南堡油田硬脆性泥頁巖地層井壁失穩原因實驗

歹震東， 朱寬亮， 李 皋*， 鄭淑媛， 劉厚彬， 周 巖

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油冀東油田鉆采工藝研究院，唐山 063004)

南堡油田地質上為渤海灣盆地黃驊坳陷北部的南堡凹陷[1]。南堡2、3號構造位于南堡凹陷的南部，2號構造沙河街組為斷背斜構造，3號構造表現為斷階構造，整體呈北東南西向展布，自下而上繼承性發育[2-3](圖1)，南堡2、3號構造存在七套儲層，自上而下：新近系明化鎮組下段、館陶組，古近系東一段、東二段、東三段、沙河街組沙一段儲層及奧陶系儲層(圖2)。現主要針對東二段、東三段、沙一段開展研究工作。

圖1 南堡凹陷中深層構造分布情況

圖2 南堡2號、3號構造中深層成藏模式

東二段巖性以泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖為主；東三段巖性以灰色泥巖夾細砂巖為主；沙一段巖性以灰褐色含細礫中粗砂巖為主[4]。近年來，冀東油田重點勘探開發中深層油藏，該層段埋藏較深，地質層系多，巖性變化復雜，且地層巖石黏土含量高；微裂縫、微孔洞都較為發育，可能誘發水力劈裂作用，加劇井壁巖石破碎，地層巖石力學強度降低，加劇井壁失穩，導致鉆井過程中井壁掉塊、縮徑、垮塌等一系列井下復雜事故的發生，延長鉆井周期[5-8]。針對中深層地層硬脆性泥頁巖井壁失穩問題，國內外學者進行了大量研究：Deily等[9]基于多孔彈性體的應力狀態研究，建立了井周應力狀態模型；Chenevert[10]進行了不同類型鉆井液對泥頁巖產生膨脹趨勢的研究；Mody等[11]考慮了力學-化學耦合對井壁應力影響的研究；Kanfar等[12]根據泥頁巖經鉆井液浸泡作用后發生強度降低的現象構建了力-化-滲耦合井壁穩定分析模型；黃榮樽等[13]提出了水化作用下泥頁巖井壁圍巖應力狀態的簡便計算方法；Dusseault等[14]、Ong等[15]研究了各向異性地層對井壁穩定性的影響；Ma等[16]結合力-滲耦合模型，采用層理面破壞準則分析了硬脆性泥頁巖地層的破壞機理；陳卓等[17]利用FLAC3D軟件將硬脆性泥頁巖的損傷破壞模型應用到井壁穩定分析中；金衍等[18]、汪傳磊等[19]、劉厚彬等[20]、劉向君等[21]基于巖石弱面強度理論研究了弱面強度在鉆井過程中對井壁穩定的影響。

據鉆井工程資料顯示(表1)，南堡2、3號構造硬脆性泥頁巖層段，遇阻、卡鉆、井眼掉塊、井壁坍塌等事故頻發，測井顯示，井眼擴徑在砂泥巖互層發育層段尤為突出。通過對2、3號構造泥頁巖層段取芯進行室內實驗研究，認識南堡油田東二至沙河街組硬脆性泥頁巖地層井壁穩定機理。

表1 鉆井事故統計

1 泥頁巖井壁失穩機理實驗

1.1 組分結構分析

1.1.1 礦物組分及相對含量分析

采用X射線衍射方法開展南堡2、3號構造中深層泥頁巖全巖及黏土礦物分析(圖3)，可知東二段至沙河街組泥頁巖的礦物組分以黏土、石英為主，此外不同程度發育有長石、方解石、白云石等。黏土含量29.85%～61.87%，平均44.203%，相對而言，東營組黏土含量略高于沙河街組；黏土礦物主要以伊利石、伊/蒙混層為主，未含蒙脫石，但伊/蒙混層含量高(20.31%～50.3%)呈現一定的膨脹性，易引起水化膨脹井壁失穩；脆性礦物較為發育，石英含量為19.45%～41.40%，平均為29.28%，基于巖石礦物組分的脆性評價方法[22]，得出其脆性指數介于0.19～0.41，可知其具有一定的脆性，因此，該區塊泥頁巖呈現出硬脆性特征，加之層理面發育，鉆井過程中應力釋放(卸荷)、鉆具機械擾動極易導致井壁巖石破裂，為鉆井液侵入提供通道。

