鉆井液浸泡對延長組頁巖坍塌壓力的影響

王平全，鄧嘉丁，白 楊，王建龍，青勝蘭

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司，四川 廣漢 618300)

0 引 言

井壁穩(wěn)定是鉆井面臨的主要問題之一，影響井壁穩(wěn)定的因素主要為地質(zhì)力學(xué)因素(原地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度)、地層因素(組分、結(jié)構(gòu)、地層產(chǎn)狀等)、工程因素(井眼軌跡、鉆井液等)。其中，鉆井液對地層巖石強(qiáng)度的影響需重點(diǎn)考慮[1-14]。鄂爾多斯盆地延長組頁巖地層具有弱膨脹強(qiáng)分散、微裂縫和微孔發(fā)育、低孔低滲、毛細(xì)效應(yīng)突出、掉塊坍塌突出等問題[15-30]。針對上述問題，運(yùn)用巖石三軸抗壓實(shí)驗(yàn)對不同鉆井液浸泡的鄂爾多斯盆地延長組頁巖坍塌壓力增量進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用證明，該方法適用于評價(jià)鄂爾多斯盆地延長組頁巖坍塌壓力變化。

1 巖樣采集及基礎(chǔ)物性分析

露頭巖心采集點(diǎn)位于陜西省延長市延長縣張家灘，巖性致密，裂縫、頁理發(fā)育，為一套深湖相—半深湖相暗色頁巖，分布穩(wěn)定，具有區(qū)域可比性。電性曲線突出，表現(xiàn)為高電阻、高伽馬、低電位特征。

延長組巖樣黏土礦物總量為10.5%～61.6%，石英含量為17.6%～72.3%，白云石含量較低，為0.0～5.0%。鉆井過程中，硬脆性頁巖地層與鉆井濾液相互作用，初步判斷會(huì)出現(xiàn)一定的水化作用。

延長組頁巖壓實(shí)程度高、結(jié)構(gòu)緊密；微裂縫發(fā)育，自然狀態(tài)下微裂縫開度可達(dá)5 μm。微裂縫的發(fā)育將破壞巖石的完整性，弱化原巖的力學(xué)性能，同時(shí)，為鉆井液進(jìn)入地層提供通道。在鉆井正壓差以及毛管力的作用下，濾液沿裂縫或微裂縫侵入地層，一方面將可能誘發(fā)水力劈裂作用，加劇井壁巖石破碎，另一方面也提高了鉆井液與地層中黏土礦物和有機(jī)質(zhì)的作用幾率及作用程度，導(dǎo)致地層強(qiáng)度降低，加劇井壁失穩(wěn)。

2 頁巖原始強(qiáng)度特性

根據(jù)所采集延長組露頭巖樣基礎(chǔ)物性分析結(jié)果，在平行和垂直層理2個(gè)方向選取合適的巖心在不同圍壓下進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。取心角度為0 °，即取心方向與層理方向一致，測量圍壓為0.0、17.5、35.0 MPa下的彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度。三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 原巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖1可知：延長組頁巖地層非常致密，在單軸和不同圍壓下，應(yīng)力應(yīng)變曲線中的孔隙、裂隙壓密階段并不明顯，軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎呈線性增加，并當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，巖心內(nèi)部迅速形成宏觀斷面，發(fā)生脆性破壞而失去承載能力；在單軸條件下，即圍壓為0.0 MPa時(shí)，巖石均為張性劈裂破壞；當(dāng)圍壓為17.5 MPa和35.0 MPa時(shí)，巖心以剪切破壞為主。

3 不同鉆井液浸泡對頁巖的影響研究

通過巖石三軸抗壓實(shí)驗(yàn)，研究不同鉆井液浸泡對巖石抗壓強(qiáng)度的影響。三軸抗壓實(shí)驗(yàn)可獲得巖石在特定條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究巖石的變形和破壞規(guī)律，并求得巖石的三軸抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)楊氏彈性模量和靜態(tài)泊松比等量化表征巖石抗破壞能力的基礎(chǔ)巖石強(qiáng)度參數(shù)。

