泌陽凹陷頁巖儲層物理化學(xué)性質(zhì)對井壁穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)研究

陶光輝, 丁連民, 趙 林, 仝繼昌, 顏江霏, 馮名正, 楊少春

(1.中國石化河南油田分公司，南陽 473132；2.中國石化河南油田勘探局，南陽 473132；3.中國石化河南油田局機(jī)關(guān)科技處，南陽 473132；4.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，南陽 473132；5.中國石化河南油田局機(jī)關(guān)油氣開發(fā)管理部，南陽 473132)

泌陽凹陷是中國東部典型的富油凹陷之一，深凹區(qū)頁巖廣泛分布，具有較好的頁巖油開采前景[1-2]。為了完成頁巖油的開采，鉆井是其中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。然而，由于頁巖儲層的物理化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜、層理裂隙發(fā)育，勢必會對井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。當(dāng)頁巖地層被鉆開后，鉆井液柱壓力取代了所鉆巖層提供的支撐，破壞了地層原有的應(yīng)力平衡；此外，鉆井液濾液侵入地層，引起地層孔隙壓力增加、巖石強(qiáng)度降低，將進(jìn)一步影響井壁的穩(wěn)定性，嚴(yán)重可能導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[3- 4]。

針對頁巖地層井壁失穩(wěn)問題，中外學(xué)者從損傷力學(xué)[5-7]、滲流力學(xué)[8-9]、物理化學(xué)多場耦合[10]、地應(yīng)力和鉆井液影響[11]等多個(gè)方面開展了研究工作。Crook等[12]、Yamamoto等[13]采用單一弱面強(qiáng)度理論和各向異性理論從力學(xué)角度研究了層理對井壁穩(wěn)定的影響，但是未能結(jié)合實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。Haimson等[14]通過鉆井模擬試驗(yàn)對井壁剪切破壞機(jī)理進(jìn)行研究，指出井壁剪切破壞位置沿最小水平主應(yīng)力方向分布，但試驗(yàn)過程較為復(fù)雜，且研究成本高，難以推廣。Gomar等[15]在多孔彈性模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮溫度、孔隙壓力等非線性因素對井壁穩(wěn)定的影響，但未結(jié)合頁巖的理化性質(zhì)展開分析。劉敬平等[16]針對云南昭通頁巖氣藏地層提出了抑制頁巖水化膨脹和分散的穩(wěn)定井壁新方法。

前人多從理論分析出發(fā)，研究頁巖儲層井壁失穩(wěn)機(jī)理。而綜合考慮頁巖的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，來評價(jià)頁巖井壁穩(wěn)定性的研究鮮見報(bào)道。針對泌陽凹陷頁巖儲層井壁穩(wěn)定性問題，相關(guān)的研究工作更是鮮見報(bào)導(dǎo)。基于此，以泌陽凹陷頁巖儲層為研究對象，通過掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)、X射線能量色散譜(X-ray energy dispersive spectroscopy, EDS)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed Tomography，CT)、X射線衍射分析(X-ray diffraction，XRD)等試驗(yàn)測試手段，從頁巖礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、浸泡變形等性質(zhì)測試入手，系統(tǒng)地研究了泌陽凹陷陸相頁巖的物理化學(xué)性質(zhì)及其對頁巖在鉆井液浸泡環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并提出了實(shí)際鉆探施工過程中的注意事項(xiàng)和避免井壁失穩(wěn)的技術(shù)方法。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

泌陽凹陷屬于小型山間斷陷，經(jīng)歷了晚白堊世初始發(fā)育、古近紀(jì)主斷陷、古近紀(jì)末擠壓抬升和新近紀(jì)拗陷共四個(gè)發(fā)展時(shí)期[17]。其形成主要受北東向的栗園-泌陽斷裂和北西西向的唐河-栗園斷裂的控制，沉積和沉降中心位于東南部邊界斷裂交匯處，基底最大埋深達(dá)8 000 m以上。凹陷在平面上呈端部北指的扇形，剖面上呈南深北淺的箕狀。凹陷內(nèi)部次級構(gòu)造單元可劃分為南部陡坡構(gòu)造帶、中央深凹帶和北部緩坡構(gòu)造帶[18-21]，三個(gè)構(gòu)造單元在構(gòu)造樣式上具有明顯的區(qū)別。