圖3 南堡2、3號構造中深層儲層礦物及黏土組成分布

1.1.2 泥頁巖微觀組構分析

除組分外，地層巖石中微裂縫是否發育、發育的程度及微裂縫開展的大小是研究井壁失穩的另一重要因素。使用SEM電鏡掃描觀察研究2、3號構造巖石內部孔隙結構及微裂縫特征。如圖4所示，南堡2號構造東二段、3號構造東二段和沙一段泥泥頁巖儲層均較為致密，但孔縫仍較發育，粒間孔縫、溶蝕孔多見，孔縫黏土礦物充填程度較輕。研究可得：南堡凹陷2、3號構造中深層儲集空間主要以粒間孔為主，壓實程度高、結構緊密；微裂縫、微孔洞都較為發育，少量粒內溶孔、鑄模孔及高嶺石晶間微孔。微裂縫的客觀存在將破壞巖石的完整性，弱化原巖的力學性能，同時為鉆井過程中，鉆井液進入地層提供了通道。鉆井過程中，在鉆井正壓差以及毛管力的作用下，工作液濾液沿裂縫或微裂縫侵入地層，一方面將可能誘發水力劈裂作用，加劇井壁地層巖石破碎，另一方面也提高了鉆井液與地層中黏土礦物和有機質的作用概率及作用程度，加劇井壁失穩。

圖4 南堡2號、3號構造泥頁巖掃描電鏡圖

1.2 陽離子交換容量測定分析

對南堡2號、3號構造共計10組巖樣進行了陽離子交換容量試驗測試，結果如表2所示。綜合微觀組構、礦物組分，分析可知以下結果。

(1)南堡2、3號構造的東二至沙河街組泥巖的陽離子交換容量分布范圍75～330 mmol/kg，平均為172.58 mmol/kg。

(2) 同一地層在不同構造區塊其陽離子交換容量存在差異，且東營組陽離子容量高于沙河街組，表明相對沙河街組，東營組將表現強的水化能力，水基鉆井液作用下更易發生井下失穩。

(3)伊/蒙混層含量高，將導致巖石具有一定的膨脹性。且高陽離子交換容量使泥頁巖具有強水敏性。

表2 陽離子交換容量測試結果

2 力學特征分析

巖石的力學特性是影響井眼穩定性的重要因素，這些強度特性從不同的角度表征了巖石在受到外力擾動作用過程中的變形和破壞特征及其受鉆井液的影響。在鉆井液的作用下，巖石的力學強度將發生明顯的變化。鉆井液對泥頁巖強度產生的影響直接體現在井壁失穩。且由于弱理面的客觀存在將導致泥頁巖具有強非均質性。通過開展不同鉆井液體系下的巖石力學特征測試分析，確定南堡2、3號構造泥頁巖地層巖石力學特性及影響井壁失穩的機理。

2.1 壓入硬度測試分析

采用史氏壓入硬度測定方法對2號、3號構造中的巖心進行硬度測試分析，并進行KCl抗高溫體系鉆井液與KCl成膜體系鉆井液浸泡巖心后的硬度測試分析，進而研究鉆井液水化效應對泥頁巖強度的影響。

分別對原巖、KCl抗高溫鉆井液體系、KCl成膜鉆井液浸泡后的巖石試樣進行了巖石壓入硬度測試(表3)，對比結果表明：經鉆井液浸泡后的巖石，其強度均有降低，鉆井液體系對地層力學性能影響顯著。總體看來：KCl抗高溫體系對巖石力學強度的保存優于KCl成膜體系。

