鉆井液封堵性對徐聞區(qū)塊潿三段井壁失穩(wěn)的影響

許春田， 馬成云， 徐同臺， 湯燕丹， 肖偉偉（. 江蘇石油勘探局鉆井處，江蘇揚州56；. 北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司，北京000）

許春田等.鉆井液封堵性對徐聞區(qū)塊潿三段井壁失穩(wěn)的影響[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：52-56.

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鉆井液封堵性對徐聞區(qū)塊潿三段井壁失穩(wěn)的影響

許春田1， 馬成云2， 徐同臺2， 湯燕丹1， 肖偉偉2
（1. 江蘇石油勘探局鉆井處，江蘇揚州225261；2. 北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司，北京102200）

許春田等.鉆井液封堵性對徐聞區(qū)塊潿三段井壁失穩(wěn)的影響[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：52-56.

摘要在徐聞區(qū)塊鉆井過程中，鉆遇潿洲組時發(fā)生了井塌等井下復(fù)雜事故，但通過對測井?dāng)?shù)據(jù)和地層3個壓力剖面數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)鉆井使用的鉆井液密度均高于地層坍塌壓力當(dāng)量密度，且潿三段地層層理裂隙比較發(fā)育。利用給出的坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度簡化計算式，計算了鉆井液浸泡后巖心坍塌壓力的變化，其結(jié)果表明，隨著鉆井液浸泡時間的增加，巖石強(qiáng)度下降，進(jìn)而造成地層坍塌壓力大幅度增加，巖心浸泡5 d坍塌壓力增加了12.15%。對潿三段地層井壁失穩(wěn)情況及影響因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為該層位井壁失穩(wěn)機(jī)理為：鉆井液封堵性不足以阻止鉆井液濾液侵入地層，造成地層強(qiáng)度下降和近井壁孔隙壓力升高，進(jìn)而導(dǎo)致地層坍塌壓力升高，誘發(fā)井壁坍塌。采用有機(jī)鹽、包被劑和胺基抑制劑改善了鉆井液抑制性，采用ZHFD、QS-4和NFA-25作為封堵劑，形成了強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制的有機(jī)鹽胺基鉆井液，延長了井壁坍塌周期，有效解決了潿三段井壁失穩(wěn)的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞井眼穩(wěn)定；坍塌壓力當(dāng)量密度；強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制鉆井液；抑制性；封堵；徐聞區(qū)塊；潿三段

Effect of Sealing and Plugging Capacity of Drilling Fluid on Borehole Stability of Weisan Member in Block Xuwen

XU Chuntian, MA Chengyun, XU Tongtai, TANG Yandan, XIAO Weiwei
(1. Drilling Department of Jiangsu Oilfield, Sinopec, Yangzhou Jiangsu 225261,China; 2. Beijing Shi Da Hu Yang Petroleum Technology Company Ltd., Beijing 102200,China)

Abstract Borehole instability of the Weizhou Member has been encountered during drilling in Block Xuwen, although the mud weight used exceeded the equivalent density calculated from the collapse pressure of the formation, as known from logging data and analyses of 3 pressure profiles. It was found that fractures and fissures were developed in the Weisan Member. In laboratory experiments, cores taken from the formation of interest were immersed in drilling fluid, and changes in collapse pressure were calculated using a simplified equation of calculating mud weight from collapse pressure. It was found that the rock strength decreased with immersion time, resulting in a large increase in collapse pressure of formation; in the experiments, the collapse pressure increased by 12.15% after 5 d of immersion in drilling fluid. Analyses of borehole instability in the Weisan Member indicated that lack of sealing and plugging of formation by drilling fluid resulted in filtrate invasion, which in turn reduced the strengths of formation and increased the pressure of formations near the wellbore. The collapse pressure of formation was thus increased, resulting in borehole instability. Based on these understandings, the formulation of drilling fluid was modified by adding organic salts, encapsulators and amine additives into the drilling fluid, and using ZHFD, QS-4 and NFA-25 as plugging agents. With this optimized drilling fluid, the time required for the borehole to collapse was prolonged, and borehole instability of the Weisan Member was prevented.

