不同鉆井液體系對(duì)坍塌壓力的影響分析

張 成，馬金凱，蒲軍宏，王 軍，雷 剛

（1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部，四川達(dá)州635000）

不同鉆井液體系對(duì)坍塌壓力的影響分析

張 成*1，馬金凱1，蒲軍宏2，王 軍1，雷 剛1

（1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部，四川達(dá)州635000）

提高鉆井速度，縮短鉆井周期是鉆井工程研究的一個(gè)重要目標(biāo)。利用低密度鉆井液鉆井是提高鉆井速度的一個(gè)重要手段，但是鉆井液密度降低和帶來(lái)的井壁垮塌問(wèn)題是一個(gè)對(duì)立的過(guò)程。為此，針對(duì)不同工區(qū)鉆井液體系下，彈性模量、軟化模量、擴(kuò)容系數(shù)等巖石力學(xué)參數(shù)的變化情況進(jìn)行了分析，通過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)不同體系的鉆井液對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)都存在明顯的影響，即現(xiàn)場(chǎng)密度都是在井眼與鉆井液發(fā)生作用后增大了鉆井液密度值，隨鉆井液體系不同而不同，所以降低地層坍塌壓力將有很大的空間。

坍塌壓力；鉆井液；內(nèi)聚力；彈性模量；軟化模量；擴(kuò)容系數(shù)

鉆井液體系對(duì)地層坍塌壓力的影響主要體現(xiàn)在水敏性地層和破碎性地層上。不同鉆井液體系與鉆井打開的地層相接觸，將會(huì)影響其巖石力學(xué)性質(zhì)，鉆井液體系不同，對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)的影響程度不同，最終坍塌壓力也就不同，對(duì)于水敏性地層表現(xiàn)的尤為突出；另一方面，鉆井液體系不同，其封堵性不同，鉆井液對(duì)微裂隙的撐開作用也不一樣，最終反映在對(duì)破碎性地層坍塌壓力的影響不同[1-4]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，使用的可以防止地層坍塌的鉆井液密度隨鉆井液體系不同而異，而且所用防塌鉆井液密度都是在井眼與鉆井液發(fā)生作用后增大了鉆井液密度值，所以降低地層坍塌壓力將有很大的空間。因此，改進(jìn)和發(fā)展鉆井液技術(shù)則可能降低地層坍塌壓力和防塌所用的鉆井液密度，而且可能降低的空間還較大。

坍塌壓力由2部分組成[5]：①由地應(yīng)力和巖石力學(xué)因素產(chǎn)生，一般情況下都不太大(正常情況下多為零，地應(yīng)力異常地層等特殊情況除外)；②由鉆井液各種作用而產(chǎn)生的坍塌壓力，其增加的值因地層和鉆井液類型而異。因此降低地層坍塌壓力坍塌壓力實(shí)際上是改進(jìn)和發(fā)展鉆井液技術(shù)來(lái)消除②的影響和作用（即降的是鉆井液各種作用而產(chǎn)生的坍塌壓力）。

1 工區(qū)鉆井液體系情況

根據(jù)鉆井液與地層作用增加坍塌壓力，且鉆井液體系不同其大小不同的原理，我們可以開展不同鉆井液體系與巖石作用后測(cè)量其強(qiáng)度等特征，基于這些值計(jì)算其坍塌壓力，獲得其規(guī)律，然后形成針對(duì)不同地層鉆井液體系進(jìn)行選擇，以達(dá)到優(yōu)選出更低坍塌壓力的鉆井液體系，將它應(yīng)用于井下，使用它所鉆地層的坍塌應(yīng)力比現(xiàn)在的坍塌應(yīng)力有一個(gè)明顯的降低，從而降低所用的鉆井液密度，為已有成熟的優(yōu)快鉆井技術(shù)效能的充分發(fā)揮打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)減少因井壁不穩(wěn)定導(dǎo)致的井下復(fù)雜[6-8]。

工區(qū)常用鉆井液體系如表1所示。

表1 工區(qū)常用鉆井液體系（單位：%）

我們分析，確定了優(yōu)快鉆井液體系的建立原則：

①聚合物為主處理劑建立聚合物鉆井液基本體系；

②加入5%～10%的KCl抑制地層水化膨脹；

③加入1%～3%EP加強(qiáng)對(duì)泥頁(yè)巖微裂縫的封堵；

④加入1%～3%聚合醇加強(qiáng)對(duì)泥頁(yè)巖微裂縫的封堵，進(jìn)一步提高體系的抑制性。

通過(guò)以上原則，可以配置不同類型的鉆井液體系，如：聚泥＋KCl(5%)，聚泥＋KCl(7%)，聚泥+EP-Ⅰ(3%)；聚泥＋KCl(5%)＋EP-Ⅰ(3%)+聚乙二醇；聚泥＋KCl(7%)＋EP-Ⅰ(3%)；聚磺＋KCl(7%)；聚磺＋KCl (5%)；聚磺＋KCl(5%)＋EP-Ⅱ(3%)；聚磺＋KCl(7%)＋EP-Ⅱ(3%)；聚磺+EP-Ⅱ(3%)+聚已二醇(3%)+KCl (7%)等等。通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察其對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)及坍塌壓力的影響，最終優(yōu)選出合適的鉆井液體系。

