塔里木盆地富滿油田二疊系玄武巖井壁穩(wěn)定技術研究及應用

孫愛生， 段永賢， 徐 楊， 何思龍， 郭秋田， 申 彪

1中國石油塔里木油田分公司 2中國石油川慶鉆探公司工程有限公司新疆分公司

0 前言

隨著石油工業(yè)科技的發(fā)展和勘探力度的不斷加深，近幾年超深井的數量在不斷增加。其中，塔里木盆地富滿油田超深井地層跨度大，從第四系到震旦系，二疊系玄武巖分布尤其廣泛,有富源Ⅲ、躍滿、富源等9個區(qū)塊，滿深1井的重大油氣發(fā)現，推動了富滿油田東部新區(qū)勘探評價進程。但是該區(qū)塊二疊系埋藏有大段的火山活動形成的玄武巖，其厚度差異大、分布廣。在開發(fā)初期，由于對其巖性特征認識不清，導致多口井鉆進時發(fā)生卡鉆、通井困難、阻卡嚴重等故障復雜，增加了鉆井周期，影響了鉆井的時效，提高了鉆井的成本，阻礙了油氣勘探開發(fā)的進度。分析研究塔里木盆地富滿油田二疊系玄武巖井壁失穩(wěn)機理，解決玄武巖井壁失穩(wěn)現象，是目前急需解決的主要任務之一。

1 玄武巖井壁失穩(wěn)機理研究

通過對玄武巖結構特征、地層地震相態(tài)特征、理化特性、地應力以及坍塌壓力開展研究，找到玄武巖段井壁失穩(wěn)的機理，為下步解決玄武巖井壁失穩(wěn)提供理論依據。

1.1 玄武巖結構特征和薄片分析

對富滿油田鉆進過程中鉆遇的玄武巖(見圖1)用偏光顯微鏡進行巖石薄片鑒定分析可知：玄武巖基質具間粒結構，由斜長石微晶、它形粒狀輝石、磁鐵礦、玄武玻璃等組成，斜長石微晶呈自行長棒狀雜亂交織分布，其形成的間架孔隙中充填著它形粒狀輝石及磁鐵礦和褐色玄武玻璃，形成間粒結構，巖片中見少量細小(2%±)的杏仁體，被綠泥石填充，晶粒存在被溶蝕表面黏土化現象，原生、次生裂縫及溶孔發(fā)育，見圖2。根據結構特征和薄片分析，一旦發(fā)生玄武巖井壁失穩(wěn)，必然有大的掉塊產生，導致卡鉆。

圖1 滿深區(qū)塊鉆遇的玄武巖掉塊

圖2 玄武巖薄片分析圖片

1.2 玄武巖段地震相態(tài)特征

根據塔里木盆地富滿油田地震相態(tài)特征可知，二疊系玄武巖段地震相帶主要是空白相、平行相和雜亂相。空白相代表地層有孔隙或者縫洞存在;平行相代表地層壓實平穩(wěn)、巖石分布均勻；雜亂相則處于空白相和平行相之間。根據地震解釋以及現場實鉆結果：平行相易發(fā)生井壁失穩(wěn)；空白相易發(fā)生井漏；雜亂相井壁失穩(wěn)和井漏都有可能發(fā)生。因此可以根據玄武巖段地層相態(tài)特征，及時預判出井下是否容易發(fā)生井壁失穩(wěn)。富滿油田二疊系玄武巖平行相地震相帶如圖3所示。

圖3 玄武巖平行相地震相帶

1.3 玄武巖理化特性

富滿油田玄武巖巖屑物理化學性質實驗結果見表1。根據表1可以得出，玄武巖段玄武質泥質巖成分以泥巖為主，遇水易膨脹和分散。對玄武巖巖屑進行熱滾回收率實驗，由表1和圖3可知：清水熱滾后的玄武巖巖屑強度明顯降低，巖屑分散；加入6%的KCl后的巖屑，強度保持不變，巖屑形狀保持不變，巖屑回收率較高，巖屑不分散。以上結論說明：加入適量KCl，能明顯保持玄武巖的強度。

