復雜地層防塌鉆井液體系優化研究

豆寧輝, 王志遠, 劉殿琛

(1中國石油大學·華東 2中國石化石油工程技術研究院 3中國石油川慶鉆探公司鉆采工程技術研究院)

Y區塊位于富含油氣的Masila盆地西部，面積為1 801 km2，地表以第三系的灰巖和泥巖為主，地表高差較大(700～1 000 m)，發育著六套儲層，主要地層巖性為河道砂及濱岸砂巖、淺海相碳酸鹽巖及砂巖和基底裂縫花崗巖-變質巖，由于地層復雜，在鉆井過程中出現坍塌、漏失、井壁失穩等復雜情況，通過分析Y區塊已鉆井資料發現其垮塌的地層主要為Harshiyat、Saar和Nayfa組。其中，Judayaah-1井和Rabaa-1井在Harshiyat地層井徑擴大率分別達35%和38%，劃眼或處理垮塌的復雜損失時間為26 h；Henin-1井在Saar和Nayfa組井徑擴大率最高達40%，劃眼或處理垮塌的復雜損失時間為33 h。因此，亟需解決井壁失穩的難題，以降低發生井下故障的概率，促進該油田的勘探開發[1-4]。

1 井壁失穩機理分析

1.1 井壁失穩綜合分析

經過分析總結Y區塊復雜井段井壁失穩的資料，發現復雜巖性段井壁失穩主要存在以下規律,見表1所示。

表1 Y區塊復雜井段井壁失穩綜合分析表

1.2 礦物組成及微觀結構

1.2.1 礦物組成分析

根據行業標準SY/T 5163-2010，利用TTRIII型多功能X射線衍射儀對RABAA-1井易失穩井段Saar地層的巖樣進行了分析。RABAA-1井易失穩井段巖石主要為泥質灰巖、灰泥巖、泥巖與灰巖夾層。黏土礦物以伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙間層發育，缺失蒙脫石、綠/蒙間層礦物為特點，且伊/蒙混層相對含量較高，平均約為56%。

1.2.2 微觀結構分析

根據行業標準SY/T5162-1997，利用TESCAN-VEGA-3LMU型掃描電子顯微鏡對Judeyaah-1井垮塌井段泥巖巖心進行電鏡掃描，結果見圖1。

由圖1可以看出，上部Harshiyat組地層黏土礦物含量高，微觀掃描顯示高嶺石、綠泥石發育，黏土礦物以片狀、粒狀存在。同時，受構造擠壓脫水過程中導致裂隙的存在，該類巖石易水化分散、膨脹，鉆井過程易泥包，阻卡。

1.3 水化性質分析

由于Y區塊無法獲得地層巖心或露頭巖心，因此采用國內物性相似的泥巖開展鉆井液水化對巖石力學特性的影響規律的探索實驗研究。根據現場鉆井液配方進行了室內配制，對上述巖心開展不同圍壓下的強度實驗，具體結果見表2。

通過巖心浸泡實驗可以發現，鉆井液對泥巖結構的影響具有時間效應，微觀體現在泥巖中的某些活性礦物與鉆井液中某些離子發生化學反應的過程，宏觀體現在泥巖的層理面或微裂隙在鉆井液濾液的作用下隨時間發生動態運移或鉆井液濾液溶蝕層理面或微裂隙中的填充物導致層理面發生擴張。通過對比發現，水化降低了泥巖的抗壓強度，浸泡時間對粘聚力的影響大于對內摩擦角的影響；浸泡時間越長，巖石的抗壓強度越低。

經過室內實驗分析，Y區塊井壁失穩主要是由于黏土礦物伊/蒙混層相對含量較高，黏土礦物以片狀、粒狀存在，易水化分散、膨脹，降低了巖石的抗壓強度，引起了鉆井過程中塌、漏以及井壁失穩等復雜情況。

2 防塌鉆井液優化及性能評價

2.1 防塌鉆井液設計思路

綜合考慮巖石力學和鉆井液對井壁穩定的影響、以及成本和現場出發，要求控制井徑擴大率≤ 15%時，且井壁穩定25 d，適于Y區塊復雜井段的防塌鉆井液關鍵性能為：密度為1.25 g/cm3，巖石內聚力≥7.1 MPa。