3.1 清水浸泡實(shí)驗(yàn)

使用清水浸泡延長組頁巖露頭平行層理面巖心，浸泡溫度為80 ℃，浸泡環(huán)境壓力為3.0 MPa，浸泡時(shí)間為48 h。清水浸泡后巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

由圖2可知：浸泡后的頁巖地層依然非常致密，在單軸和不同圍壓下，應(yīng)力應(yīng)變曲線中的孔隙、裂隙壓密階段并不明顯，軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎呈線性增加，并且當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，巖心內(nèi)部迅速形成宏觀斷面，發(fā)生脆性破壞而失去承載能力；在單軸條件下，巖石均為張性柱狀劈裂破壞；當(dāng)圍壓為17.5 MPa和35.0 MPa時(shí)，巖心同時(shí)破裂破壞和剪切破壞；浸泡后，水侵層理面，弱化了層理面的強(qiáng)度，導(dǎo)致巖心在受壓后出現(xiàn)沿層理面橫向破壞的情況。

圖2 清水浸泡后巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 不同鉆井液浸泡實(shí)驗(yàn)

頁巖與流體接觸后，其強(qiáng)度會(huì)受到影響，不同種類的流體對頁巖強(qiáng)度的影響是不同的。當(dāng)頁巖與鉆井液接觸時(shí)，一般存在表面水化、離子水化和滲透現(xiàn)象，這些都會(huì)降低坍塌壓力。因此，頁巖地層所使用的鉆井液需提高抑制性和封堵性，以保證井壁穩(wěn)定。使用現(xiàn)場用水基鉆井液、油基鉆井液、兩性離子鉆井液和有土甲酸鉀鉆井液等4種鉆井液對延長組露頭巖心進(jìn)行浸泡，浸泡環(huán)境壓力為3.0 MPa，溫度為80 ℃，時(shí)間為48 h。不同鉆井液浸泡后的力學(xué)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同鉆井液浸泡下巖心強(qiáng)度變化情況

由表1可知：經(jīng)鉆井液浸泡后，巖心的強(qiáng)度和內(nèi)聚力都有所下降，且浸泡對巖石的內(nèi)聚力影響較大，即巖心的力學(xué)強(qiáng)度均有一定程度的降低，浸泡后的巖心出現(xiàn)多條張性破裂縫，也印證了這一點(diǎn)；經(jīng)油基鉆井液浸泡后的巖心單軸、三軸抗壓強(qiáng)度與內(nèi)聚力降低幅度最小，其次為有土甲酸鉀鉆井液、兩性陽離子鉆井液，水基鉆井液浸泡后的巖心單軸、三軸抗壓強(qiáng)度與內(nèi)聚力降低幅度最大，說明油基鉆井液抑制頁巖水化的能力最強(qiáng)，但由于油基鉆井液成本太高，現(xiàn)場施工時(shí)根據(jù)條件可選擇有土甲酸鉀鉆井液。

3.3 頁巖地層坍塌壓力計(jì)算

地下一定深處的原地應(yīng)力一般用3個(gè)主應(yīng)力描述，即垂向應(yīng)力和水平方向2個(gè)主應(yīng)力。鉆井過程擾動(dòng)并破壞了地層應(yīng)力的自然平衡狀態(tài)，使井周出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此，井壁穩(wěn)定評價(jià)可以簡化為平面應(yīng)變問題來分析。在不考慮水化應(yīng)力，只考慮水化對巖石強(qiáng)度的降低作用的條件下，要保證井眼不垮塌，井筒內(nèi)當(dāng)量鉆井液密度必須提高。當(dāng)量鉆井液密度增量至少由3個(gè)部分構(gòu)成：①支撐強(qiáng)度變低后由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的坍塌壓力增量；②支撐強(qiáng)度變低后由孔隙壓力作用產(chǎn)生的坍塌壓力增量；③支撐地層自身強(qiáng)度降低(弱面強(qiáng)度降低)產(chǎn)生的坍塌壓力增量。