表1 玄武巖理化性質實驗結果表

圖4 玄武巖熱滾回收率結果圖

1.4 玄武巖段地應力

取鄰井巖心進行地應力實驗及計算，應用聲發(fā)射凱塞爾效應法測定地應力，測量三個水平增量巖樣和平行垂向巖樣方向的Kaiser點處正應力，求出水平最大和最小主應力和垂向地應力，結果如表2，玄武巖段水平地應力比值較大，范圍在1.1～1.2之間變化，說明玄武巖段各向異性較強，導致井壁應力分布不均勻，引發(fā)井壁失穩(wěn)。因此，適當提高鉆井液密度，可以有效提高玄武巖地層的井壁穩(wěn)定性。

表2 地應力計算結果表

1.5 玄武巖段地層坍塌壓力

利用Mohr-coulomb準則，假設只有最大和最小主應力對巖石破壞有影響，分析井下巖石的應力狀態(tài)，計算巖石的坍塌壓力，并和設計坍塌壓力及實際鉆井液密度做對比，如圖5所示。結合實際鉆井情況，可以得出，塔里木滿深區(qū)塊的二疊系玄武巖坍塌壓力較高，如果使用的鉆井液密度不合適，則易造成井壁失穩(wěn)等事故復雜發(fā)生。

圖5 塔里木滿佳爾區(qū)塊二疊系坍塌壓力對比圖

根據以五個方面的分析可知：通過提高鉆井液攜巖性可以有效避免大的掉塊下落產生卡鉆；優(yōu)選合適的鉆井液密度，可有效防止井壁坍塌；強化鉆井液的封堵性、適當提高鉆井液密度，有利于井壁穩(wěn)定；嚴格控制鉆井液濾失量、提高鉆井液的抑制性，可以提高適當提高玄武巖的穩(wěn)定性。

2 提高玄武巖井壁穩(wěn)定技術措施

根據第一節(jié)得出的結論，從強化封堵性及抑制性、控制濾失量、優(yōu)選密度、提高鉆井液攜巖能力以及控制工程參數幾個方面提出提高玄武巖井壁穩(wěn)定的技術措施。

2.1 強化鉆井液封堵性

通過引入乳化瀝青、超細鈣，填充孔隙的同時形成薄而韌的濾餅，不僅可穩(wěn)定井壁，還可以降低壓力的傳遞和濾失量，推薦配方如下：井漿+(2%～3%)乳化瀝青+ (0.5%～1%)隨鉆堵漏劑+ (3%～5%)超細鈣。在正壓差作用下，隨鉆堵漏劑及超細鈣填充裂縫孔隙，然后乳化瀝青在井壁周圍形成瀝青膜，阻止自由水及鉆井液對井壁的沖刷，保持井壁穩(wěn)定。裂隙封堵機理如圖6所示。

圖6 裂隙封堵機理示意圖

2.2 嚴格控制鉆井液濾失量

通過1.3節(jié)玄武巖的理化特性實驗可知，玄武巖在被濾液污染后，其強度會明顯降低，易發(fā)生破碎。合理有效的控制濾失量，可以保持玄武巖的巖石強度，避免發(fā)生井壁失穩(wěn)。根據該區(qū)塊鉆探經驗，中壓失水控制在3 mL以內，高溫高壓失水控制在9 mL以內，可以提高井壁的穩(wěn)定。

2.3 強化鉆井液的抑制性

根據1.3節(jié)理化特性實驗可知，在相同濾失量條件下，控制好K+的含量，可以保護玄武巖的強度，維持其穩(wěn)定不變，其主要原理如圖7所示。利用鉀離子的交換吸附，使得黏土擴散雙電層變薄，電動電勢降低，阻止玄武巖中的黏土顆粒水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定，一般情況下建議：Cl-濃度大于50 000 mg/L；K+濃度大于20 000 mg/L。

圖7 鉀離子抑制黏土膨脹原理圖

2.4 優(yōu)選鉆井液密度

(1)最低密度優(yōu)選。根據地質設計以及實鉆經驗，結合地層三壓力系數，可以得出某一區(qū)塊的最低密度，避免井壁發(fā)生坍塌。滿深油田建議鉆井液密度大于1.23 g/cm3。