1)鉆井液抑制性能優化。在原用KCl-聚合物鉆井液配方的基礎上引入氨基聚醇處理劑來提高鉆井液的抑制性能。

2)鉆井液封堵性能優化。本研究在原用鉆井液配方中引入了應用較為廣泛的水基成膜鉆井液處理劑JYW-1來提高鉆井液體系的封堵性能。

3)鉆井液潤濕特性優化。在現用鉆井液中引入一種納米潤濕調節劑，來改善鉆井液對地層巖石的潤濕性能。

結合以上設計思路，根據實驗分析，在現用配方鉆井液中加入2%胺基聚醇即可取得良好的抑制性能，在鉆井液中加入1.5%JYW-1即可取得良好的封堵效果。在鉆井液中加入0.5%納米潤濕調節劑即可有效提高鉆井液與巖石的接觸潤濕角，改善鉆井液潤濕性能[5-6]。

2.2 優化防塌鉆井液體系性能評價

2.2.1 優化鉆井液配方

依據該區塊井壁失穩機理，在原用KCl-聚合物鉆井液配方基礎上，通過引入氨基聚醇、成膜劑和納米潤濕調節劑，優選出了適于在該區應用的防塌鉆井液優化配方。

KCl-聚合物防塌鉆井液優化配方為：2%膨潤土+0.15%純堿+0.15%燒堿+5%KCl+0.3%PAC-R+0.6%PAC-LV+0.2%PHPA+2%改性淀粉+0.3%黃原膠+1.5%磺化瀝青+0.2%殺菌劑+0.5%消泡劑+2%氨基聚醇+1.5%成膜劑JYW-1+0.5%納米潤濕調節劑。

確定了鉆井液優化配方后，針對此配方進行常規性能、抑制特性、潤濕特性及其對泥頁巖強度影響評價。

2.2.2 優化鉆井液體系抑制性能評價

測試巖屑在鉆井液中的線性膨脹率，是評價鉆井液抑制泥頁巖水化性能的重要方法，并將測試結果與現用配方鉆井液作對比分析。

1)滾動回收率實驗。分別取RABAA-1井和HENIN-1井易失穩井段四個地層的現場巖屑，按SY/T5613-2000標準測試其在優化鉆井液中的滾動回收情況，將實驗結果與清水、現用配方測試情況作對比分析。現用配方和優化配方滾動回收率實驗結果及分析見表3所示。

表3 現用配方和優化配方滾動回收率測試對比

2)線性膨脹實驗。取RABAA-1和HENIN-1井易失穩井段巖屑樣品烘干后粉碎成粉末，按標準程序壓制成人造巖心，測試巖屑在優化鉆井液中的線性膨脹情況，并將測試結果與現用配方作對比分析。測試結果及對比見表4。

表4 巖屑在現用鉆井液和優化鉆井液中線性膨脹率表

實驗結果顯示，現場巖屑在現用鉆井液中的線性膨脹率平均值約為9.2%，明顯高于在優化后配方鉆井液中的平均值6.9%，表明優化鉆井液抑制頁巖線性膨脹的能力明顯優于現用配方鉆井液。

2.2.3 優化鉆井液潤濕性能評價

本項試驗應用JC2000D3接觸角測量儀測試現用配方及優化配方鉆井液濾液與地層巖石間的接觸潤濕角，分析各自潤濕特性。實驗結果顯示，蒸餾水與巖石的潤濕角為26.1°，是三種實驗流體中最小的，說明該巖石具有強親水性，蒸餾水很容易潤濕巖石表面，再逐漸鋪展開，沿巖石孔縫逐漸滲入到巖石內部。現用配方鉆井液中含有一定量的陽離子聚合物，濾液與巖石潤濕角較之蒸餾水作用時有一定的提高(33.7°)，但潤濕角提升量相對并不明顯。優化配方中引入了納米潤濕調節劑，其可顯著提高巖石的親油疏水性能，鉆井液濾液在巖石表面的接觸潤濕角最大(51.9°)，此特點可減弱鉆井液沿微裂縫侵入地層，降低因毛細管力作用而導致的裂縫擴展，促進井壁穩定。

2.2.4 優化鉆井液強化井壁圍巖強度效果評價

鉆井液體系優化的主要目標是保持體系良好常規性能的同時，增強鉆井液強化井壁強度能力，從而實現保持井壁穩定的目的。課題組通過巖石三軸強度試驗，測試巖心(露頭)經優化鉆井液浸泡后的強度、粘聚力、內摩擦角等力學參數，分析巖心在優化鉆井液作用下各力學參數的變化規律。同時結合考慮時間效應的線彈性多孔介質的流固熱化耦合方程，評價優化鉆井液提升地層坍塌壓力的效果及其對井壁坍塌周期的影響[7]。