Key words Borehole stabilization; Equivalent density of collapse pressure; Strongly inhibitive drilling fluid with strong plugging capacity; Inhibitive capacity; Sealing and plugging; Block Xuwen; Wensan Member

徐聞地區(qū)已鉆井主要位于北部灣盆地邁陳凹陷北斜坡區(qū)塊，完鉆層位主要是潿洲組和流沙港組。但是鉆探潿洲組和流沙港組過程中，出現(xiàn)了井壁坍塌、井漏等井下復(fù)雜，嚴(yán)重影響了油氣資源勘探和開發(fā)。通過對測井?dāng)?shù)據(jù)和地層3個壓力剖面數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)徐聞潿三段地層層理裂隙比較發(fā)育，鉆井過程中所使用的鉆井液密度為1.27～1.32 g/cm3，均高于地層坍塌壓力當(dāng)量密度（0.8～1.26 g/cm3），但是從潿三段井徑曲線圖（見圖1）可以看出，該井段地層井壁坍塌非常嚴(yán)重。這說明徐聞潿三段地層井壁失穩(wěn)原因不是由于鉆井液密度低于原始地層坍塌壓力當(dāng)量密度造成的，而是由于其它原因而引發(fā)井壁失穩(wěn)。探討了鉆井液封堵性對徐聞潿三段地層坍塌壓力的影響，并研究了穩(wěn)定該段井壁的鉆井液技術(shù)對策[1-10]。

注：1 in=25.4 mm。

1　鉆井液封堵性

1.1 現(xiàn)場鉆井液封堵性評價

在徐聞區(qū)塊采用復(fù)合有機(jī)鹽低滲透潤滑防塌鉆井液鉆潿三段地層，對該鉆井液的封堵性能進(jìn)行實驗評價，結(jié)果見表1?，F(xiàn)場鉆井液配方如下。

3%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH+1.5% Redul-1+2%PGCS-1+2%NFA-25+0.2%IND-10+ 0.15%XC+15%weigh2+3%QS-4（ρ=1.35 g/cm3）

實驗結(jié)果表明：該鉆井液封堵性較差，其中粒徑為0.45～0.90 mm 的砂床濾失量高達(dá)26.9 mL，0.45～0.90 mm的砂床滲透性失水為全失。這說明該鉆井液中的顆粒粒徑匹配較差，缺少較大尺寸顆粒的封堵劑，且形成的濾餅質(zhì)量也較差，不足以阻止鉆井液濾液沿著裂縫侵入地層。

1.2 鉆井液封堵性差造成巖石強(qiáng)度下降

正是由于現(xiàn)場鉆井液封堵性差，當(dāng)采用現(xiàn)場鉆井液做巖心浸泡實驗時，巖心塊發(fā)生了破裂，無法測試巖石強(qiáng)度。為了能夠進(jìn)一步研究鉆井液封堵性對地層巖石強(qiáng)度的影響，對現(xiàn)場鉆井液封堵性能進(jìn)行了初步優(yōu)化，使其在鉆井液中浸泡過程中不出現(xiàn)破裂，再采用此鉆井液浸泡巖心，進(jìn)行對巖心強(qiáng)度影響實驗。

表1　不同粒徑砂床封堵性測試結(jié)果

1.2.1 實驗條件

巖心取自徐聞x7井潿三段井深3 797.4 m處。鉆井液初步優(yōu)化配方如下。其砂床封堵性實驗結(jié)果見表2。

4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH+1% Redul+2%PGCS-1+2%NFA-25+0.5%TJX-1+ 0.3%IND-10+0.2%XC+5%Weight2+3%QS-4（ρ=1.35 g/cm3）

表2　鉆井液在不同粒徑（mm）砂床中的封堵性 mL

從表2可以看出，粒徑為0.28～0.45 mm砂床的濾失量達(dá)39.0 mL，說明該鉆井液中的顆粒粒徑匹配仍然不恰當(dāng)，不能達(dá)到快速封堵地層穩(wěn)定井壁的要求；但是巖心塊不會發(fā)生破碎，可以測試強(qiáng)度來說明鉆井液封堵性對巖石強(qiáng)度的影響。

1.2.2 實驗方法

1）用三軸應(yīng)力實驗裝置，在相同的條件下測定巖心經(jīng)同一配方鉆井液浸泡不同時間以后的巖石力學(xué)性能（主要指彈性模量和泊松比）及其強(qiáng)度。

2）計算對比巖心經(jīng)不同時間浸泡以后的坍塌壓力。

3）綜合對比分析地層巖石強(qiáng)度下降對地層坍塌壓力的影響規(guī)律。

1.2.3 坍塌壓力計算

對于直井而言，不考慮水化應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響，坍塌壓力（當(dāng)量鉆井液密度）簡化計算式為：

