涇河油田頁巖油儲層井壁失穩機理研究

馮永超,李大雷

(中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院,河南鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地南部三疊系延長組長7段已探明十億噸級頁巖油大油田[1-3],其中中國石化華北油氣分公司在該區頁巖油總資源量7.46×108t,夾層型頁巖油1.83×108t,頁巖型頁巖油資源量5.63×108t,資源潛力巨大。長7段頁巖油儲層頁巖發育水平層理,且多存在含砂夾層,微裂縫發育,極易沿層理、裂縫剝落,鉆井過程中井壁失穩嚴重[4-6],坍塌掉塊多,鉆井過程中遇阻遇卡頻繁,機械鉆速低,影響鉆井周期,嚴重制約了該地區的勘探開發進程。本文針對鄂爾多斯盆地南部長7段頁巖地層鉆井過程中的井壁失穩技術難題,開展頁巖地層礦物組分、微觀結構和理化性能分析,揭示井壁失穩機理[7-9],為今后該區長7段頁巖油安全、高效鉆進提供技術保障[10-14]。

1 頁巖礦物組分及微觀結構

1.1 巖心觀察

對彬X井三疊系延長組長7段(1 435～1 439 m)開展鉆井取心,巖心觀察可見,巖性以黑色紋層狀頁巖為主,夾雜大量砂巖夾層,泥頁巖層理明顯,順層理裂縫、夾層發育,裂縫肉眼可見,泥頁巖極易沿從層理形成的弱結構面剝落。

1.2 X射線衍射礦物分析

取彬X井、涇河4井、涇河9井長7段頁巖巖心,利用X-射線衍射儀進行全巖及黏土礦物相對含量分析,結果如表1所示:頁巖黏土含量為33%～45%,黏土礦物主要成分為伊/蒙混層和伊利石,伊/蒙混層含量為38%～52%,伊利石含量為30%～34%。鉆井液濾液侵入易引起伊/蒙混層水化膨脹分散,削弱地層膠結力,不同黏土礦物膨脹應力不同,導致地層內部應力失去平衡,降低了地層強度,發生井壁坍塌[15]。

表1 涇河油田長7段頁巖礦物組成分析

1.3 頁巖微觀結構

1.3.1 掃描電鏡觀察

取彬X井長7段1 437.88 m處頁巖巖心開展掃描電鏡分析,巖石表面層理結構明顯,微裂縫與礦物排列和層理方向有關,發育收縮型裂縫,由有機質排烴收縮形成,多沿有機質邊緣分布(圖1a～1c);鉆井液濾液沿層理、微裂縫進入地層,為泥頁巖水化提供了水分。

1.3.2 薄片分析

取彬X井長7段1 437.50 m處頁巖巖屑開展鑄體薄片分析,結果如圖1d～1f所示,頁巖中發育了大量的微裂縫,根據微裂縫在薄片上的表現形式和產出狀態,可分為3類:1)近似平行或平行于層理的微裂縫;2)任意產狀穿過層理的微裂縫,裂縫開度較大;3)充填微裂縫,主要是長石解理縫、石英裂紋縫。微裂縫、平行層理的存在給鉆井液侵入提供了空間,易發生水化作用,從而導致井壁失穩。

1.3.3 CT掃描

利用CT掃描頁巖原始巖心柱,清水浸泡后的頁巖巖心柱、三軸壓裂后的巖心柱可見,原始巖心柱內本身存在天然裂縫,經過高溫清水浸泡后,部分巖石內部開始出現裂縫,伴隨裂縫擴展現象。經過三軸壓裂的巖石破壞,其斷裂破壞特征明顯,均順層理產生大裂紋,發生結構破壞(圖1g～1i)。

綜合鑄體薄片和CT掃描,頁巖油儲層層理結構明顯,且巖石水化和壓裂變形破壞產生的裂縫方向多為順層理或與層理呈小角度方向。

綜上可知,長7段頁巖地層層理、裂縫發育,在順層理結構和夾層交接處發育裂縫,且巖石浸水和壓裂裂縫擴展方向與層理結構相關。在鉆井壓差、毛管力以及化學勢的作用下,水將沿微裂紋或裂縫侵入地層,一方面降低弱結構面間的作用力,削弱頁巖的力學強度而導致井壁失穩;另一方面,鉆井液濾液侵入將產生水力尖劈作用,導致地層破碎,誘發井壁失穩。

2 頁巖理化性能

2.1 水化分散和膨脹性能

泥頁巖的水化分散和膨脹性能是宏觀評價泥頁巖井壁穩定性的重要指標,選取彬X井頁巖段巖屑在80 ℃條件下進行理化性能分析,結果如表2所示。根據實驗結果,彬X井頁巖樣品本身的回收率達99.78%,在液體中的分散能力較弱,16 h膨脹率僅0～1.36%,膨脹性能較弱。