1)優化鉆井液對巖石力學參數影響。將優化鉆井液對巖石參數影響的測試結果與現用鉆井液作用下結果做對比分析。優化鉆井液作用巖石25 d后，巖石內聚力大于7.4 MPa，該值大于保持井壁穩定所需的巖石內聚力7.1 MPa，說明優化鉆井液可以按設定現場要求保持井壁穩定。

2)優化鉆井液降低地層失穩效果分析。如上述實驗數據所示，巖心在鉆井液浸泡下會發生水化效應，其抗壓強度不斷降低，彈性模量，泊松比等力學參數也隨鉆井液作用時間而變化。傳統鉆井液設計時，往往將井壁考慮成非滲透地層，或者僅考慮鉆井液導致的孔隙壓力傳遞，經常忽略因泥頁巖水化作用引起的地層坍塌壓力會隨時間變化這一因素。實際上，地層井壁失穩存在坍塌周期，如鉆井液密度設計時未合理考慮此特點，使用所設計的密度鉆進時，井壁可能出現“假穩定”狀態，即打開井眼較短時間內，井壁能保持穩定，隨著鉆井液作用時間的延長，井壁可能重新出現失穩。

3 井壁坍塌周期圖版繪制

根據井壁圍巖應力動態分布模型，繪制優化鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版，評價優化鉆井液對降低地層坍塌壓力效果。模型計算所用巖石力學參數為與區塊易失穩地層巖性相似的四川露頭，其他參數與前文繪制現用鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版時所用參數相同。Rabaa-1井saar地層失穩井段，現場用鉆井液密度值為1.25 g/cm3。繪制的現用、優化鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版如圖2所示[8]。

從圖2可看出，優化前鉆井液(紅線)和優化后(現用)鉆井液(藍線)作用下井壁坍塌壓力都隨鉆井液作用時間的延長而增加，但現用鉆井液導致地層坍塌壓力的增量明顯大于優化鉆井液。該井段現場所用鉆井液密度為1.25 g/cm3，現用鉆井液在此密度下能保持井壁穩定約21 d，優化鉆井液在1.25 g/cm3密度下可保持井壁穩定約28 d，滿足理想坍塌周期25 d的要求，說明優化鉆井液強化井壁圍壓強度的效果更好，其防止井壁失穩的效果優于現用鉆井液。

圖2 現用/優化鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版(SARR地層)

對于給定地層，孔隙壓力和井壁圍巖力學參數等會隨所用鉆井液配方和性能的改變而變化。同一地層，不同的鉆井液配方和性能，可計算出不同的鉆井液安全密度窗口和地層坍塌周期。因此，測試失穩地層現場巖心在待用鉆井液作用下的力學參數變化規律，才能更加準確的預測地層坍塌壓力和臨界坍塌周期。現場作業時，應根據鉆井液可能作用于井壁的天數(如：打開井眼到固井時間)及鉆井液的具體性能，選擇合理的鉆井液密度，防止井壁出現“假穩定”現象[9]。

選取該區塊坍塌特別嚴重的井段1 700～1 940 m井徑作為對比井段，該井段也是鄰井出現嚴重井塌導致鉆井復雜最多的井段，通過分析井徑曲線，易塌井段實驗井井徑擴大率小于8%，而對比井井徑擴大率則達到100%。由于井壁穩定，鉆井液性能優良，鉆井起下鉆過程順利，泵壓、排量，接單根正常，完鉆后起鉆順利，在沒有通井的情況下進行測井，沒有發生阻卡現象，測完井后下套管、固井順利，節約了成本和時間。

4 結論與建議

1)綜合分析Y區塊現場施工情況、地層巖石理化性能、地應力、孔隙壓力、鉆井液影響等因素，得出該區塊井壁失穩的主要機理為硬脆性泥頁巖水化剝落破壞，應注重提高鉆井液的抑制和封堵性能。

2)針對Y區塊主要失穩地層Saar組繪制了坍塌周期圖版，優化后的防塌鉆井液體系比現場用的鉆井液具有更強的防塌抑制性能，膨脹率降低了2.3%，回收率提高了10%～30%，坍塌周期延長了7 d，且流變性更好控制，滿足現場需求。

3)通過現場應用表明最大井徑擴大率均小于8%，無井壁坍塌等復雜現象出現，鉆完井過程順利，節約了成本和時間。