泥頁巖地層油基鉆井液封堵防塌技術研究及應用分析

陳忠宇

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司鉆井工程技術服務中心，黑龍江大慶163000）

油氣勘探開發是一項系統復雜的工程，如何實現井壁的穩定是提升鉆井速度的關鍵所在，而泥頁巖地層的井壁穩定性問題又是其中最關鍵的部分。在已統計的井塌事故中，超過9成發生在泥頁巖地層，其中又有三分之二為硬性泥頁巖[1]。根據實際開發經驗和理論研究成果，發現在泥頁巖中存在著大量的微裂縫，這些裂縫使得井壁的穩定性下降，采用高質量濾餅和更高性能的鉆井液可以有效提升井壁的穩定性，提高鉆井速度和穩定性。近年來，泥頁巖的油田勘探開發的規模不斷加大，面臨的開發狀況也越來越多，也給勘探開發團隊帶來了更多的考驗，如超長水平井段的開發等等。為了平衡多方面的因素，鉆井液仍然在當前的油井開發中占據著重要的位置[2]。以北美的頁巖油氣開發為例，油基鉆井液在水平井段的利用率達到了近七成，其他類型的鉆井液總量和累計占三層左右，在我國，泥頁巖開發中也以油基鉆井液為主。

1 古龍區塊泥頁巖儲層分析

掃描電子顯微鏡是觀察物質微觀形態和微觀組成的工具，通過對巖石的微觀形態進行觀察，明確頁巖表面的形態，同時了解頁巖空隙的大小，空隙內填充物的成分、大小以及含量等等。見圖1。

從電鏡的觀察照片可以發現，該區塊的巖樣中存在大量的裂縫和層理，并且裂縫的尺度大小以微米級和納米級居多，其中約有40%的孔縫在500nm以內，約有50%的孔縫在0.5～10μm之間，觀察發現，頁巖中存在的孔隙最小直徑為2nm，最小裂縫的寬度7nm，孔隙和裂縫天然地成為了鉆井液深入的途徑。同時，在頁巖的表面，存在著大量的樹葉狀的蒙脫石和蜂窩狀的伊蒙混層，在顆粒表面和顆粒之間的縫隙里，依附著立方體狀伊利石，這表明粘土中含有大量的礦物質，礦物質的主要成分為伊蒙混層、高嶺石。巖樣內部的電子顯微鏡圖片可見大量的方解石和白云石顆粒[3]。方解石和白云石脆性較大，這就導致了該區的巖樣難以承受較大的壓力。所以，在對該區域進行勘探和開發時，需要進行有效的封堵、降低鉆井液失水，保障鉆探開發的安全。

2 油基鉆井液體系封堵劑篩選

在經過大量的試驗后，最終確定了油基鉆井液中各原料的占比：柴油+2%～4%主乳化劑+1%～2%輔乳化劑+0.2%～0.4%潤濕劑+3%油基增粘劑+3%油基降濾失劑+2%氧化鈣+20%氯化鈣水溶液。

說明：配方中油水比為(80～85)∶( 20～15)；氯化鈣水溶液濃度根據儲層礦化度進行調整，一般取20%～40%；根據現場施工環境溫度的差異，使用柴油的標號也需要更換，一般在秋冬季節選用-35＃柴油，在春夏季節采用0＃柴油。

為了油基鉆井液的性能，需要在鉆井液中添加各種封堵材料，優化鉆井液中的固相顆粒的合理配比，材料添加和固相顆粒配比的基礎是明確泥頁巖孔縫的大小，經過反復的試驗，不斷進行封堵劑種類的調整，顆粒比例的確認，最終得到了鉆井液配方的組成。

從表1的性能對照表中可以看出，在加入了各種油基封堵材料以后，并沒有對鉆井液的流動性產生較大的影響，且進一步提升了鉆井液的動塑比，高溫高壓失水和砂床侵入厚度降低明顯，破乳電壓也有升高趨勢，在維持鉆井液流變性穩定的基礎上，采取多種措施封堵頁巖的孔縫，提升泥頁巖井壁的穩定。

