塔中西部二疊系井壁失穩(wěn)原因分析及對(duì)策

明瑞卿，張時(shí)中，王越之

(長江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

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塔中西部二疊系井壁失穩(wěn)原因分析及對(duì)策

明瑞卿，張時(shí)中，王越之

(長江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

在塔中西部鉆探過程中，多口井二疊系地層出現(xiàn)了不同程度的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了區(qū)塊鉆井時(shí)效和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)塔中西部二疊系地層泥巖黏土礦物組分、掃描電鏡成像、泥巖理化性能及現(xiàn)場(chǎng)鉆井液體系使用情況進(jìn)行研究，認(rèn)為二疊系地層井壁失穩(wěn)的重要原因是鉆井液體系的選擇失誤。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的4種鉆井液體系防塌性能和常用的抑制劑組合的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，優(yōu)選了滿足塔中西部二疊系井壁穩(wěn)定要求的KCL-聚合物鉆井液推薦配方。

井壁穩(wěn)定；二疊系；鉆井液；巖石力學(xué)；塔中西部

引 言

1 二疊系井壁失穩(wěn)原因分析

1.1 地層泥巖黏土礦物成分分析

針對(duì)塔中西部二疊系不穩(wěn)定井段，選取ZG14-3h井3 576 m和ZG29井3 926 m處巖心，進(jìn)行X射線衍射礦物成分分析(表1)。由表1可知，二疊系地層黏土礦物含量較高，為20%～40%，是該地層

表1 黏土礦物含量X射線衍射結(jié)果

發(fā)生井壁失穩(wěn)的主要原因之一。同時(shí)，水敏性礦物伊(蒙)混層含量較高，相對(duì)含量在50%以上，易引起地層巖石水化分散，從而造成井壁坍塌[5-9]。在二開鉆進(jìn)中，由于二疊系泥巖長時(shí)間浸泡在鉆井液中，極易發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

1.2 掃描電鏡成像分析

選取ZG29井二疊系3 926 m處巖心進(jìn)行電鏡掃描(圖1)。

由圖1可知，巖心中存在較大的微孔、晶間孔、層面縫與層理縫，在壓差作用下，這些裂縫是鉆井液漏失的主要通道，造成泥巖局部水化和剝落掉塊等問題，是導(dǎo)致二疊系井壁失穩(wěn)的原因之一。

1.3 泥巖理化性能分析

利用NP-01線性膨脹儀，測(cè)定塔中西部二疊系地層鉆屑膨脹性滾動(dòng)回收率(表2)。由表2可知，線性膨脹率為9.62%～13.74%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸水膨脹性。此外，二疊系巖屑在清水中滾動(dòng)回收率不足25%，表現(xiàn)出強(qiáng)分散性。

研究會(huì)以為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)體制改革服務(wù)為目標(biāo)，面向社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程問題，組織自然科學(xué)、工程技術(shù)工作者和哲學(xué)、社會(huì)科學(xué)工作者一道，創(chuàng)新和運(yùn)用定量與定性相結(jié)合、人腦與電腦相結(jié)合等系統(tǒng)工程理論、方法，形成了一批科研成果，為推動(dòng)政府、部門與企業(yè)決策的民主化、科學(xué)化、制度化提供智力支持，為科學(xué)決策貢獻(xiàn)了力量。

圖1 二疊系巖心電鏡掃描圖像

表2 鉆屑在自來水中的滾動(dòng)回收率和線性膨脹率

1.4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液體系使用情況分析

如表3所示，現(xiàn)場(chǎng)在二疊系鉆進(jìn)過程中使用的4種鉆井液體系發(fā)生井壁失穩(wěn)的比例都較大。其中，僅KCl-聚合物鉆井液體系井壁失穩(wěn)比例低于50%，使用CP全陽離子鉆井液體系發(fā)生井壁失穩(wěn)比例高達(dá)100%。

表3 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液使用情況對(duì)比

綜合以上分析，認(rèn)為二疊系鉆井施工中鉆井液體系的選擇失誤是井壁失穩(wěn)的重要原因。

2 鉆井液評(píng)價(jià)與分析

2.1 鉆井液體系防塌性評(píng)價(jià)

對(duì)塔中西部二疊系鉆井施工中實(shí)際使用的4種鉆井液體系進(jìn)行鉆屑線性膨脹率和滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)(表4)。