對于結(jié)構(gòu)面欠發(fā)育地層，若不考慮①、②兩個(gè)部分的影響，則受鉆井液浸泡后的最低鉆井液密度增量(坍塌壓力增量)可表示為：

(1)

式中：Δρmc為受鉆井液浸泡后的最低鉆井液密度增量(坍塌壓力增量)，g/cm3；H為地層深度，m；Co為浸泡后巖心內(nèi)聚力，MPa；Ko為浸泡后巖心滲透率，μm2；Ci為浸泡前巖心內(nèi)聚力，MPa；Ki為浸泡前巖心滲透率，μm2。

以延長組頁巖原始力學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)式(1)計(jì)算受鉆井液浸泡后的坍塌壓力增量：經(jīng)油基鉆井液、有土甲酸鉀鉆井液、兩性陽離子鉆井液、水基鉆井液浸泡后，巖心的坍塌壓力增量分別為0.31、0.38、0.42、0.50 g/cm3。

以原巖的坍塌壓力密度為參照，鉆井液浸泡后均導(dǎo)致地層坍塌壓力升高。與水基鉆井液相比，兩性陽離子鉆井液、有土甲酸鉀鉆井液浸泡后的地層坍塌壓力均較低；油基鉆井液效果最好，地層坍塌壓力增量最小，但其成本太高，不適合現(xiàn)場鉆井施工。有土甲酸鉀鉆井液效果較好，地層地層坍塌壓力增量較低。可見，在鉆井液中加入一定量的甲酸鉀后，可有效控制頁巖地層坍塌壓力的增加。因此，充分利用抑制型處理劑甲酸鉀抑制水化作用的原理，可有效控制頁巖地層坍塌壓力的增加，為頁巖井壁穩(wěn)定提供強(qiáng)有力的安全保障。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

試驗(yàn)井為X9井，該井地處陜西省延安市延川縣，地質(zhì)構(gòu)造為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡。試驗(yàn)地層厚度為幾米至幾十米，由厚層深灰、灰黑色頁巖，灰綠色、深灰色泥質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)泥巖，粉、細(xì)砂巖的薄互層、韻律層組成。黏土礦物總量為50.6%～64.2%，石英含量為23.5%～29.1%，白云石含量較低，為0.0%～3.2%。

鄰井X9-1井使用的鉆井液為國內(nèi)常用的水基鉆井液，配方為4.00%膨潤土+0.20%碳酸鈣+6.00%磺化酚醛樹脂+6.00%磺化褐煤+3.00%乳化石蠟+5.00%磺化瀝青+8.00%聚丙烯酰胺鉀鹽+1.00%納米潤滑劑，加重劑為重晶石。在頁巖井段常發(fā)生井塌、井漏現(xiàn)象，多次加入大量封堵材料進(jìn)行堵漏作業(yè)，鉆井液密度急劇上升，導(dǎo)致液柱壓力大于地層壓力，壓破地層后又發(fā)生井漏，如此循環(huán)，鉆井成本大幅增加。對X9-1井水基鉆井液進(jìn)行了評價(jià)，經(jīng)其浸泡后的巖心單軸抗壓強(qiáng)度為41 MPa，三軸抗壓強(qiáng)度為175 MPa，內(nèi)聚力為10 MPa，坍塌壓力增量為0.50 g/cm3。根據(jù)上文研究結(jié)果，對該水基鉆井液各組分進(jìn)行了替換和篩選，更換為有土甲酸鉀鉆井液，配方為：4.00%膨潤土+0.20%碳酸鈣+18.00%甲酸鉀+0.05%氧化鈣+5.00%乳化石蠟+7.00%潤滑型聚合醇，加重劑為重晶石。經(jīng)測試，經(jīng)其浸泡后巖心單軸抗壓強(qiáng)度為59 MPa，三軸抗壓強(qiáng)度為185 MPa，內(nèi)聚力為15 MPa，坍塌壓力增量為0.38 g/cm3。與X9-1井所用水基鉆井液相比，巖心抗壓強(qiáng)度大幅增加，且坍塌壓力增量由之前的0.50 g/cm3降至0.38 g/cm3，抑制頁巖水化能力大大增強(qiáng)。將優(yōu)化后的鉆井液體系運(yùn)用于X9井，使用效果見表2。

