硅酸鹽鉆井液降低易失穩(wěn)地層鉆井液密度可行性分析

田波，周姍姍，王堂青，田崢

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518000；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州434000）

近年來在珠江口盆地海區(qū)古近系地層已陸續(xù)取得油氣發(fā)現(xiàn)，部分油田也已開始動(dòng)用深部油藏并取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。然而，在古近系地層鉆井過程中面臨著諸多困難：如井眼易出現(xiàn)垮塌、縮徑等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象、電測(cè)卡電纜、倒劃眼困難、起下鉆次數(shù)較多、因地層可鉆性較差導(dǎo)致ROP較低等。截至目前，已開發(fā)井鉆井作業(yè)中，頻繁出現(xiàn)垮塌、縮徑等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。古近系地層采用較低密度鉆進(jìn)時(shí)，多口井出現(xiàn)垮塌、擴(kuò)徑等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，而采用較高密度鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中雖沒有發(fā)生井壁失穩(wěn)問題，但在測(cè)井時(shí)發(fā)生卡電纜事故?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明，針對(duì)古近系地層井壁失穩(wěn)問題單純靠提高鉆井液密度很難解決，同時(shí)提高鉆井液密度會(huì)引發(fā)卡鉆、鉆速降低，增加作業(yè)成本等問題。密度是平衡地層壓力的關(guān)鍵所在，密度過低就會(huì)導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，密度略高，又會(huì)增大測(cè)井期間壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)突出的矛盾在古近系尤為明顯，如何使用較低的鉆井液密度順利鉆穿古近系地層顯得尤為重要?；谔岣邘r石內(nèi)聚力，增強(qiáng)巖石強(qiáng)度，降低地層坍塌壓力，從而使平衡液柱壓力所需鉆井液密度降低這一理論進(jìn)行研究，分析古近系地層井壁失穩(wěn)機(jī)理，通過現(xiàn)場(chǎng)巖石分析，得出巖石內(nèi)聚力與密度的關(guān)系。優(yōu)化硅酸鹽鉆井液體系，解決硅酸鹽鉆井液流變和濾失性能難以控制問題，并通過巖石浸泡實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后硅酸鹽水基防塌鉆井液對(duì)巖石內(nèi)聚力及抗壓強(qiáng)度效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 古近系地層井壁垮塌機(jī)理分析

古近系地層鉆探多口井中，多次出現(xiàn)返出掉塊尺寸增大，增多，井眼擴(kuò)大，垮塌及起下鉆遇阻等井壁失穩(wěn)問題。室內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)返出掉塊進(jìn)行了黏土礦物分析及清水滾動(dòng)回收率及膨脹率實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合掃描電鏡（SEM）從微觀上觀察返出掉塊，確定井壁垮塌原因。由表1可以看出，掉塊黏土礦物含量均在60%以上，最高達(dá)71.2%，以伊蒙混層為主。現(xiàn)場(chǎng)掉塊的清水滾動(dòng)回收率最高達(dá)到71.9%，最低也達(dá)到了55.7%，見表2。表明掉塊的水化分散性較差，黏土礦物水化分散不是古近系地層井壁失穩(wěn)的主要原因。取不同深度的現(xiàn)場(chǎng)掉塊磨成粒徑0.154mm的細(xì)粉末，取10 g，在13.8mPa下壓10min成餅，分別用清水浸泡16 h，用膨脹量測(cè)試儀測(cè)試表明，膨脹量均在14.1%以下，見表2。實(shí)驗(yàn)表明掉塊水化膨脹能力較弱，黏土礦物的水化膨脹也不是古近系地層井壁失穩(wěn)的主要原因。

表1 現(xiàn)場(chǎng)掉塊礦物含量分析

表2 現(xiàn)場(chǎng)掉塊在清水中的滾動(dòng)回收率及膨脹率

由圖1現(xiàn)場(chǎng)掉塊的SEM分析可以看出，放大5000倍后，圖片左下角有很多微裂縫。部分微裂縫在地下應(yīng)力作用下發(fā)生閉合，但在鉆井過程中，鉆井液中液體沿著微裂縫滲入，弱化巖石力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)引起井壁周圍地層中的黏土礦物發(fā)生水化，從而導(dǎo)致井壁坍塌。由此判斷，古近系地層由于微裂縫發(fā)育，導(dǎo)致在鉆井過程中多次發(fā)生垮塌。結(jié)合提高鉆井液密度導(dǎo)致壓差卡鉆、ROP低等問題，要解決古近系地層井壁失穩(wěn)問題，需要封堵微裂縫，減少濾液侵入，同時(shí)增強(qiáng)地層巖石強(qiáng)度，保證較低鉆井液密度條件下快速順利鉆進(jìn)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)掉塊的SEM圖（×5000）

