高于地層坍塌壓力當量密度（0.8～1.26 g/cm3），但是從潿三段井徑曲線圖（見圖1）可以看出，該井段地層井壁坍塌非常嚴重。這說明徐聞潿三段地層井壁失穩原因不是由于鉆井液密度低于原始地層坍塌壓力當量密度造成的，而是由于其它原因而引發井壁失穩。探討了鉆井液封堵性對徐聞潿三段地層坍塌壓力的影響，并研究了穩定該段井壁的鉆井液技術對策[1-10]。

注：1 in=25.4 mm。

1　鉆井液封堵性

1.1 現場鉆井液封堵性評價

在徐聞區塊采用復合有機鹽低滲透潤滑防塌鉆井液鉆潿三段地層，對該鉆井液的封堵性能進行實驗評價，結果見表1?，F場鉆井液配方如下。

3%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH+1.5% Redul-1+2%PGCS-1+2%NFA-25+0.2%IND-10+ 0.15%XC+15%weigh2+3%QS-4（ρ=1.35 g/cm3）

實驗結果表明：該鉆井液封堵性較差，其中粒徑為0.45～0.90 mm 的砂床濾失量高達26.9 mL，0.45～0.90 mm的砂床滲透性失水為全失。這說明該鉆井液中的顆粒粒徑匹配較差，缺少較大尺寸顆粒的封堵劑，且形成的濾餅質量也較差，不足以阻止鉆井液濾液沿著裂縫侵入地層。

1.2 鉆井液封堵性差造成巖石強度下降

正是由于現場鉆井液封堵性差，當采用現場鉆井液做巖心浸泡實驗時，巖心塊發生了破裂，無法測試巖石強度。為了能夠進一步研究鉆井液封堵性對地層巖石強度的影響，對現場鉆井液封堵性能進行了初步優化，使其在鉆井液中浸泡過程中不出現破裂，再采用此鉆井液浸泡巖心，進行對巖心強度影響實驗。

表1　不同粒徑砂床封堵性測試結果

1.2.1 實驗條件

巖心取自徐聞x7井潿三段井深3 797.4 m處。鉆井液初步優化配方如下。其砂床封堵性實驗結果見表2。

4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH+1% Redul+2%PGCS-1+2%NFA-25+0.5%TJX-1+ 0.3%IND-10+0.2%XC+5%Weight2+3%QS-4（ρ=1.35 g/cm3）

表2　鉆井液在不同粒徑（mm）砂床中的封堵性 mL

從表2可以看出，粒徑為0.28～0.45 mm砂床的濾失量達39.0 mL，說明該鉆井液中的顆粒粒徑匹配仍然不恰當，不能達到快速封堵地層穩定井壁的要求；但是巖心塊不會發生破碎，可以測試強度來說明鉆井液封堵性對巖石強度的影響。

1.2.2 實驗方法

1）用三軸應力實驗裝置，在相同的條件下測定巖心經同一配方鉆井液浸泡不同時間以后的巖石力學性能（主要指彈性模量和泊松比）及其強度。

2）計算對比巖心經不同時間浸泡以后的坍塌壓力。

3）綜合對比分析地層巖石強度下降對地層坍塌壓力的影響規律。

1.2.3 坍塌壓力計算

對于直井而言，不考慮水化應力對穩定性的影響，坍塌壓力（當量鉆井液密度）簡化計算式為：

式中：ρi為地層坍塌壓力當量鉆井液密度，g/cm3；σH、σh為水平最大地應力、水平最小地應力，MPa；Pp地層孔隙壓力，MPa；C為內凝聚力，MPa；α為有效應力系數；η為非線性修正系數，對一般泥頁巖可取0.95；K=cot（45°-φ/2）；φ為內摩擦角，（°）。已知：σH=74.71 MPa；σh=61.62 MPa；Pp=38.11 MPa；K=cot（45°-φ/2）=1.56，潿三段泥巖巖心經鉆井液浸泡不同時間坍塌壓力計算結果見表3。計算結果表明，隨著鉆井液浸泡時間的增加，巖石強度下降，進而造成地層坍塌壓力大幅度增加；巖心浸泡5 d，坍塌壓力增加了12.15%。由于現場鉆井液封堵性比該實驗初步優化的鉆井液更差，巖石強度將會下降更快、更大，坍塌壓力增加的幅度也會更大。

表3　鉆井液浸泡后的巖石力學性能測試結果

1.2.4 實驗結果分析

徐聞潿三段巖心應力應變曲線見圖2～圖5。從圖中可以看出，在單軸條件下，泥巖峰值強度對應的應變分別為0.46%、0.74%、0.74%、0.52%，均遠低于3%，且巖心的破壞形式為劈裂（見圖6）。上述數據表明潿三段泥巖屬于硬脆性泥巖。雖然地應力作用下地層的變形比較小，但變形主要是由于地層內部微裂縫的擴展造成的。

圖2　0 d巖心應力應變曲線

圖3　1 d巖心應力應變曲線

圖4　3 d巖心應力應變曲線

圖7為按鉆井液浸泡5 d后巖石強度計算出徐聞X8井潿三段中地層坍塌壓力當量鉆井液密度曲線。從圖7可以看出，地層坍塌壓力當量密度已接近鉆井液密度，部分井段甚至超過鉆井液密度，誘發了井塌。上述實驗表明：現場鉆井液封堵性不足以阻止鉆井液濾液侵入地層，造成巖石強度下降、地層坍塌壓力升高，誘發井壁坍塌。