表3 壓入硬度測試結果

2.2 三軸壓縮測試分析

開展三軸力學測試，評價鉆井液、裂紋、砂泥之間與軸向夾角關系對巖石強度的影響，表4為泥頁巖三軸力學試驗測試結果。

三軸力學測試結果(表4)顯示：泥頁巖巖石力學強度受裂縫及鉆井液浸泡作用影響明顯，無明顯裂縫巖樣的抗壓強度分別為70.9、124.5 MPa，彈性模量普遍在10.4、9.3 GPa，發育有明顯裂縫或裂紋的巖樣抗壓強度與彈性模量下降明顯，抗壓強度分別為39.3、102.3 MPa，彈性模量分別為4.3、7.4 GPa；并且，未經鉆井液浸泡的巖樣，其抗壓強度為145.6 MPa，彈性模量為7.8 GPa，鉆井液浸泡后的巖樣，抗壓強度下降為83.8 MPa，彈性模量下降為7.03 GPa，抗壓強度降幅為42.4%。微裂縫與鉆井液侵入作用是影響泥頁巖地層井壁失穩的主要因素。

表4 泥頁巖三軸力學實驗測試結果

圖5所示為巖樣三軸力學試驗作用后的巖石破壞圖。由圖5可知，巖心均是沿紋理面以劈裂的形式破壞，說明該層段的泥頁巖具有強烈的脆性特征。東二、東三及沙一段泥巖普遍為砂泥巖互層，鉆進過程中受應力釋放、鉆具機械擾動等，易導致沿薄泥層劈裂或滑移；其次，巖石中存在的微裂縫、微孔隙在鉆井液的作用下，會在裂縫尖端產生應力集中，因此在流體作用下，巖石可能會產生裂縫，并可能導致裂縫的擴展、貫通，最終引起巖石破壞。

圖5 巖石破壞圖

3 泥頁巖井壁失穩原因分析

針對南堡油田2號、3號構造中深層泥頁巖巖石分別取不同井位、不同層位的巖心開展組分結構、陽離子交換容量測定、壓入硬度測試及三軸力學試驗分析，綜合對比分析2號、3號構造巖石微觀物理性質及宏觀力學性能，可知導致該區塊硬脆性泥頁巖發生井壁失穩具有如下原因。

(1)泥頁巖巖石表面宏觀層理、裂縫及微觀裂紋均較為發育，巖石內部粒間孔縫、溶蝕孔多見，裂縫將破壞巖石的完整性，弱化原巖的力學性能；同時在鉆井過程中，裂縫為鉆井液濾液進入地層提供了通道。

(2)硬脆性泥頁巖未含蒙脫石，但伊利石、伊/蒙混層等黏土礦物含量較高，將導致巖石具有一定的膨脹性且該區塊硬脆性泥頁巖具有較強的水化能力。鉆井液濾液沿地層發育裂縫侵入巖石內部后，降低巖石結構強、產生水力尖劈作用，導致地層破碎，誘發井壁失穩；同時泥頁巖表現出的脆性特征及非均質應力特征，在鉆井破巖過程中的應力釋放及鉆具擾動作用易形成巖石卸載縫，這種次生縫可能與地層天然發育的裂縫疊加影響地層巖石。

4 結論

(1)南堡凹陷2號、3號構造中深層儲集空間以粒間孔為主，壓實程度高、結構緊密；微裂縫、微孔洞都較為發育；且巖石中存在黏土礦物。

(2)陽離子交換容量分布為75～330 mmol/kg，東營組的伊/蒙混層含量、陽離子容量略高于沙河街組，東營組將表現相對較強水化能力。

(3)脆性指數介于0.19～0.41，使泥頁巖呈現出硬脆性特征，加之層理面發育，鉆井過程中應力釋放(卸荷)、鉆具機械擾動極易導致井壁巖石破裂，為鉆井液侵入提供通道；三軸力學試驗結果顯示，巖心均是沿紋理面以劈裂的形式破壞。

(4)經鉆井液浸泡后的巖樣，壓入硬度均有降低，總體看來，KCl抗高溫體系鉆井液對巖石力學強度的保存優于KCl成膜體系鉆井液。

(5)針對此類宏觀層理、裂縫較發育且黏土含量較高的地層，應預防鉆井液侵入地層，降低巖石結構強度，此類地層需加強鉆井液的封堵能力，鉆井液中可適當添加柔性磺化瀝青等封堵材料；在鉆井過程中，應適當控制機械鉆速并合理選擇鉆具尺寸，減小鉆具機械擾動對井壁巖石的破壞。