式中：ρi為地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；σH、σh為水平最大地應(yīng)力、水平最小地應(yīng)力，MPa；Pp地層孔隙壓力，MPa；C為內(nèi)凝聚力，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)；η為非線性修正系數(shù)，對一般泥頁巖可取0.95；K=cot（45°-φ/2）；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。已知：σH=74.71 MPa；σh=61.62 MPa；Pp=38.11 MPa；K=cot（45°-φ/2）=1.56，潿三段泥巖巖心經(jīng)鉆井液浸泡不同時間坍塌壓力計算結(jié)果見表3。計算結(jié)果表明，隨著鉆井液浸泡時間的增加，巖石強(qiáng)度下降，進(jìn)而造成地層坍塌壓力大幅度增加；巖心浸泡5 d，坍塌壓力增加了12.15%。由于現(xiàn)場鉆井液封堵性比該實驗初步優(yōu)化的鉆井液更差，巖石強(qiáng)度將會下降更快、更大，坍塌壓力增加的幅度也會更大。

表3　鉆井液浸泡后的巖石力學(xué)性能測試結(jié)果

1.2.4 實驗結(jié)果分析

徐聞潿三段巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖2～圖5。從圖中可以看出，在單軸條件下，泥巖峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變分別為0.46%、0.74%、0.74%、0.52%，均遠(yuǎn)低于3%，且?guī)r心的破壞形式為劈裂（見圖6）。上述數(shù)據(jù)表明潿三段泥巖屬于硬脆性泥巖。雖然地應(yīng)力作用下地層的變形比較小，但變形主要是由于地層內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展造成的。

圖2　0 d巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3　1 d巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4　3 d巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7為按鉆井液浸泡5 d后巖石強(qiáng)度計算出徐聞X8井潿三段中地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度曲線。從圖7可以看出，地層坍塌壓力當(dāng)量密度已接近鉆井液密度，部分井段甚至超過鉆井液密度，誘發(fā)了井塌。上述實驗表明：現(xiàn)場鉆井液封堵性不足以阻止鉆井液濾液侵入地層，造成巖石強(qiáng)度下降、地層坍塌壓力升高，誘發(fā)井壁坍塌。

圖5　5 d巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6　巖心在鉆井液浸泡前后的照片

圖7　徐聞X8井潿三段坍塌壓力對比曲線

1.3 鉆井液封堵性差造成近井壁孔隙壓力增大

在不考慮巖石強(qiáng)度參數(shù)變化的情況下，對于孔隙壓力進(jìn)行了假設(shè)，并利用式（1）計算了坍塌壓力，結(jié)果見表4。實驗結(jié)果表明：隨著孔隙壓力的升高，坍塌壓力增加；當(dāng)孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度由1.02 g/cm3增大到1.2 g/cm3（增長了17.65%）時，坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度由1.05增大到1.10 g/cm3（增長了4.64%）。由于現(xiàn)場鉆井液密度（1.27～1.35 g/cm3） 遠(yuǎn)高于地層孔隙壓力當(dāng)量密度（0.5～1.10 g/cm3）， 若鉆井液封堵性差， 會發(fā)生壓力傳遞， 導(dǎo)致近井筒孔隙壓力升高， 進(jìn)而造成坍塌壓力增加，當(dāng)坍塌壓力超過鉆井液密度時， 就可能誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

表4　不同孔隙壓力下的地層坍塌壓力計算結(jié)果

綜上所述，徐聞區(qū)塊潿三段泥巖原始地層坍塌壓力不算高，該地區(qū)鉆進(jìn)潿三段時所采用的鉆井液密度高于地層坍塌壓力，不易引發(fā)井壁失穩(wěn)。但由于鉆進(jìn)該段地層所采用的鉆井液封堵性遠(yuǎn)不足以有效封堵地層層理/裂縫，從而引起近井筒巖石強(qiáng)度下降、孔隙壓力增大，進(jìn)而造成坍塌壓力升高，超過鉆井液密度，從而誘發(fā)井壁失穩(wěn)。因此提高鉆井液封堵性是穩(wěn)定徐聞潿三段井壁的關(guān)鍵技術(shù)。

2　徐聞潿三段穩(wěn)定井壁鉆井液技術(shù)