3 高封堵油基鉆井液在古龍區塊A井的現場應用

在對古龍區塊進行地質勘探以后，測量了孔隙壓力，分析了靜態資料，對該地層的壓力系數進行了評估，同時預測壓力梯度的區間為1.63～2.55MPa/100m。在鉆進過程中，進行了多次的試驗，得到了鉆井液的密度窗口為1.55～1.728/cm3。根據實際的工程經驗，在允許的密度窗口內，盡量選擇較大的密度進行鉆進，可以最大限度地發揮鉆井液的封堵能力，同時也能夠最大限度地平衡地層壓力。A井鉆井液性能見表2。

表2 A井鉆井液性能表

該井使用高封堵油基鉆井液的井段為：2261～4810m，水平段長2050m，鉆井周期18.16d，在整個井段區間內井壁穩定性良好，該數據為古龍區的泥頁巖鉆探開發提供了支撐和參考。

4 裂縫性泥頁巖地層防塌誤區及強封堵防塌對策

當地層的層理和裂縫持續發育時，會提升鉆井液侵入的速度，增加了孔隙的壓力。在鉆井液的持續浸泡下，泥頁巖會被軟化，造成強度的降低，在這些因素的綜合作用下，地層的坍塌機理將會變得更加多樣，坍塌壓力也會迅速的提升。盲目的提升鉆井液密度，雖然能夠在短時間內保證井壁的穩定性，但是隨著時間的增加，坍塌壓力會持續增大，會造成穩定井壁的難度急劇上升，陷入惡性循環。在鉆井液溫度過大的情況下，甚至會出現井漏現象，對油氣層造成污染[4]。

4.1 井田裂縫性泥頁巖地層井塌分析及處理誤區

石千峰組、石盒子組等裂縫發育，其崩塌程度最大，井徑擴展率達22%以上。并且在鉆井的過程中經常發生卡鉆事件，導致需要很長的時間和成本進行維護，嚴重影響了鉆井效率，也大大提升了鉆井的成本

（1）礦物組分及理化性能分析。石千峰和石盒子組中含量最高的成分是石英，含量次之的是粘土礦物，比例達到28%～39%；在粘土礦物中，伊利石和伊蒙混層的含量最高。泥巖水化程度為弱分散、中等偏強膨脹。

（2）巖石力學實驗。通過三軸壓縮實驗可以得到以下結論：石千峰和石盒子組的巖芯主要是劈裂型，應力峰值對應的應變不大于1.5%，地層強度比鄰近地層低，壓強度和內聚力較差[5]，表現出較強的脆性。該區域的脆性巖石一旦出現了應力聚集現象，則就會加速裂縫的擴展，形成更大的裂縫，造成巖石強度下降，承載能力喪失[6]。

（3）典型井井塌處理誤區。以Y1 井為例，該井二開設計鉆井液密度不大于1.14g/cm，但是在鉆井過程中，頻繁出現掉塊問題，憋鉆問題也頻繁出現，需要花費大量的時間劃眼。為了抑制井塌事故，現場不斷提升鉆井液密度，但是坍塌現象卻越來越嚴重，當鉆井液的密度提升到1.24g/cm3時，井漏和井塌現象同時出現，井下的條件也變得更加復雜[7]，該井鉆井液密度以及井徑曲線見圖2。盲目地提高鉆井液密度也會影響到儲層的特征。要實現科學正確的處理井塌問題，就需對垮塌原理進行深入探究，科學的認識到裂縫發育對穩定性造成的危害。

圖2 Y1井裂縫性地層提高鉆井液密度防塌效果分析

4.2 裂縫發育等破碎性地層井塌機理

再以Y2 井為研究對象，對地層進行分析后發現該地層為常壓地層，設計方案中鉆井液密度不大于1.14g/cm3，在鉆井過程中，由于出現井塌，密度逐漸提升到1.18g/cm3，但是防塌效果并沒有得到提升，石千峰組、石盒子組等地層井徑擴大率普遍達到20%。實驗數據表明，鉆井液的侵入會導致巖石的強度降低，在一周的時間內，強度降低了20%，并且裂縫處的孔隙壓力密度上升了5%，達到了1.05g/cm3，根據實驗結果繪制了坍塌壓力變化圖。從圖3中可以看出，裂縫發育的石千峰和石盒子組等地層揭開初期，由于裂縫中鉆井液液柱壓力較大，能夠短時間內維持穩定，隨著時間的增加，鉆井液會沿著裂縫滲入，導致地層被浸泡，導致坍塌壓力逐漸增加，在經過一段時間后，坍塌壓力就會高于液柱壓力，井壁的穩定性就難以維持。當進一步提升鉆井液密度，就會導致裂縫的寬度加大，鉆井液滲入就會變得更加簡單，從而形成了一種惡性循環，加速了井壁的坍塌。從上述的研究分析，在進行裂縫封堵時，其中一個關鍵的注意事項就是盡量避免鉆井液的侵入。

