冀東1、2號構造泥巖特征分析及鉆井液體系優選

吳曉紅，崔應中

(1.中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北 唐山 063004；2.湖北漢科新技術股份有限公司 湖北省油田化學產業技術研究院，湖北 荊州 434000)

1、2號構造是冀東油田的一個重點勘探開發區塊，前期鉆井最大井深6 050 m，平均作業井深4 015 m;前期作業井井型主要為定向井，個別為大位移井，作業過程中出現的主要問題為井壁失穩帶來的阻卡和漏失；從鉆井周期趨勢來看，1、2號構造的單井鉆井周期呈縮短趨勢，部分井因為井壁失穩和井漏導致鉆井周期較長。這些復雜情況主要發生在東營組和沙河街組地層。冀東1、2號構造東營組地層存在大段泥巖[1-2]，井壁失穩情況比較突出，泥巖納米孔喉發育并存在微米級微孔縫，粘土礦物含量高，導致其相對更易水化失穩，因此需要鉆井液具有良好的抑制、封堵和穩定泥巖的能力。

為此，作者對冀東1、2號構造東營組地層泥巖特征及失穩機理進行分析，在此基礎上，對現場使用的3種鉆井液體系[3-6]的綜合性能進行比較，優選有助于冀東1、2號構造地層井壁穩定的鉆井液體系。

1 冀東1、2號構造泥巖特征及失穩機理分析

1.1 泥巖特征分析

室內借助鑄體薄片、掃描電鏡、壓汞測試儀、X-射線衍射儀、單軸應力測試儀等對冀東1、2號構造東營組地層泥巖樣本的組構特征、組分特征、孔滲特征、分散膨脹特征、力學穩定性等進行測試分析，結果如下：

(1)組構特征

東營組地層泥巖孔隙發育差，存在粒間孔縫、微孔縫以及0.02～0.06 mm成巖縫，粒間、粒表有伊利石和伊蒙混層等粘土礦物存在。

(2)組分特征

東營組地層泥巖以石英、粘土礦物為主，平均含量分別為31.3%、44.3%，粘土礦物含量較高。粘土礦物組分中伊蒙混層平均含量62.2%，伊利石平均含量29.6%，伊蒙混層含量較高。

(3)孔滲特征

東營組地層泥巖的滲透率最高0.160 mD，平均0.004 mD；孔隙率最大7.66%，最小0.70%，平均4.70%；最大孔喉半徑最大1.094 μm，最小0.015 μm，平均0.239 μm；中值孔喉半徑最大0.012 μm，最小0.006 μm，平均0.008 μm；平均孔喉半徑最大0.110 μm，最小0.006 μm，平均0.029 μm。

(4)分散膨脹特征

東營組地層泥巖的膨脹率最低7.6%，最高27.3%，平均18.1%；熱滾回收率最高98.0%，最低76.6%，平均92.5%。

(5)力學穩定性

東營組地層泥巖巖心單軸抗壓強度測試結果(表1)顯示：經水相浸泡后，東營組地層東二段泥巖巖心直接泡裂，東三段灰質泥巖巖心單軸抗壓強度下降67.8%；經白油浸泡后，東二段泥巖巖心單軸抗壓強度下降26.9%，東三段灰質泥巖巖心單軸抗壓強度下降31.4%。表明，液相侵入均會增加泥巖失穩風險，油相侵入因為巖心不存在水化問題，所以巖心單軸抗壓強度下降幅度較小；水相侵入因為會同時帶來水化問題，所以更容易導致泥巖井壁失穩。

表1 巖心單軸抗壓強度測試結果

1.2 失穩機理分析

基于冀東1、2號構造東營組地層泥巖特征，對泥巖失穩機理進行分析：由于納米孔喉發育導致泥巖毛管自吸能力強，微孔縫的存在又會加劇液相侵入，較高的粘土礦物含量和伊蒙混層含量提供了泥巖水化基礎條件，外來流體帶來的水化和液相侵入加劇了泥巖力學失穩。

2 鉆井液體系綜合性能對比

為了預防和減少后期作業井壁失穩風險，室內對現場使用過的3種鉆井液體系(低自由水鉆井液、鉀鹽抗高溫鉆井液和反滲透鉆井液)進行綜合性能對比，以優選適用于冀東1、2號構造地層的具有良好的抑制、封堵和穩定泥巖能力的鉆井液體系。3種鉆井液體系均應用了聚胺和無機鹽復合抑制措施，同時使用了微納米封堵材料。