表2 滾筒回收率實驗結果

表3 頁巖巖心膨脹實驗結果

頁巖圓柱體巖心在高溫水浴箱(95 ℃)中浸泡48 h,取出后測量其軸向和徑向膨脹情況,結果表明,高溫清水浸泡后的巖心在徑向和軸向上少量膨脹。究其原因,軸向與層里的夾角會影響膨脹性,軸向與層理夾角為90°時膨脹量比夾角為0時大,因為夾角為90°時層理多,水化從巖石軸向侵入巖石內部,更容易達到巖石中心和遍布巖石各處,水化更充分。軸向與層理角度為0時,徑向膨脹比軸向大;軸向與層理角度為90°時,軸向膨脹比徑向大,因為層理方向膠結作用較弱,水化現象在此處變化最明顯,水化引起的膨脹在垂直層理、夾層等弱結構面方向變化最大。

2.2 陽離子交換容量

陽離子交換容量(CEC)表示黏土礦物表面可交換的陽離子數量,反映了巖樣吸水能力的強弱,其陽離子交換容量越大越有利于泥頁巖表面水化[16]。選取彬X井、涇河4井、涇河9井頁巖巖心進行實驗測試。結果表明,頁巖油儲層段的陽離子交換容量為2.5～4.0 mmol/g,呈硬脆性弱分散特征(表4)。

表4 頁巖陽離子交換容量

綜合泥頁巖回收率實驗、膨脹性實驗、陽離子交換容量實驗等,鄂爾多斯盆地南部長7段頁巖油儲層段巖石屬于弱水敏硬脆性頁巖,儲層巖石的水化能力雖然較弱,但因為地層層理結構明顯、夾層多,導致水化影響區域較大;巖塊水化膨脹率較小(0.5%以下),但是垂直層理方向易變形并產生新的微裂縫,水化作用降低了巖石結構和強度,需要鉆井液具有一定的抑制能力。

2.3 頁巖水溶性鹽

儲層中各類鹽及含量會影響鉆井液性能,在設計優化鉆井液時必須考慮地層中的含鹽特征。水溶性鹽總量通過蒸發巖粉溶液來測量,利用離子色譜儀分析巖粉溶液中的各種離子含量[17-19],實驗結果如表5所示:各個井頁巖段的含鹽種類和總含量相近,總含量為0.4%～0.5%。其中SO42-含量最高,達到了366 mg/L,Ca2+、CO32-含量其次,以交換性Ca2+為主。鉆井液會遇到一定的Ca2+污染需及時除去,防止造成黏切及失水超標。

表5 頁巖水溶性鹽分析數據

3 頁巖壓力剖面建立

為了保持井壁穩定,結合巖石力學實驗與測井資料,擬合了動靜態巖石力學參數之間的關系,得到巖石力學參數剖面。根據密度測井資料計算垂向地應力,并改進Newberry地應力計算模型,開展水平地應力計算,從而得到長7段頁巖地層三壓力剖面及地層安全密度窗口。計算結果可知:彬X井的破裂壓力和坍塌壓力梯度差值較小,為保證地層安全,鉆井液密度為1.12～1.15 g/cm3,地層層理結構明顯,為保證鉆井安全的平均理想鉆井液密度為1.13 g/cm3。以彬X井的頁巖油儲層段進行計算分析,根據實驗、測井得到的實際地層參數(表6)對失穩壓力及其控制因素進行計算分析。

表6 彬X井頁巖油儲層段物性參數

假設最小地應力方向為井斜方位角為0時的方向,巖石本體剪切和滑動失穩破壞時井斜角為0～90°,井斜方位角為0～360°時刻畫不同地應力方向頁巖坍塌壓力當量密度分布云圖。如圖2所示,沿著最小地應力方向鉆井時,30°～40°井斜角出現了井壁最穩定的區域。水平井布置在與最小地應力呈20°～35°時井壁較穩定。

圖2 綜合失穩破壞井坍塌壓力當量密度與水平段方位和井斜角關系

通過分析鉆井方向、井斜角、井斜方位角、層理產狀等因素對坍塌壓力的影響,得出以最小地應力為正北方向,小地層傾角和低地層傾向的情況下,以最小地應力方向鉆井井眼穩定性最高。

4 結論

1)涇河油田長7段頁巖油儲層段屬于弱水敏硬脆性頁巖,井壁失穩機理主要是水沿微裂紋或裂縫侵入地層,造成巖石弱結構面破壞以及水化引起巖石結構強度降低。其中,層里面水化降低了弱結構面間的作用力,削弱頁巖的力學強度而導致井壁失穩,同時鉆井液濾液侵入層理微裂縫將產生水力尖劈作用,導致地層破碎,誘發井壁失穩。

2)長7段頁巖中的黏土含量可達45%,伊/蒙互層含量高,不同黏土礦物膨脹速率不同,產生的膨脹應力不同,導致地層內部應力失去平衡,降低地層強度,發生井壁坍塌等井下復雜情況。

3)長7段頁巖中鈣鎂離子含量較高,鉆井液會遇到一定的鈣鎂離子污染,若除去不及時則引起黏切及失水超標,導致井壁失穩。鉆井液需保持較低的失水能力、一定的水化抑制能力和抗鹽污染性能、較強的封堵能力,理想鉆井液密度1.13 g/cm3;并且配合多粒徑級配實現層理有效充填裂縫有效封堵、活度平衡阻止鉆井液中自由水向巖層運移。