泌陽凹陷發(fā)育多套沉積地層，自上而下依次為新生界第四系平原組、新近系上寺組、古近系漸新統(tǒng)廖莊組、核桃園組和始新統(tǒng)-古新統(tǒng)大倉房-玉皇頂組[19, 22]。泌陽凹陷頁巖分布面積廣，單層厚度大，母質(zhì)類型好，有機(jī)質(zhì)豐度高，演化程度適中，生烴能力強(qiáng)，為一典型富油凹陷。

2 泌陽凹陷頁巖油儲層物理化學(xué)性質(zhì)

研究泌陽凹陷陸相頁巖油儲層的理化性質(zhì)是展開對該區(qū)頁巖儲層井壁穩(wěn)定力學(xué)行為和頁巖可鉆性研究的基礎(chǔ)。因此，從頁巖礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、浸泡變形等性質(zhì)測試入手，研究泌陽凹陷頁巖油儲層的理化特征。

2.1 泌陽凹陷頁巖巖心樣品

選取泌陽凹陷陸相頁巖油儲層的泌頁HF1井、泌252井、泌270井、泌289井、泌291井、泌354井、泌355井、泌358井、泌364井、泌365井、泌366井、泌371井、安深1井、程2井共計(jì)14口井不同井深的頁巖樣品進(jìn)行分析測試，頁巖心樣品如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 SEM測試

采用SU8010型高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測頁巖樣品的表面微觀形貌。儀器主要技術(shù)指標(biāo)：加速電壓0.1～30 kV；觀測倍率20～1 200 000；二次電子分辨率1.0 nm(加速電壓15 kV)，1.3 nm(加速電壓1 kV)；工作距離0.5～30 mm。為確保測試精度，測前對頁巖樣品進(jìn)行了噴金處理。

2.2.2 EDS元素分析

采用X-射線能量色散譜儀(EDS)，探測元素范圍Be4-U92。利用不同元素之間所激發(fā)的特征X射線的能量差異，對元素進(jìn)行定性和定量分析。

2.2.3 巖心CT掃描分析

對泌頁HF1井巖心進(jìn)行CT掃描測試。通過巖心CT對樣品內(nèi)部進(jìn)行無損掃描，然后通過圖像處理軟件重構(gòu)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建三維數(shù)字巖心提供支撐。

2.2.4 XRD測試

采用X’Pert PRO DY2198型X射線衍射儀對頁巖樣品進(jìn)行物相定性和定量分析。儀器主要技術(shù)指標(biāo)：衍射角精密度和重現(xiàn)性<0.002；衍射峰的準(zhǔn)確度/線性度<0.04；超純探測器最大計(jì)數(shù)率>130×106cps；小角散射單色光<0.01。測試前用球磨機(jī)對頁巖巖心進(jìn)行破碎處理，過200目篩，獲得過篩后樣品共計(jì)350 g，然后進(jìn)行XRD測試。

3 泌陽凹陷陸相頁巖理化試驗(yàn)結(jié)果與分析

巖樣理化試驗(yàn)部分主要采用了SEM、EDS和巖心CT掃描對頁巖樣品進(jìn)行了測試，并結(jié)合XRD測試結(jié)果對比分析。其中SEM的徑深大，放大倍率連續(xù)可變，適用于研究微小物體的立體形態(tài)和表面的微觀結(jié)構(gòu)；EDS可測元素范圍大，且對分析物不造成損傷；巖心CT能夠?qū)r心樣品內(nèi)部進(jìn)行無損掃描成像，有助于了解巖心內(nèi)部的微觀構(gòu)造。