2.1 基本性能

低自由水鉆井液體系配方：2%膨潤土+0.2%NaOH+0.1%增黏劑XC+0.3% PAC-LV+1.0%自由水絡合劑+1.2%輔助絡合劑HXF+3%濾失劑HFL-2+2%封堵劑HBJ-3+2%膠束劑HSM+3%固壁劑HGW+8%KCl+1.5%聚胺+1.5%防水鎖劑HAR-D，重晶石加重至1.40 g·cm-3。

鉀鹽抗高溫鉆井液體系配方：2%膨潤土+0.2%NaOH +1% DSP-2+0.3%PAC-LV+3%酚醛樹脂+3%褐煤樹脂+3%防塌劑FT-3000+2%膠束劑HSM+2%固壁劑HGW+1%聚胺+5%KCl+1.5%防水鎖劑HAR-D，重晶石加重至1.40 g·cm-3。

反滲透鉆井液體系配方：2%膨潤土+0.2%NaOH+1.0%PAC-LV+0.5%HMP+4%降濾失劑HFL-H+2%封堵劑HBJ+3%固壁劑HGW+2%膠束劑HSM+8%鍵合劑+20%復合鹽+0.1%增黏劑XC+1.5%防水鎖劑HAR-D，重晶石加重至1.40 g·cm-3。

3種鉆井液體系的基本性能見表2。

表2 3種鉆井液體系的基本性能

從流變性能來看，老化后低自由水鉆井液體系和反滲透鉆井液體系的動切力較高，鉀鹽抗高溫鉆井液體系的動切力較低。從濾失性能來看，反滲透鉆井液體系的HTHP濾失量最少，為7.2 mL，低自由水鉆井液體系和鉀鹽抗高溫鉆井液體系的HTHP濾失量相近,為11～12 mL。

2.2 泥餅封堵承壓性能

將3種鉆井液體系在120 ℃×16 h條件下老化，制備高溫高壓泥餅；將泥漿替換為清水，升溫至實驗溫度，測定壓差分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa時的5 min濾失量，以評價泥餅封堵承壓性能，結果見表3。

表3 3種鉆井液體系高溫高壓泥餅封堵承壓性能

當開啟失水桶放液閥，出現泥餅擊穿(回壓閥壓力表指針讀值迅速升高)或漏失量明顯增加的現象時，立刻關閉放液閥，此時的壓力為擊穿壓力。由表3可知，3種鉆井液體系高溫高壓泥餅封堵承壓能力均達到7 MPa；封堵承壓性能從強到弱依次為：反滲透鉆井液體系>低自由水鉆井液體系>鉀鹽抗高溫鉆井液體系。

2.3 泥巖穩定性能

巖心浸泡在不同體系中的單軸抗壓強度見表4。

表4 巖心浸泡在不同體系中的單軸抗壓強度

由表4可知，3種鉆井液體系均能有效改善巖心的力學穩定性。巖心浸泡在3種鉆井液體系中的單軸抗壓強度降幅較浸泡在清水中的明顯減小，其中浸泡在反滲透鉆井液體系中的巖心的單軸抗壓強度降幅最小，為20.9%。分析認為，由于3種鉆井液體系中均加入了聚胺和無機鹽抑制劑，使得體系都具有良好的抑制粘土水化的能力；同時3種鉆井液體系中均含有微納米封堵材料固壁劑HGW和膠束劑HSM，能夠較好地封堵泥巖的微孔隙和微孔縫，進而減少液相侵入，所以各體系均有較好的泥巖穩定性能。

2.4 儲層保護性能

使用100 μm微裂縫鋼制巖心模擬地層裂縫介質條件，高溫高壓條件下進行動態污染和返排模擬實驗，比較3種鉆井液體系的儲層保護性能。步驟：將100 μm微裂縫鋼制巖心裝入高溫高壓動態污染儀中；先用鉆井液正向污染，污染條件120 ℃×3.5 MPa×2 h；再用完井液正向浸泡120 ℃×2 h；反向用氮氣驅替，測定臨界返排壓力，結果見表5。

表5 3種鉆井液體系的儲層保護性能

由表5可知，3種鉆井液體系的封堵效果好，且返排壓力較低，能夠滿足儲層保護基本需要。

3 結論

在對冀東1、2號構造東營組地層泥巖特征及失穩機理進行分析的基礎上，對現場使用的3種鉆井液體系的綜合性能進行比較，發現反滲透鉆井液體系、低自由水鉆井液體系、鉀鹽抗高溫鉆井液均具有良好的流變性能、濾失性能、儲層保護性能。從封堵承壓性能和泥巖穩定性能來看，反滲透鉆井液體系減少液相侵入的能力更強、巖心單軸抗壓強度降幅最小，更適于冀東1、2號構造地層。