2.1 改善鉆井液抑制性

用X6井潿三段泥巖巖心，評價現(xiàn)場鉆井液在140 ℃、16 h的抑制性發(fā)現(xiàn)，原現(xiàn)場鉆井液抑制性弱，雖然一次滾動回收率高達(dá)93.93%，但是二次滾動回收率只有60.36%，不能滿足泥頁巖井壁穩(wěn)定的要求。因此通過采用有機(jī)鹽、包被劑和胺基抑制劑協(xié)同作用來改善原現(xiàn)場鉆井液抑制性，優(yōu)化后的鉆井液抑制性強(qiáng)，一次回收率為98.13%，二次回收率為98.10%，均大于90%。

優(yōu)化后鉆井液配方（1#）：2%膨潤土+0.2% Na2CO3+0.2%NaOH+1%Redul+4%SPNH+2% SMP-1+3%PGCS-1+3%NFA-25+0.5%TJX-1+ 0.3%IND-10+0.1%XC+5%Weight2+3%QS-4+ 3%ZHFD（密度為1.35 g/cm3）

2.2 增強(qiáng)鉆井液封堵性

主要從外泥餅和內(nèi)泥餅2個方面來增強(qiáng)鉆井液封堵性。一方面采用SPNH、SMP-1和Redu1來控制鉆井液濾失量，促使井壁形成薄而致密、韌性好、滲透率低的外泥餅，阻止鉆井液侵入地層。另一方面采用特種剛性/柔性架橋材料ZHFD、剛性填充材料超細(xì)碳酸鈣和可變形填充材料仿瀝青，在井壁附近建立良好的內(nèi)封堵層，阻止鉆井液的進(jìn)一步侵入。其中，特種剛性/柔性架橋材料ZHFD粒徑分布范圍廣，具有分級式“單板”架橋或堆砌式“架橋”作用，能夠?qū)訉蛹軜?，降低孔喉尺寸且具有相?dāng)強(qiáng)的承壓能力；超細(xì)碳酸鈣是一種剛性填充材料，可以進(jìn)一步填充由架橋材料分割出來的小孔喉，使地層的孔喉和裂縫基本被鉆井液中的固相顆粒填充；仿瀝青進(jìn)一步充填微孔隙，促使地層微裂縫被盡可能地緊密充填，達(dá)到封堵地層的目的。通過以上3個方面的協(xié)同作用，在近井壁形成了良好的內(nèi)外封堵層，阻止了鉆井液沿著裂縫侵入地層引發(fā)的井壁失穩(wěn)?，F(xiàn)場使用鉆井液與優(yōu)化后鉆井液砂床封堵性實驗結(jié)果見圖8和圖9。

圖8　砂床封堵性實驗結(jié)果

圖9　做完鉆井液封堵之后的砂床滲透性失水實驗結(jié)果

從圖中可以看出，有機(jī)鹽胺基鉆井液的封堵能力大幅度提升，其中過0.45～0.90 mm和0.28～0.45 mm砂床濾失量小于7.5 mL，滲透濾失量小于2mL，高溫高壓（160 ℃、16 h）濾失泥餅薄而致密、韌性好（見圖10）。

圖10　現(xiàn)場鉆井液和優(yōu)化后鉆井液配方高溫高壓濾失泥餅

3　結(jié)論

1.徐聞潿三段井壁失穩(wěn)不是由于鉆井液密度低于原始地層坍塌壓力而造成的，而是由于鉆進(jìn)該段地層所采用的鉆井液封堵性不足以有效封堵地層層理、裂縫，從而引起近井筒泥巖水化膨脹、巖石強(qiáng)度下降、孔隙壓力增大，進(jìn)而造成坍塌壓力升高，超過鉆井液密度，誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

2.采用有機(jī)鹽、包被劑和胺基抑制劑改善了鉆井液抑制性，采用ZHFD、QS-4和NFA-25作為封堵劑，最終形成了強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制的有機(jī)鹽胺基鉆井液，延長了井壁坍塌周期，有效解決潿三段井壁失穩(wěn)的技術(shù)難題。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期（2015-11-17；HGF=1601N18；編輯 王小娜）

作者簡介：第一許春田，1996年畢業(yè)于中國石油大學(xué)鉆井專業(yè)， 一直從事鉆井液技術(shù)管理與研究工作。電話（0514）86761052。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.011

中圖分類號：TE258

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0052-05