2 巖石力學(xué)參數(shù)的影響分析

為了討論鉆進(jìn)液體系巖石力學(xué)參數(shù)的影響，我們選用工區(qū)鉆井所要經(jīng)歷的F組和E組作為研究對(duì)象，對(duì)工區(qū)F組（3000m）取芯，對(duì)E組（3200m）取芯。

通過(guò)對(duì)F組、E組巖芯基本分析，確定F組和E組地層是屬于易水化的泥頁(yè)巖地層。對(duì)上述巖芯利用配置的鉆進(jìn)液進(jìn)行浸泡，然后試驗(yàn)可以確定其巖石力學(xué)參數(shù)。其它巖石力學(xué)參數(shù)浸泡后基本不變，F(xiàn)組巖芯：內(nèi)摩擦角29°，比沃系數(shù)0.5，泊松比0.31；E組取巖芯：內(nèi)摩擦角32°，比沃系數(shù)0.6，泊松比0.32。

（1）巖石強(qiáng)度參數(shù)的影響評(píng)估。研究泥頁(yè)巖與不同鉆井液體系接觸過(guò)程中的強(qiáng)度變化研究是泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定性研究的重要內(nèi)容，同時(shí)也是優(yōu)選鉆井液的重要依據(jù)。

①井下取芯。

②使用三軸儀測(cè)巖石的力學(xué)性質(zhì)（抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等)和應(yīng)力應(yīng)變曲線。

巖樣：尺寸大小1″×2″；實(shí)驗(yàn)條件：地層圍壓。

③樣品處理。將巖樣與不同類型工作液（不同抑制性工作液、不同封堵能力的工作液、油田常用各類典型鉆井液體系）在儀器中設(shè)定地層溫度作用一段的時(shí)間。

④對(duì)處理后的巖芯利用三軸巖石強(qiáng)度測(cè)試儀開展取樣巖石的力學(xué)性質(zhì)測(cè)定（如彈性模量、泊松比、各類強(qiáng)度）及應(yīng)力應(yīng)變曲線繪制。

⑤進(jìn)行對(duì)比分析不同鉆井液體系對(duì)巖石強(qiáng)度等參數(shù)的影響

從圖1可以看出，不同的鉆井液類型及體系下，巖石的內(nèi)聚力變化情況不一樣，總體上看對(duì)于聚泥鉆井液體系（原體系）和聚磺鉆井液體系（原體系）而言，其巖石內(nèi)聚力最低，隨著鉆井液體系成分的改變，其內(nèi)聚力值均增大。同理，對(duì)于殘余內(nèi)聚力而言，其變化規(guī)律也比較類似，如圖2所示。

圖1 不同鉆井液體系下巖石內(nèi)聚力的變化情況示意圖

圖2 不同鉆井液體系下巖石殘余內(nèi)聚力的變化情況示意圖

圖3 不同鉆井液體系下巖石彈性模量的變化情況示意圖

圖4 不同鉆井液體系下巖石軟化模量的變化情況示意圖

從圖3可以看出，不同的鉆井液類型及體系下，巖石的彈性模量變化情況不一樣，總體上看對(duì)于聚泥和聚磺（原體系）而言，其巖石彈性模量最低，但是對(duì)于聚磺鉆井液體系而言，其彈性模量值隨著鉆井液體系的改變變化不大。而對(duì)于巖石的軟化模量而言，其變化規(guī)律則不同。

從圖4中可以看出，對(duì)聚泥鉆井液（原體系）而言，其軟化模量值最大，而對(duì)于聚磺（原體系）而言，其軟化模量值最小。

圖5給出了不同鉆井液體系下巖石擴(kuò)容系數(shù)的變化情況，總體上看對(duì)于聚泥和聚磺鉆井液體系而言，其擴(kuò)容系數(shù)變化不大，其值均在原體系時(shí)達(dá)到最大。

圖5 不同鉆井液體系下巖石擴(kuò)容系數(shù)的變化情況示意圖

同理，按照上述實(shí)驗(yàn)要求，我們對(duì)E組的巖芯在不同的鉆井液體系下進(jìn)行浸泡，其巖石力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 各浸泡鉆井液體系代號(hào)（聚泥）

表3 E組巖芯不同鉆井液體系處理后的巖石力學(xué)參數(shù)

經(jīng)過(guò)分析可以得知經(jīng)不同鉆井液的侵泡作用后，巖石與鉆井液發(fā)生反應(yīng)，其強(qiáng)度都表現(xiàn)為降低。對(duì)于不同鉆井液體系，其強(qiáng)度降低的程度不一樣，對(duì)于抑制性越高，對(duì)強(qiáng)度的影響越低。

3 結(jié)論

對(duì)不同鉆井液體系對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)不同體系的鉆井液對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)都存在明顯的影響，即現(xiàn)場(chǎng)密度都是在井眼與鉆井液發(fā)生作用后增大了鉆井液密度值，隨鉆井液體系不同而不同，所以降低地層坍塌壓力將有很大的空間。因此，有需要對(duì)這種影響的規(guī)律進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為選擇合適的鉆井液體系，為降低鉆井液密度提供依據(jù)。

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TE21

A

1004-5716(2015)12-0018-03

2014-12-18

2015-01-06

張成（1983-），男（漢族），四川廣安人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工程方面研究工作。