3.1 SEM測試

采用SEM觀察圖1中巖心礦物的微觀形貌和構(gòu)造圖像，掃描結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知，泌陽凹陷陸相頁巖中的黏土礦物、石英顆粒等含量較高，偶見草莓狀黃鐵礦；微孔隙、微裂縫等廣泛發(fā)育，裂縫寬度一般為10～90 μm，且多為水平層理縫。這些裂縫不僅是頁巖油氣的主要儲集空間之一，同時(shí)也是分散的頁巖孔隙的連通通道，為頁巖油氣提供了運(yùn)移通道，為后續(xù)儲層改造提供了必要條件，可使頁巖油氣通過裂縫網(wǎng)狀系統(tǒng)連續(xù)分布，易于頁巖油氣的開采。

圖2 不同比例條件下頁巖表面微觀形貌Fig.2 Microscopic morphology of shale surface under different scale conditions

圖3 不同比例條件下頁巖表面微觀構(gòu)造圖Fig.3 Microstructure of shale surface under different scale conditions

3.2 EDS元素分析

選取HF1井中的頁巖樣品進(jìn)行EDS元素能譜分析，樣品EDS顯微觀測如圖4所示，EDS元素能譜分析結(jié)果如表1所示。由表1分析可知，HF1井頁巖巖樣中的Al、Si、Fe、Ca、Mg、S、C、O等元素分布廣含量高，巖樣中常見指示還原沉積環(huán)境的草莓狀黃鐵礦，巖心微裂隙多位于黏土礦物含量較高的區(qū)域(圖4)，這與圖3中用SEM觀察到的結(jié)果一致。

圖4 HF1井頁巖巖心EDS顯微觀測Fig.4 EDS microscopic observation of shale core in Well HF1

3.3 巖心CT掃描分析

選取泌頁HF1井2.5 mm直徑的巖心樣品進(jìn)行了CT掃描測試，如圖5所示，可以詳細(xì)地看到里面的微觀構(gòu)造，結(jié)合前面的SEM測試結(jié)果可知，頁巖裂縫類型有宏觀的構(gòu)造縫(剪性縫和張性縫)、層間縫及不同成因的微裂縫(構(gòu)造微縫、礦物收縮縫、晶間及層間微縫、生烴超壓縫)。其儲集空間主要有基質(zhì)孔隙和裂縫，其孔徑大小為微米-納米級，以納米級為主，微裂縫發(fā)育。基質(zhì)孔隙類型包括：殘余原生粒間孔隙(石英、長石)、晶間孔隙(黏土礦物、方解石及黃鐵礦)、次生溶蝕孔隙(方解石、長石)及有機(jī)孔隙(有機(jī)質(zhì)邊緣孔、有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊溶蝕孔和生烴演化孔)；以上不同儲集空間類型的成因、識別特征及發(fā)育豐度不同，對巖石的儲集、滲流性能所起的作用也不同。識別特征及發(fā)育豐度不同，對巖石的儲集、滲流性能所起的作用也不同。

表1 HF1井頁巖巖心元素占比統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of shale core element proportion in well HF1

4 泌陽凹陷陸相頁巖礦物成分測試

4.1 頁巖XRD測試

選取泌頁HF1井不同井深的7個(gè)頁巖試樣，用XRD對頁巖試樣進(jìn)行物相定性和定量分析，可獲得頁巖的礦物組分和含量，如表2所示。分析可知，頁巖巖心中黏土平均含量21.1%；碳酸鹽巖礦物、長石等脆性礦物含量較高，其中石英平均含量為27.5%，碳酸鹽巖、長石平均含量為45.6%；菱鐵礦、黃鐵礦含量較少，平均含量為5.8%。

