泥頁(yè)巖層井壁穩(wěn)定問(wèn)題與鉆井液體系的優(yōu)化
——以伊拉克格拉芙油田為例

高 鵬

(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探鉆井液公司， 北京 100101)

伊拉克格拉芙油田位于伊拉克南部的Dhiqar省，油區(qū)為西北及東南走向，長(zhǎng)31 km，寬10 km，構(gòu)造上處于美索不達(dá)米亞盆地構(gòu)造，儲(chǔ)層Mishrif垂深在2 350～2 425 m，含微量硫化氫。格拉芙油田開(kāi)發(fā)初期，由于缺乏地質(zhì)資料及施工經(jīng)驗(yàn)，超過(guò)45°的定向井經(jīng)常出現(xiàn)井壁坍塌引起的劃眼、卡鉆等井下復(fù)雜情況。為了解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題，針對(duì)該油田的地層巖性特點(diǎn)，分析影響井壁穩(wěn)定的因素，研究配制強(qiáng)抑制防塌鉆井液?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，配制的強(qiáng)抑制防塌鉆井液具有較強(qiáng)的抗鹽和抗污染性能，有效提高了井壁的穩(wěn)定性。

1 油田開(kāi)發(fā)中面臨的地質(zhì)問(wèn)題

格拉芙油田開(kāi)發(fā)目的層為中下白堊統(tǒng)的Mishrif油層、Zubair油層和Yamama油層，油藏埋深2 600～3 100 m，原油性質(zhì)為中質(zhì)原油，地層水為CaCl2型，整體上為一個(gè)以孔隙型為主、局部發(fā)育縫洞的碳酸鹽巖油藏。格拉芙油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

(1) 石膏層井壁不穩(wěn)定。在上三系L-Fars、Bajawan、Tarjil地層上部，存在大段泥巖與石膏、硬石膏不等厚互層，在沉積過(guò)程中受高溫高壓作用，易發(fā)生脫水反應(yīng)。井眼鉆開(kāi)后，硬石膏吸水膨脹和分散，容易導(dǎo)致井眼縮徑。

(2) 裂縫灰?guī)r地層存在井漏風(fēng)險(xiǎn)。二開(kāi)Dammam地層裂縫性石灰?guī)r發(fā)育，容易誘發(fā)鉆井液循環(huán)漏失；三開(kāi)Mishrif含油儲(chǔ)層存在原始天然裂縫，且主力儲(chǔ)層段中孔高滲，滲透性極強(qiáng)；石灰?guī)r、白云巖地層存在原始天然裂縫和孔洞。因此，該井段的鉆井存在較大的漏失風(fēng)險(xiǎn)，容易導(dǎo)致井塌。

(3) 泥頁(yè)巖層易坍塌。三開(kāi)上部石灰?guī)r和頁(yè)巖互層壓實(shí)程度低，易剝落掉塊，形成大肚子井眼。Mishrif地層的2 000 — 2 600 m井段，頁(yè)巖含量在80%以上。頁(yè)巖地層微裂縫發(fā)育，易掉塊，反復(fù)倒劃眼，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大。

(4) 水平井造斜及方位扭轉(zhuǎn)段易形成巖屑床。在該區(qū)塊上的井大多數(shù)為三開(kāi)定向井(井斜角45°左右)或水平井。水平井215.9 mm井眼水平段 850 m左右，裸眼段井壁托壓影響井眼軌跡控制和鉆井效率。大斜度井段容易形成巖屑床，S型井和 J型井對(duì)潤(rùn)滑性要求極高，需要克服摩阻大和扭矩高等問(wèn)題。