由表2可知：X9-1井使用水基鉆井液，在鉆進(jìn)過程中由于地層微裂縫發(fā)育，多次出現(xiàn)漏失情況，鉆井液濾液沿裂縫或微裂縫侵入地層。一方面將可能誘發(fā)水力劈裂作用，井壁地層巖石破碎，大量固相顆粒進(jìn)入鉆井液中；另一方面也提高了鉆井液與地層中黏土礦物和有機(jī)質(zhì)的作用幾率及作用程度，地層強(qiáng)度降低，大量加入隨鉆堵漏材料，導(dǎo)致鉆井液密度大幅提高，同時(shí)嚴(yán)重影響鉆井液性能，高溫高壓濾失量大于5 mL。X9井所用的鉆井液為優(yōu)化后的有土甲酸鉀鉆井液，性能總體穩(wěn)定，密度較小，在鉆井過程中無井漏現(xiàn)象發(fā)生，故未引入其他固相顆粒，整個(gè)鉆進(jìn)過程中鉆井液密度保持在1.03～1.05 g/cm3，高溫高壓濾失量始終保持在5 mL以內(nèi)。在整個(gè)鉆井施工中未發(fā)生井漏情況，故不需要進(jìn)行堵漏作業(yè)，X9井從開鉆到完井歷時(shí)70 d，較X9-1井鉆時(shí)降低25 d，大幅縮短了鉆井周期。

表2 鉆井液優(yōu)化前后性能情況

5 結(jié) 論

(1) 不同鉆井液浸泡對延長組裂縫發(fā)育頁巖地層坍塌壓力影響不同，其中，水基鉆井液導(dǎo)致的坍塌壓力增加量最大，油基鉆井液最小，兩性陽離子鉆井液和有土甲酸鉀鉆井液介于二者之間。

(2) 通過調(diào)節(jié)處理劑種類及加量，尤其是降濾失劑、抑制劑、封堵劑等，可降低鉆井液對裂縫發(fā)育頁巖地層坍塌壓力的影響。

(3) 通過分析鉆井液浸泡前后頁巖應(yīng)力應(yīng)變曲線變化情況，能夠更加詳細(xì)了解頁巖地層井壁不穩(wěn)定機(jī)理，從而從鉆井液密度、抑制性和黏結(jié)能力等方面為頁巖氣井防塌鉆井液設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

[1] 張守軍.杜66塊火驅(qū)注氣井耐高溫泡沫調(diào)剖技術(shù)[J].特種油氣藏，2017，24(6)：152-156.

[2] 溫航，陳勉，金衍，等.硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩(wěn)定力化耦合研究[J].石油勘探與開發(fā)，2014，41(6)：748-754.

[3] 王永煒，李榮西，楊全枝，等.鄂爾多斯盆地陸相中生界頁巖氣儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)機(jī)理研究[J].油氣藏評價(jià)與開發(fā)，2017，7(2)：78-82.

[4] 張衛(wèi)東，李孟，姜在興.煤層氣井壁坍塌破裂準(zhǔn)則研究[J].中國煤層氣，2011，8(6)：37-41.

[5] 譚強(qiáng)，鄧金根，張勇，等.各向異性地層定向井井壁坍塌壓力計(jì)算方法[J].斷塊油氣田，2010，17(5)：608-610.

[6] 鄒大鵬.大慶油田致密油水平井強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2015，37(3)：36-39.

[7] 邱春陽，趙立新，司賢群，等.強(qiáng)抑制、抗高溫防塌鉆井液在董8井中的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2015，37(4)：45-49.

[8] 程玉生，羅鳴，胡文軍，等.鶯瓊盆地高溫高壓井水基鉆井液技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2015，37(5)：37-40.

[9] 馬芳俠，李耀華，葛云錦，等.鄂爾多斯盆地延長組致密油有效烴源巖評價(jià)[J].特種油氣藏，2017，24(5)：37-41.