4.2 礦物組成

對部分樣品的X衍射全巖分析資料、SEM和EDS能譜分析測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析，如圖6 所示，在礦物特征方面得到了以下認(rèn)識：研究區(qū)頁巖礦物組成主要為黏土礦物、石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石，次要礦物有黃鐵礦、磷灰石。整體看來，礦物組成基本由黏土礦物、碎屑礦物(石英+長石)和碳酸鹽礦物(方解石+白云石)構(gòu)成，三者含量多集中在20%～40%，相對均勻，無一占絕對優(yōu)勢，脆性礦物平均含量高達(dá)65%。

表2 巖樣XRD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 XRD experimental data of shale rock samples

4.3 黏土礦物

研究區(qū)內(nèi)頁巖中黏土礦物平均含量為23%～32%。其中，泌頁HF1井黏土礦物平均含量為26.8%，最高達(dá)46.4%；安深1井黏土礦物平均含量為29.9%，最高為30.3%；泌270井黏土礦物平均含量為40.%，最高達(dá)46.5%。

泌頁HF1井的黏土礦物以伊/蒙混層與伊利石為主，伊蒙混層平均含量為62.38%，伊蒙混層中的伊利石/蒙脫石比例為25%，幾乎不含高嶺石及綠泥石，伊利石平均含量為36.35%，如圖7(a)所示。程2井結(jié)果表明，黏土礦物也以伊/蒙混層與伊利石為主，伊蒙混層平均含量高達(dá)75.73%，伊利石/蒙脫石比例為14%，幾乎不含高嶺石及綠泥石，伊利石平均含量為21.46%，如圖7(b)所示。

圖7 黏土XRD測試結(jié)果Fig.7 XRD test results of clay

研究區(qū)黏土礦物多與陸源粉砂及碳酸鹽礦物分散混雜，以富黏土紋層的形式存在，如圖8所示。黏土紋層主要由黏土礦物和極細(xì)粉砂組成，并含少量的碳酸鹽礦物。

圖8 安深1井黏土紋層Fig.8 The clay layer in Anshen 1 wells

4.4 碳酸鹽礦物

碳酸鹽礦物包括方解石和白云石，以方解石為主。其中，泌頁HF1井中方解石平均含量27.3%，最高可達(dá)41.5%；白云石平均含量為10.1%，最高為25.8%。安深1井中，方解石平均含量為18.9%，最高為23.5%；白云石平均含量為16.3%，最高為32%。

方解石常以泥晶狀呈連續(xù)紋層或波狀起伏，有時(shí)也會與黏土礦物、有機(jī)質(zhì)均勻混雜呈塊狀；部分層段會出現(xiàn)亮晶狀方解石，多為重結(jié)晶作用形成，以等大顆粒狀相連或縱向馬牙狀排列。白云石也存在泥晶和亮晶兩種形式，泥晶白云石常呈紋層狀與黏土層互層，亮晶白云石呈自形菱形晶體，富集成層或存在于黏土層內(nèi)。研究區(qū)的隱晶方解石紋層主要是由浮游藻類的生物化學(xué)作用沉積，而亮晶方解石紋層是由成巖期重結(jié)晶作用形成，如圖9所示。

圖9 碳酸鹽礦物賦存狀態(tài)Fig.9 Occurrence status of carbonate minerals

4.5 碎屑礦物

XRD 數(shù)據(jù)表明，碎屑礦物主要由石英與斜長石組成，石英含量為15%～22%，部分層段可達(dá)30%；斜長石含量在9%～23%。石英、斜長石、鉀長石、白云母等礦物，常定向性排列，富集成粉砂紋層，如圖10所示。

圖10 含砂質(zhì)頁巖Fig.10 Sandy shale core

在泌頁HF1井中，石英平均含量為19.9%，最高為31.8%，且由深到淺，石英含量整體呈增高的趨勢，這可能代表著沿著垂深向上陸源輸入逐漸增強(qiáng)；斜長石平均含量為10.9%，最高達(dá)45.8%。在安深1井中，石英平均含量為18.9%，最高為24.9%；斜長石平均含量為14.5%，最高為23.4%。