圖3 Y2井裂縫性地層坍塌壓力動態分析

4.3 裂縫性地層鉆井液封堵劑優選

封堵劑的優選方法和堵漏劑的優選原理基本一致，核心都在實現不同顆粒級的合理搭配。在理論研究的基礎上，結合壓力傳遞試驗，評估磺化瀝青FT-1封堵劑存在的缺陷，然后另外選取微米彈性封堵劑SDFD、納米封堵劑SDGS 兩種封堵劑，通過實驗確定3種封堵劑的最佳比例，形成最佳的鉆井液體系。

結合石千峰和石盒子組裂縫性泥頁巖埋深，通過保持上下游壓力差的值為4MPa，對比現用的鉆井液和本文研究的強封堵鉆井液在性能方面的差異，結果見圖4。

圖4 基于壓力傳遞實驗的裂縫性地層鉆井液封堵性評價

（1）在現場使用常規的鉆井液，由于裂縫的存在和壓差作用，封堵劑逐漸地深入到裂縫中，初步形成了一定的封堵并減緩了壓力的傳遞，在前10h，可以有效地抑制地層壓力的提升速度。但是由于鉆井液中沒有彈性顆粒，難以保證封堵強度，隨著時間的推移，壓力的傳遞路徑會逐漸暢通，到了20h以后，壓力已經上升到井筒壓力，此時封堵作用完全失效，在實驗后對現場進行觀察，巖體的裂縫寬度明顯增加。

（2）在鉆井現場使用強封堵鉆井液，首先由于裂縫和壓差的存在，納米封堵劑SDGS 逐漸滲入到裂縫中，首先實現了初步的封堵，然后封堵劑SDFD中的彈性顆粒會在裂縫中形成支架，進一步加強了封堵的能力，有效地隔斷了壓力的傳遞，使得地層的壓力不會持續增加，在實驗后對現場進行觀察，巖體的裂縫寬度無明顯增加(見圖5)，表明該封堵液的性能明顯升高。當前，該封堵液體系已經開始在井田逐步推廣。

圖5 采用優選復配的強封堵鉆井液壓力傳遞實驗前(左)后(右)照片

5 建議

（1）對于在地層中存在裂縫，鉆井液可以從裂縫中自然地滲透到地層中，并且井筒液壓柱壓差會加速鉆井液滲入，一方面，地層在鉆井液的浸泡下，強度會出現明顯下降，另一方面，裂縫的孔隙會明顯提升，在這些因素的綜合作用下，地層的坍塌機理將會變得更加多樣，坍塌壓力也會迅速提升。

（2）對于在某油田治理中出現的鉆井液的密度越高、坍塌情況越嚴重的現象，其根本原因在于沒有對垮塌原理進行深入探究，沒有科學的認識到裂縫發育對穩定性造成的危害。

（3）本文介紹了“以堵為主，抑制水化，合理密度”為原則的裂隙頁巖的防治措施。通過將壓力轉移試驗與評估相結合的方法，優選出了一種具有較好效果的強封堵鉆井液配方，并在氣田中得到了成功的應用。

6 結論

（1）根據泥頁巖的特點和鉆井工藝的需要，鉆井液具有良好的流動性、良好的封堵抗崩能力。具有較小的過濾能力，潤滑性能好，能有效地阻止巖漿的水化和膨脹率，使井壁具有較好的穩定性。是當前較為理想的泥頁巖地層鉆探方案。

（2）在基本的油基鉆井液中，合理地進行封堵材料的添加，既可以有效地進行頁巖裂縫的封堵，同時能夠有效地避免鉆井液滲入，避免了頁巖地層的軟化和坍塌壓力的上升，從源頭了保證了頁巖鉆井的井壁穩定。

（3）鉆井工程密度窗口的選擇需要結合鄰井的實際施工情況和該區的勘探資料，密度窗口的選擇要有合理的依據，盡量選擇較大的密度進行鉆進，可以最大限度地發揮鉆井液的封堵能力，同時也能夠最大限度地平衡地層壓力。