[10] 馬天壽，陳平.頁巖層理對水平井井壁穩(wěn)定的影響[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，36(5)：97-104.

[11] 王禹諾，曹青，劉寶憲，等.鄂爾多斯盆地西南部致密砂巖氣成藏主控因素[J].特種油氣藏，2016，23(4)：81-84.

[12] 徐四龍，余維初，張穎.泥頁巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)與化學(xué)耦合(協(xié)同)作用研究進(jìn)展[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2014，36(1)：151-153.

[13] 馮子齊，于炳松，曾秋楠，等.鄂爾多斯東南部頁巖氣儲(chǔ)層特征及其主控因素[J].特種油氣藏，2013，20(6)：40-43.

[14] 翁凱，李鑫，李榮西，等.鄂爾多斯盆地東南部上古生界烴源巖評價(jià)及有利區(qū)預(yù)測[J].特種油氣藏，2012，19(5)：21-25.

[15] 梁大川，羅平亞，劉向君，等.鉆井液處理劑及體系對泥頁巖坍塌壓力的影響研究[J].鉆采工藝，2011，34(2)：83-85.

[16] 劉書杰，李相方，周建良，等.適于西非深水油田的水基鉆井液室內(nèi)評價(jià)[J].石油鉆采工藝，2015，37(1)：76-79.

[17] 盧運(yùn)虎，陳勉，袁建波，等.各向異性地層中斜井井壁失穩(wěn)機(jī)理[J].石油學(xué)報(bào)，2013，34(3)：563-568.

[18] 王倩，王剛，蔣宏偉，等.泥頁巖井壁穩(wěn)定耦合研究[J].斷塊油氣田，2012，19(4)：517-521.

[19] 王倩，周英操，唐玉林，等.泥頁巖井壁穩(wěn)定影響因素分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(1)：171-179.

[20] 王居峰，郭彥如，張延玲，等.鄂爾多斯盆地三疊系延長組層序地層格架與沉積相構(gòu)成[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2009，23(5)：803-808.

[21] 姚素平，張科，胡文瑄，等.鄂爾多斯盆地三疊系延長組沉積有機(jī)相[J].石油與天然氣地質(zhì)，2009，30(1)：74-84.

[22] 陳五泉，陳鳳陵.鄂爾多斯盆地渭北地區(qū)延長組沉積特征及石油勘探方向[J].石油地質(zhì)與工程，2008，22(4)：10-13.

[23] 王峰.鄂爾多斯盆地三疊系延長組沉積、層序演化及巖性油藏特征研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2007.

[24] 王冕冕，郭肖，曹鵬，等.影響頁巖氣開發(fā)因素及勘探開發(fā)技術(shù)展望[J].特種油氣藏，2010，17(6)：12-17.

[25] 李松，康毅力，李大奇，等.裂縫性地層H-B流型鉆井液漏失流動(dòng)模型及實(shí)驗(yàn)?zāi)M[J].石油鉆采工藝，2015，37(6)：57-62.

[26] 崔云海，劉厚彬，楊海平，等.焦石壩頁巖氣儲(chǔ)層水平井井壁失穩(wěn)機(jī)理[J].石油鉆采工藝，2016，38(5)：545-552.

[27] 徐建永，武愛俊.頁巖氣發(fā)展現(xiàn)狀及勘探前景[J].特種油氣藏，2010，17(5)：1-7.

[28] 張慧元，李文厚，張慧軍，等.鄂爾多斯盆地華池地區(qū)三疊系延長組長4+5油層組沉積相研究[J].特種油氣藏，2010，17(2)：27-30.

[29] 韓繼超，王夕賓，孫致學(xué)，等.利用多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)模擬河流相沉積微相[J].特種油氣藏，2011，18(6)：48-51.

[30] 張磊，龔福華，任瑞清，等.鄂爾多斯盆地胡尖山-王洼子地區(qū)長4+5儲(chǔ)層成巖作用及成巖相研究[J].特種油氣藏，2009，16(5)：40-43.