表4 鉆屑在4種鉆井液中的線性膨脹率和滾動(dòng)回收率

由表4可知，4種鉆井液中KCl-聚合物鉆屑線性膨脹率最低，防膨性最好，滾動(dòng)回收率最高，其次為KCl-聚磺體系鉆井液，2種鉆井液對(duì)二疊系地層泥巖水化有相對(duì)較強(qiáng)的抑制性。

2.2 防塌抑制劑組合篩選

根據(jù)多元協(xié)調(diào)理論[10]，采用有機(jī)物抑制劑、無機(jī)鹽(KCl)和MMH正電膠(鋁鎂氫氧化物)復(fù)合，鉆井液抑制性會(huì)有較大提升。選取了5種有機(jī)物抑制劑(KPAM、IND、NMI-4、80A51、CPA)和KCl、MMH組成復(fù)合抑制劑。研究了復(fù)合抑制劑對(duì)鉆屑的線性膨脹性和滾動(dòng)回收率(表5)。由表5可知，0.4%KPAM+3%KCL+2%MMH復(fù)合抑制劑膨脹率最低，防膨性最好。

表5 復(fù)合抑制劑對(duì)鉆屑的線性膨脹性和滾動(dòng)回收率

2.3 二疊系防塌鉆井液優(yōu)化配方

針對(duì)二疊系地層特點(diǎn)，根據(jù)采用多元協(xié)調(diào)理論，對(duì)鉆井液配方進(jìn)行優(yōu)化：4%膨潤土+0.2%NaOH+(0.6%～0.9%)KPAM+(0.5%～0.8%)HV-CMC+(1.5%～2.0%)Redul+(3%～4%)SMP-1+(3%～4%)JNJS-220 +(4%～5%)KCl+(2%～3%)PGSS-1+(2%～3%)TVRF-1+3%SY-A01+(3%～4%)FT-342+加重劑。

該鉆井液流變性、濾失性、潤滑性均滿足安全快速鉆井的要求(表6)，對(duì)二疊系地層泥巖水化有較強(qiáng)的抑制性，對(duì)高滲透性的巖心有較強(qiáng)封堵性，有效降低了濾液滲透，提高了井壁有效支撐應(yīng)力。

表6 鉆井液基本性能(140℃，12h)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

推薦的鉆井液體系在塔中西部應(yīng)用15井次，較鄰井的相同井段，機(jī)械鉆速平均提高了35%，現(xiàn)場(chǎng)井壁失穩(wěn)比率平均降低了71%，大大改善了該區(qū)塊二疊系的鉆井工況。

以中古157井為例。中古157井二疊系地層為3 290 ～4 030 m。在二開井段使用推薦的鉆井液體系700 m3，排量為34 L/s，鉆井液密度為1.25 g/cm3。在二疊系鉆井過程中，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，平均機(jī)械鉆速達(dá)到了6.71 m/h。鄰井中古151井，在二疊系鉆井施工中，在3 300、3 570、3 893 m處出現(xiàn)了3次井壁失穩(wěn)，平均機(jī)械鉆速僅為3.81 m/h。相比于鄰井中古151井，中古157井平均機(jī)械鉆速提高了42%，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)，二疊系提速和防失穩(wěn)效果明顯。

4 結(jié) 論

(1) 塔中西部二疊系地層鉆井施工中井壁失穩(wěn)原因是：黏土礦物成分含量較高，極易水化分散和膨脹；地層砂泥巖混雜軟硬交錯(cuò)；鉆井液體系選擇失誤。其中鉆井液體系選擇失誤是主要原因。

(2) 通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)選了適合的抑制劑組合和防塌鉆井液配方。

(3) 通過抑制劑的多元復(fù)配，鉆井液抑制性明顯增強(qiáng)，有利于抑制地層泥巖水化，鉆井提速和防失穩(wěn)效果顯著。

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編輯 孟凡勤

20150211；改回日期：20150327

中國石油天然氣股份公司鉆井科研項(xiàng)目“塔中西部三疊系鉆頭泥包和二疊系井壁穩(wěn)定技術(shù)研究”(121013050107)

明瑞卿(1989-)，男，2013年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣井工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事鉆井工藝與技術(shù)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.036

TE242

A

1006-6535(2015)03-0138-03