(2)優(yōu)選鉆井液密度。根據地質設計以及實鉆經驗，結合地層三壓力系數，得出最高密度上限，根據井下工況，優(yōu)選密度，以提高井壁支撐力，提高井壁穩(wěn)定。在強化鉆井液封堵性、抑制性和控制鉆井液的濾失后，如果井壁還有失穩(wěn)的跡象，則提高鉆井液密度來提高物理支撐，避免井壁支撐力不夠帶來的惡性失穩(wěn)。提密度過晚，則平衡地層的鉆井液密度值越高，在確保井下安全情況下，盡早判斷，盡早優(yōu)選密度值。以MS地區(qū)2口鄰井為例，井1發(fā)生失穩(wěn)后，當鉆井液密度從1.30 g/cm3提高到1.50 g/cm3，最后井壁垮塌才得的有效的抑制，井2密度保持1.44 g/cm3，順利鉆穿玄武巖。

2.5 提高鉆井液的攜砂性

利用Mathcad軟件計算MS區(qū)塊某井調整前和調整后可以運移的巖屑粒徑范圍，橫坐標為巖屑的粒徑，縱坐標為巖屑的運移速度。圖8、圖9顯示，調整以前巖屑運移最大粒徑為27 mm，通過加入0.1%的黃原膠，其攜帶巖屑的最大粒徑為3.9 mm。

注：玄武巖密度3.3 g/cm3；鉆井液密度1.3 g/cm3；塑性黏度22 Pa，動切力8 Pa，井徑444.5 mm，鉆具外徑139.7 mm，排量37 L/s。

注：玄武巖密度3.3 g/cm3；鉆井液密度1.5 g/cm3；塑性黏度45 Pa，動切力19 Pa，井徑444.5 mm，鉆具外徑139.7 mm，排量37 L/s。

因此，通過提高鉆井液攜砂性，不僅大的掉塊可以及時向上運移，巖屑的運移效率也大大提高，有效避免了井底的重復破碎以及大尺寸玄武巖掉塊引起的卡鉆風險。

3 現場應用效果

AM區(qū)塊AM3井鉆到4 390 m鉆遇玄武巖，鉆至4 523 m期間，多次發(fā)生垮塌、蹩鉆、上提困難，鉆進期間摩阻較大，多次發(fā)生轉盤蹩停，巖屑代表性不好，通過調整鉆井液性能參數、強化鉆井液封堵性、抑制性、控制濾失量，優(yōu)選密度，玄武巖段井壁失穩(wěn)得到了有效的控制。

3.1 巖屑代表性

圖10為調整前撈取的巖屑。從圖中可以看出，巖屑比較雜，存在掉塊，玄武巖顆粒粒徑較小，且磨圓度較高，說明在井底被重復破碎，代表性不好；圖11為調整后撈取的巖屑，從圖中可以看出，巖屑代表性較好，巖屑的粒徑較大，同時巖屑的切削面較為新鮮，說明是井底的新鮮巖屑。

圖10 黏度50 s密度1.30 g/cm3時返出巖屑照片

圖11 黏度100 s密度1.50 g/cm3時返出巖屑照片

3.2 井徑的變化

取4 506 m到4 558 m之間的井徑變化數據如圖12所示。井深4 526 m前鉆井液未做調整，井徑擴大率較大，最大井徑為533.4mm，調整后，井徑逐步恢復正常，說明調整后井壁失穩(wěn)得到了有效的控制，應用效果很好。

圖12 AM3井4 506～4 558 m井徑柱狀圖

3.3 時效分析

統計調整前5 d和調整后5 d的鉆井時效并作圖，如圖13所示。通過分析可得：調整前進尺時間98.44%，其中純鉆時間51.35%、總起下鉆時間31.25%、劃眼時間4.17%、循環(huán)時間9.38%；調整后進尺時間100%，無起下鉆、劃眼和循環(huán)，調整后的時效明顯提高。

圖13 MS3井4 506 m到4 558 m鉆井時效圖

4 結論

(1)通過地層地震相態(tài)特征分析，可以有效提前預判是否會發(fā)生井壁失穩(wěn)，以便于在進入井壁失穩(wěn)段前充分調整好鉆井液各項性能。

(2)玄武巖鉆進期間，應密切注意巖屑變化和各項工程參數變化，如果判斷發(fā)生井壁失穩(wěn)，立即停鉆并及時上提到安全井段，并調整鉆井液性能，尤其要盡早優(yōu)選鉆井液密度，確保井下安全。

(3)玄武巖段鉆進要充分發(fā)揮好稠漿的作用，及時將井底大的掉塊帶出，降低卡鉆風險。