泌陽凹陷陸相頁巖中，石英分選較好，顆粒粒徑大多為20～65 μm，而磨圓度變化較大，次圓-圓狀的石英顆粒居多，大多順層分布，顆粒長軸與紋層平行，說明曾經(jīng)歷過長距離的搬運(yùn)和較深水的沉積環(huán)境。斜長石多為方形或長方形，粒徑15～50 μm，可見卡式雙晶現(xiàn)象，部分斜長石被溶蝕，順著解理縫被淋濾產(chǎn)生孔縫；云母多呈長條形，定向性好，沿長軸順層排列。富粉砂紋層在成因上代表陸源輸入增強(qiáng)，沉積環(huán)境近物源，湖泊水體相對開放，水體相對動(dòng)蕩，湖底沉積環(huán)境經(jīng)常受到底流的改造。

圖11 泌陽凹陷陸相頁巖礦物含量特征Fig.11 Mineral content characteristics of continental shale in Biyang Depression

綜SEM掃描電鏡觀察、EDS元素分析、全巖XRD和巖心CT掃描等測試結(jié)果分析認(rèn)為，泌陽凹陷陸相頁巖不發(fā)育傳統(tǒng)分類中純粹的黏土巖或灰?guī)r，發(fā)育少量泥質(zhì)粉砂巖，多數(shù)屬于頁狀混合型細(xì)粒巖；成分上，粉砂、黏土及碳酸鹽礦物三端元含量相對均勻(圖11)，多集中在 20%～40%，三者均無絕對優(yōu)勢；粒度上，整體以粉砂級以下(<0.062 mm)為主，極少量粉砂級>50%；上述頁巖特征可能會對該區(qū)域造斜段和水平段鉆井的井壁穩(wěn)定帶來不利影響；鉆井液容易侵入地層，使井壁水化膨脹垮塌、鉆頭泥包、甚至卡鉆埋鉆事故等，在鉆井過程中應(yīng)有針對性地采取相應(yīng)的鉆井液工藝。

5 頁巖在鉆井液浸泡環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測試

泌陽凹陷頁巖油儲層巖心礦物成分分析和既有資料均顯示，造斜段的黏土礦物(平均含量 10%～30%)中伊蒙混層相對含量較高(35%～38%)，鉆井過程中易水化膨脹而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

前期鉆井施工過程中，二開井段(Φ311.1 mm井眼)鉆進(jìn)速度慢，鉆井周期長，井眼失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增大，泌頁HF1井在造斜段出現(xiàn)嚴(yán)重的井壁垮塌。泌頁HF2井雖然在泌頁HF1井基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，但是在泥頁巖井段仍出現(xiàn)垮塌。因此，有必要結(jié)合現(xiàn)場所取巖心，進(jìn)行巖心水化膨脹實(shí)驗(yàn)，從而為后續(xù)的鉆井液、井身結(jié)構(gòu)和鉆井工藝設(shè)計(jì)提供量化依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)中，選取泌頁HF1井和安深1井在不同井深的8個(gè)樣品在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，采用清水和鉆井液(中壓失水4.7 mL/30 min，高溫高壓失水11.5 mL/30 min)分別浸泡對比，浸泡時(shí)間為12 d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 泌陽凹陷陸相頁巖線性膨脹率Fig.12 Linear expansion rate of continental shale in Biyang Depression