圖5　5 d巖心應力應變曲線

圖6　巖心在鉆井液浸泡前后的照片

圖7　徐聞X8井潿三段坍塌壓力對比曲線

1.3 鉆井液封堵性差造成近井壁孔隙壓力增大

在不考慮巖石強度參數變化的情況下，對于孔隙壓力進行了假設，并利用式（1）計算了坍塌壓力，結果見表4。實驗結果表明：隨著孔隙壓力的升高，坍塌壓力增加；當孔隙壓力當量鉆井液密度由1.02 g/cm3增大到1.2 g/cm3（增長了17.65%）時，坍塌壓力當量鉆井液密度由1.05增大到1.10 g/cm3（增長了4.64%）。由于現場鉆井液密度（1.27～1.35 g/cm3） 遠高于地層孔隙壓力當量密度（0.5～1.10 g/cm3）， 若鉆井液封堵性差， 會發生壓力傳遞， 導致近井筒孔隙壓力升高， 進而造成坍塌壓力增加，當坍塌壓力超過鉆井液密度時， 就可能誘發井壁失穩。

表4　不同孔隙壓力下的地層坍塌壓力計算結果

綜上所述，徐聞區塊潿三段泥巖原始地層坍塌壓力不算高，該地區鉆進潿三段時所采用的鉆井液密度高于地層坍塌壓力，不易引發井壁失穩。但由于鉆進該段地層所采用的鉆井液封堵性遠不足以有效封堵地層層理/裂縫，從而引起近井筒巖石強度下降、孔隙壓力增大，進而造成坍塌壓力升高，超過鉆井液密度，從而誘發井壁失穩。因此提高鉆井液封堵性是穩定徐聞潿三段井壁的關鍵技術。

2　徐聞潿三段穩定井壁鉆井液技術

2.1 改善鉆井液抑制性

用X6井潿三段泥巖巖心，評價現場鉆井液在140 ℃、16 h的抑制性發現，原現場鉆井液抑制性弱，雖然一次滾動回收率高達93.93%，但是二次滾動回收率只有60.36%，不能滿足泥頁巖井壁穩定的要求。因此通過采用有機鹽、包被劑和胺基抑制劑協同作用來改善原現場鉆井液抑制性，優化后的鉆井液抑制性強，一次回收率為98.13%，二次回收率為98.10%，均大于90%。

優化后鉆井液配方（1#）：2%膨潤土+0.2% Na2CO3+0.2%NaOH+1%Redul+4%SPNH+2% SMP-1+3%PGCS-1+3%NFA-25+0.5%TJX-1+ 0.3%IND-10+0.1%XC+5%Weight2+3%QS-4+ 3%ZHFD（密度為1.35 g/cm3）

2.2 增強鉆井液封堵性

主要從外泥餅和內泥餅2個方面來增強鉆井液封堵性。一方面采用SPNH、SMP-1和Redu1來控制鉆井液濾失量，促使井壁形成薄而致密、韌性好、滲透率低的外泥餅，阻止鉆井液侵入地層。另一方面采用特種剛性/柔性架橋材料ZHFD、剛性填充材料超細碳酸鈣和可變形填充材料仿瀝青，在井壁附近建立良好的內封堵層，阻止鉆井液的進一步侵入。其中，特種剛性/柔性架橋材料ZHFD粒徑分布范圍廣，具有分級式“單板”架橋或堆砌式“架橋”作用，能夠層層架橋，降低孔喉尺寸且具有相當強的承壓能力；超細碳酸鈣是一種剛性填充材料，可以進一步填充由架橋材料分割出來的小孔喉，使地層的孔喉和裂縫基本被鉆井液中的固相顆粒填充；仿瀝青進一步充填微孔隙，促使地層微裂縫被盡可能地緊密充填，達到封堵地層的目的。通過以上3個方面的協同作用，在近井壁形成了良好的內外封堵層，阻止了鉆井液沿著裂縫侵入地層引發的井壁失穩?，F場使用鉆井液與優化后鉆井液砂床封堵性實驗結果見圖8和圖9。

圖8　砂床封堵性實驗結果

圖9　做完鉆井液封堵之后的砂床滲透性失水實驗結果

從圖中可以看出，有機鹽胺基鉆井液的封堵能力大幅度提升，其中過0.45～0.90 mm和0.28～0.45 mm砂床濾失量小于7.5 mL，滲透濾失量小于2mL，高溫高壓（160 ℃、16 h）濾失泥餅薄而致密、韌性好（見圖10）。

圖10　現場鉆井液和優化后鉆井液配方高溫高壓濾失泥餅

3　結論

1.徐聞潿三段井壁失穩不是由于鉆井液密度低于原始地層坍塌壓力而造成的，而是由于鉆進該段地層所采用的鉆井液封堵性不足以有效封堵地層層理、裂縫，從而引起近井筒泥巖水化膨脹、巖石強度下降、孔隙壓力增大，進而造成坍塌壓力升高，超過鉆井液密度，誘發井壁失穩。

2.采用有機鹽、包被劑和胺基抑制劑改善了鉆井液抑制性，采用ZHFD、QS-4和NFA-25作為封堵劑，最終形成了強封堵強抑制的有機鹽胺基鉆井液，延長了井壁坍塌周期，有效解決潿三段井壁失穩的技術難題。

參 考 文 獻

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收稿日期（2015-11-17；HGF=1601N18；編輯 王小娜）

作者簡介：第一許春田，1996年畢業于中國石油大學鉆井專業， 一直從事鉆井液技術管理與研究工作。電話（0514）86761052。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.011

中圖分類號：TE258

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0052-05