長慶油田合水區塊泥頁巖井壁穩定技術

海照新 陳保民 張孝兵(川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西西安710018)

長慶油田合水區塊泥頁巖井壁穩定技術

海照新 陳保民 張孝兵(川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西西安710018)

泥頁巖井壁不穩定是鉆井作業中的一大難題，水平井施工中尤為突出，為了更好的控制水平井鉆井施工過程中的井壁坍塌問題，本文拋開力學原因造成的井塌（即鉆井液密度），分析怎樣通過物理化學方式來控制井塌。本文先后對泥巖水化效應、鉆井液濾失量、濾餅物性等方面進行分析，通過對鉆井液組分的調整，優化了以上特性，達到了控制井壁坍塌的目的，同時也避免了單一的利用密度控制井塌后密度過高所產生的副作用。

水平井;泥巖;鉆井液濾失量;濾餅

石油工程界普遍認為,井壁坍塌是由于井內液柱壓力較低,使井壁周圍巖石所受的應力超過了巖石本身的強度,從而產生剪切破壞所造成的，這是其力學原因。實際上鉆井液需要通過“物化封固井壁阻緩壓力傳遞、加強抑制水化、化學位活度平衡、合理密度有效應力支撐”等多種作用方式,即所謂的“多元協同”穩定井壁理論，才能較好地實現井壁穩定。

1 鉆井液濾失量及濾餅物性對井壁穩定的影響

1.1 鉆井液濾失量

巖石內部微裂紋在應力作用下的擴展促進了微裂紋的連接，隨之侵入的鉆井液濾液與巖石間的物理化學反應使巖石內能增加進一步加速了巖石裂紋的擴展,是造成井壁坍塌和失穩的主要原因。

1.2 濾餅物性

鉆井液封堵性越強，泥餅孔隙度越小，失水越小，泥餅越薄。實驗證明常用的固相處理劑形成泥餅孔隙度優選，膨潤土＜石灰石＜重晶石，實驗得出由膨潤土形成的泥餅孔隙度最小。實驗發現無機鹽類處理劑的加入將使鉆井液濾餅厚度增大，強度降低，使泥餅質量整體特性變差。

2 鉆井液組分的調整

2.1 強抑制聚合物控制泥頁巖水化效應

強抑制聚合物體系配方：清水+0.4%ZNP-1+0.3%K-PAM

水平井上部泥巖段、泥頁巖段采用聚合物強抑制鉆井液體系，目前所用的聚合物防塌劑基本都為陽離子防塌劑，其能穩定黏土并抑制其水化膨脹、分散的機理在于:①通過分子鏈上的眾多正電性基團與黏土的負電性中心產生強烈的靜電作用,分子鏈與黏土晶面間很強的范德華力使陽離子牢固地吸附在黏土顆粒表面,形成一層單分子膜;②陽離子聚合物吸附到多個晶層和微粒上后,再將其取代下來很困難;③陽離子聚合物的吸附牢固,黏土表面形成的雙電層較薄,顆粒間的雙電斥力較小,結合較緊密,不易分解,遇水不易水化膨脹。

2.2 轉化體系固相成分的確定

2.2.1 初次形成泥餅配方

配方:強抑制聚合物基漿+2-3%白土+0.2%燒堿+0.5%FT-342

性能范圍：粘度38-42秒，密度1.04-1.06 g/cm3，失水小于6ml，PH9，動切力3-5

依據白土所形成泥餅孔隙度最小,最致密的物性,初次轉化優選白土,目的是在井壁的最內層形成致密的白土泥餅,同時依據聚合物增加泥餅強度而分散劑和無機鹽類降低泥餅強度的物性,固在初次轉化時盡量避免或控制分散劑、重晶石、KCL、甲酸鈉的使用。

2.2.2 后續根據施工需要維護泥餅配方

配方:細分散原漿+1%甲酸鈉+重晶石(按密度要求)+0.05%抑制性聚合物+白土（依據泥餅質量）

在泥巖段已基本形成第一層泥餅后，可以根據施工要求進行進一步處理，如隨井斜增大，逐漸提高鉆井液密度等。抑制劑的加入優選有機鹽甲酸鈉，因為無機鹽類處理劑（KCL)的加入將使鉆井液濾餅厚度增大，強度降低，使泥餅質量整體特性變差。

2.2.3 濾失量的控制

濾失量與泥餅質量密切相關，一般固相材料越細，封堵性越好，泥餅越致密，濾失量也就越小，但實際現場操作時，一般都是倒序的，先測出鉆井液性能，再依據調整。而初次轉化體系，由全失水強抑制性體系轉化為低失水、弱抑制體系，失水量的控制就顯得尤為重要了，只有鉆井液中水的活度小于泥頁巖地層水活度，即井壁附近孔隙壓力減小,利于井眼穩定。

3 現場應用

現場應用3口井，都由于遇阻或卡鉆加入白土，加入白土循環4-5周后，井塌現象基本得到控制，避免了由于重晶石的加入，密度上升后的漏失加劇現象，同時后期性能穩定性強，避免了大量抑制劑和降失水劑的加入，現場只需要每天補充泥漿量即可，原漿基本無需處理。

固平27-16井鉆進到井深1420米，井斜32度，地層延長，泥漿性能粘度41S，密度1.15 g/cm3，失水8ml，動切2，起鉆換鉆頭遇阻嚴重，方鉆桿帶出21根，返出延長組泥巖掉塊，下鉆劃眼過程中補充加入白土5噸，循環帶出部分掉塊，處理后性能粘度46S，密度1.15 g/cm3，失水6命令，動切力4，后續施工繼續維持密度在1.2 g/cm3加入白土的水平井，入窗密度、水平段密度、完鉆密度都低于未加白土的水平井，同時成本也有所下降。

4 認識與建議

(1) 泥頁巖的穩定性是可以通過化學方式（抑制性）和物理方式（濾失量、泥餅物性）相結合來解決的，同時物理化學方式帶來的副作用明顯要小于力學方式。

(2) 體系的正常維護對固控設備的要求較高，現場需要盡可能多的運轉固控設備。