由圖12分析可知，經(jīng)過清水和鉆井液高壓浸泡后的8個(gè)樣品均發(fā)生了水化膨脹。由于鉆井液的濾失量比較小，故其浸泡后的頁巖水化膨脹程度明顯要低于清水浸泡后的頁巖，但是也發(fā)生了較為明顯的形變。在清水和鉆井液中，泌陽凹陷陸相頁巖的線性膨脹率在前5 d發(fā)展較為緩慢，為0.16%～0.31%；第6～7 d發(fā)展較快，為0.21%～0.62%，此時(shí)巖體可在局部出現(xiàn)較小的體積破壞，已形成掉塊；而第 8～10 d則增加更為明顯，為0.44%～1.02%，此時(shí)巖體易發(fā)生較大尺寸的體積破碎，井壁掉塊更為明顯，易發(fā)生擴(kuò)徑和垮塌；待第10 d后則漸趨平穩(wěn)，表明頁巖內(nèi)部黏土礦物的水化作用逐漸停止，如果鉆井液中的濾液繼續(xù)在井壁中沿徑向向前滲透，則會引起新的頁巖層繼續(xù)膨脹變形和掉塊，直到井筒完全垮塌為止。經(jīng)鉆井液浸泡8～10 d即可發(fā)生明顯的內(nèi)部水化膨脹，在外力碰撞沖磨作用下很容易發(fā)生體積破碎，對造斜段和水平段鉆井的井壁穩(wěn)定帶來不利影響，因此在鉆井過程中應(yīng)適當(dāng)提高機(jī)械鉆速和降低鉆井液的濾失量。此外，如果鉆井過程中因故停鉆，則應(yīng)以不超過7～8 d為宜，在現(xiàn)場工藝和技術(shù)條件允許的條件下，則建議停鉆時(shí)間最好控制在5 d之內(nèi)，且時(shí)間越短越安全。

6 結(jié)論

(1)泌陽凹陷頁巖油儲層黏土礦物含量介于10%～35%，易水化的伊蒙混層相對含量達(dá)到 35%～40%，脆性礦物含量介于65.2%～73.5%。構(gòu)造上以紋層狀或頁理狀為主，構(gòu)造縫、層間縫、微裂縫及孔隙發(fā)育，平均孔徑介于10～90 μm，且許多微裂縫位于黏土礦物含量較高的區(qū)域。在鉆井過程中，鉆井液濾液易沿著微裂縫快速到達(dá)黏土礦物富集區(qū)，導(dǎo)致井壁處頁巖層發(fā)生水化膨脹而垮塌。

(2)泌陽凹陷陸相頁巖不發(fā)育傳統(tǒng)分類中純粹的黏土巖或灰?guī)r，發(fā)育少量泥質(zhì)粉砂巖，多數(shù)屬于頁狀混合型細(xì)粒巖；成分上，粉砂、黏土及碳酸鹽礦物三端元含量相對均勻(圖10)，多集中在 20%～40%，三者均無絕對優(yōu)勢；粒度上，整體以粉砂級以下(<0.062 mm)為主，極少量粉砂級>50%。

(3)泌陽凹陷頁巖油儲層在有自由水侵入的情況下易發(fā)生膨脹變形。其線性膨脹率在前5 d發(fā)展較為緩慢，為0.16%～0.31%；第6～7 d發(fā)展較快，為0.21%～0.62%，此時(shí)巖體可在局部出現(xiàn)較小的體積破壞，可形成掉塊；而第8～10 d則增加更為明顯，為0.44%～1.02%，此時(shí)巖體易發(fā)生較大尺寸的體積破碎，井壁掉塊更為明顯，易發(fā)生擴(kuò)徑和垮塌；待第10 d之后則漸趨平穩(wěn)，表明頁巖內(nèi)部黏土礦物的水化作用逐漸停止，如果鉆井液中的濾液繼續(xù)在井壁中沿徑向向前滲透，則會引起新的頁巖層繼續(xù)膨脹變形和掉塊，直到井筒完全垮塌為止。由此可見，如果鉆井過程中因故停鉆，則應(yīng)以不超過 7～8 d為宜，如果現(xiàn)場工藝和技術(shù)條件允許，則建議停鉆時(shí)間最好控制在5 d之內(nèi)，且時(shí)間越短越安全。