2 降密度可能性分析

2.1 鉆井液密度及巖石內(nèi)聚力關(guān)系

降低地層坍塌壓力就可以降低鉆井所需的鉆井液密度，對(duì)于井壁坍塌壓力計(jì)算，主要是井壁應(yīng)力的分析，其次是描述剪切破壞準(zhǔn)則的選擇[1-2]。目前在解析計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的是Mohr-Coulomb強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則[2]。由公式（1）可知，巖石內(nèi)聚力越大，剪應(yīng)力越大，巖石越不容易被破壞，即增加巖石內(nèi)聚力可有效增強(qiáng)巖石強(qiáng)度。

式中，τ為剪應(yīng)力；φ為巖石內(nèi)摩擦角，（°）；C為巖石內(nèi)聚力，MPa；σ為正應(yīng)力。

室內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)參數(shù)單井剖面圖，得出古近系地層巖石內(nèi)聚力與坍塌壓力當(dāng)量密度的關(guān)系，見圖2。在保持井徑擴(kuò)大率小于15%且穩(wěn)定10 d的情況下，對(duì)鉆井液密度及井壁圍巖強(qiáng)度要求為，當(dāng)鉆井液密度為1.3g/cm3時(shí)，內(nèi)聚力不小于7.2mPa；當(dāng)鉆井液密度降低至1.25g/cm3時(shí)，內(nèi)聚力不小于8.7mPa。巖石內(nèi)聚力越大，井壁坍塌壓力越小，安全鉆井所需鉆井液密度越小，具體數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 坍塌壓力當(dāng)量密度及巖石內(nèi)聚力關(guān)系圖

2.2 硅酸鹽對(duì)巖石強(qiáng)度影響評(píng)價(jià)

針對(duì)古近系地層多裂縫的特點(diǎn)，硅酸鹽鉆井液在流入地層的過程中，pH值逐漸降低，形成凝膠，起到有效封堵裂縫，并阻止濾液進(jìn)一步侵入地層的作用，同時(shí)和微小孔喉內(nèi)的鈣鎂離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，進(jìn)一步提高封堵，阻止濾液的侵入，在地層高溫條件下，硅酸鹽與地層中黏土礦物發(fā)生反應(yīng)，將本來已經(jīng)封堵的地層固封成一個(gè)整體，增強(qiáng)地層巖石強(qiáng)度，從而降低地層坍塌壓力[3-12]。

為了評(píng)價(jià)硅酸鹽對(duì)巖石內(nèi)聚力及抗壓強(qiáng)度的影響，在130℃、4mPa下采用不同抑制劑浸泡巖心72 h后，采用RTR-1000三軸巖石強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定，結(jié)果見圖3、圖4和表3。

圖3 不同單劑浸泡72 h后巖石的抗壓強(qiáng)度

圖4 不同單劑浸泡72 h后巖石的內(nèi)聚力

表3 不同硅酸鉀濃度對(duì)巖石承壓強(qiáng)度及內(nèi)聚力影響

由圖3和圖4可以看出，3%硅酸鉀溶液浸泡72 h后，巖石在圍壓為40mPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了176mPa，內(nèi)聚力達(dá)到了16mPa，明顯優(yōu)于聚胺和KCl的效果，是清水的2.3倍。從表3可以看出，隨著硅酸鉀濃度不斷增大，浸泡后巖石強(qiáng)度不斷增大，內(nèi)聚力也不斷增大。

3 硅酸鹽鉆井液體系優(yōu)化及評(píng)價(jià)

硅酸鹽鉆井液流變性和濾失量控制一直是制約硅酸鹽鉆井液發(fā)展的主要問題。鉆井過程中，當(dāng)硅酸鹽鉆井液固相含量從30%增加到45%時(shí)，其黏度迅速增加[5]。要解決硅酸鹽鉆井液流變性問題，在應(yīng)用過程中，應(yīng)始終保持pH值在11以上，但pH大于11，又會(huì)導(dǎo)致常用降濾失劑斷鏈?zhǔn)?。室?nèi)從硅酸鹽鉆井液pH值控制和降濾失劑篩選入手，構(gòu)建硅酸鹽鉆井液體系。

3.1 硅酸鹽鉆井液體系配方及性能

室內(nèi)優(yōu)選出硅酸鹽鉆井液體系配方：淡水+ 0.3%NaOH+0.3%PAC-LV+0.1%XC+2.5%封堵劑+ 2.5%降濾失劑1+2%降濾失劑2+3%硅酸鉀+3%流變穩(wěn)定劑+重晶石配方中采用淡水取代常規(guī)硅酸鹽鉆井液所用膨潤土漿，以減少硅酸根離子在黏土顆粒上的吸附，保證鉆井液中硅酸鹽含量及效果。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同樣pH值及模數(shù)條件下，硅酸鈉比硅酸鉀更易形成凝膠，即硅酸鈉更易造成鉆井液增稠，所以采用硅酸鉀；目前用在硅酸鹽鉆井液中的降濾失劑大多存在增黏現(xiàn)象，室內(nèi)篩選出滾后不增黏淀粉作為降濾失劑1；硅酸鹽鉆井液流變難以控制，主要受體系中硅酸鹽隨體系pH變化狀態(tài)發(fā)生變化導(dǎo)致，研制的流變穩(wěn)定劑可保持在一定固相及液相侵入后，體系pH值穩(wěn)定在11至12之間，保證硅酸鹽鉆井液流變的穩(wěn)定性，見表4。

3.2 巖心浸泡實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試硅酸鹽鉆井液對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，室內(nèi)用優(yōu)選的硅酸鹽鉆井液體系與前期古近系地層所用PLUS-KCl體系、油基鉆井液體系做巖石浸泡實(shí)驗(yàn)，并采用RTR-1000三軸巖石強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，見圖5。

圖5 不同鉆井液體系浸泡后對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響

從圖5可以看出，硅酸鹽鉆井液體系浸泡后，在圍壓為40mPa時(shí)，巖石抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到179mPa，內(nèi)聚力可達(dá)到11.7mPa，其內(nèi)聚力優(yōu)于PLUS-KCl體系的6.3mPa，完全可以滿足古近系地層鉆井需求；同等條件下油基鉆井液抗壓強(qiáng)度也僅為153mPa，內(nèi)聚力為7.9mPa，略差于硅酸鹽鉆井液。分析認(rèn)為油基鉆井液因其優(yōu)異的抑制性能，可以保證巖石基本不水化，但硅酸鹽鉆井液優(yōu)異的封堵抑制性能不僅能抑制巖石水化，同時(shí)可與黏土礦物發(fā)生反應(yīng)，固封巖石，增強(qiáng)巖石強(qiáng)度。

3.3 SEM實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)使用掃描電鏡觀察浸泡前后巖石的微觀狀態(tài)，從微觀上解釋硅酸鹽浸泡對(duì)巖石強(qiáng)度影響的原因。從圖6可以看出，巖石浸泡前，巖石最大孔隙為1.57 μm，而用清水在90℃下浸泡后，增大到4.74 μm，增大了3倍；而用3%硅酸鉀浸泡后，巖石表面孔隙被填充，整個(gè)巖石膠結(jié)在一起。分析認(rèn)為是硅酸鹽的硅醇基與黏土礦物的鋁醇基發(fā)生縮合反應(yīng)，將黏土等礦物顆粒結(jié)合成牢固的整體，起到固化井壁的作用，從微觀上解釋了用硅酸鹽及硅酸鹽鉆井液浸泡巖石后，巖石抗壓強(qiáng)度及內(nèi)聚力增大的原因。

圖6 巖石的微觀狀態(tài)

4 結(jié)論

1.通過巖石浸泡實(shí)驗(yàn)及三軸壓力計(jì)算，表明硅酸鹽鉆井液可增強(qiáng)巖石內(nèi)聚力及巖石強(qiáng)度，降低地層坍塌壓力，從而可降低相應(yīng)鉆井液密度，所以在古近系地層用硅酸鹽降低鉆井液密度是可行的。

2．對(duì)于古近系易發(fā)生井壁失穩(wěn)的地層，僅從提高鉆井液密度方面解決是不能解決的，需要和增強(qiáng)巖石強(qiáng)度結(jié)合進(jìn)行，掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，從微觀上解釋了硅酸鹽鉆井液增強(qiáng)巖石內(nèi)聚力及抗壓強(qiáng)度。

3．pH值是影響硅酸鹽鉆井液流變的關(guān)鍵因素，在實(shí)際使用過程中，應(yīng)始終保持體系pH值大于11。