2 井壁失穩(wěn)的原因分析

井壁穩(wěn)定問(wèn)題是格拉芙油田鉆井施工中的難點(diǎn)問(wèn)題，曾經(jīng)多次出現(xiàn)井壁失穩(wěn)引起的坍塌、縮徑、掛卡現(xiàn)象。縮徑現(xiàn)象常發(fā)生在具有蠕變性的鹽膏巖地層或具有塑性和流變性的灰?guī)r地層，而井壁失穩(wěn)大多表現(xiàn)為井壁坍塌或掉塊，井壁破裂也往往出現(xiàn)在裂縫或膠結(jié)差的地層，甚至無(wú)膠結(jié)物的易碎性巖層中[1]。該油田已完井20口，根據(jù)完井的井徑圖統(tǒng)計(jì)，井眼擴(kuò)大超過(guò)10%以上的井段，絕大多數(shù)發(fā)生在三開(kāi)的1214″井眼垂深2 000 — 2 600 m定向或水平段(見(jiàn)表1)。該段地層為T(mén)anuma、Mishrif地層，以大段泥頁(yè)巖為主(泥頁(yè)巖含量在90%以上)。泥頁(yè)巖易剝落掉塊，分散性強(qiáng)。鉆井液濾液浸入微裂縫，對(duì)巖層進(jìn)行網(wǎng)格分割，降低了巖性整體強(qiáng)度，于是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，出現(xiàn)井垮、卡鉆等一系列復(fù)雜情況。例如：Ga-F23井在短起上提過(guò)程中，井下發(fā)生垮塌、憋泵、卡鉆，后開(kāi)泵成功，反復(fù)上提解卡；Ga-E24井在完鉆起鉆過(guò)程中，在Mishrif儲(chǔ)層發(fā)生壓差卡鉆，最后泡酸解卡。

表1 格拉芙油田施工井的復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)

巖樣分析發(fā)現(xiàn)，在Mishrif地層中，石英石含量為27.2%，鉀長(zhǎng)石含量為2.0%，斜長(zhǎng)石含量為7.0%，方解石含量為5.9%，白云石含量為9.2%，菱鐵礦含量為0.8%，硬石膏含量為2.3%，輝石含量為3.8%，而黏土礦物含量為41.8%。在黏土礦物的質(zhì)量占比中，伊利石占10.0%，高嶺石占3.0%，綠泥石占4.0%，伊蒙混層礦物占83.0%。黏土礦物尤其是伊蒙混層易于膨脹和水化，當(dāng)其水化和膨脹時(shí)體積增大，就會(huì)改變地層初始?jí)毫?，從而造成井眼力學(xué)失穩(wěn)。

裂縫漏失也是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的原因之一。塌漏同層是該區(qū)塊二開(kāi)施工中的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。格拉芙油田的漏失井段多為微孔隙白云巖和灰?guī)r地層，巖性為淺黃-灰白色白云巖和泥灰?guī)r，巖性較脆且強(qiáng)度很低；石灰?guī)r孔洞發(fā)育，巖樣為蜂窩狀；地層存在不整合面，發(fā)育有較大裂隙，連通性好，地層壓實(shí)程度極差，承壓能力弱，易發(fā)生孔洞性、無(wú)規(guī)律裂縫性失返漏失[2-3]。例如：Ga-C42P井鉆進(jìn)至1 184 m時(shí)發(fā)生井漏，直到2 087 m二開(kāi)結(jié)束，平均漏速為4～5 m3h，最大漏速為11～13 m3h，共漏失鉆井液990 m3；Ga-C43P井鉆進(jìn)至853 m時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)輕微井漏，鉆進(jìn)至1 075 m時(shí)井漏漏速增大至4 m3h，直到1 300 m靜止堵漏，共漏失鉆井液194 m3。

強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系適合用于含鹽和含鹽膏地層鉆井，它將胺基類抑制劑、乳液大分子包被劑、封堵類降失水劑處理劑(抗溫抗鹽)、抗研磨潤(rùn)滑劑等的技術(shù)優(yōu)勢(shì)整合為一體，構(gòu)筑了維持井壁穩(wěn)定的兩道防線。加入聚合醇、Asphalt等封堵性材料，改善鉆井液的泥餅質(zhì)量，強(qiáng)化封堵地層微裂縫。乳液大分子材料的抑制包被作用，胺基類材料的抑制作用，有效匹配的降濾失與造壁作用，使該體系具有較強(qiáng)的抗鹽、鈣污染能力與抗溫能力[4-7]。

3 鉆井液體系選擇

3.1 抑制劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)的基漿體系中，分別加入單一種類的抑制劑與兩種抑制劑復(fù)配，老化溫度為80 ℃，實(shí)驗(yàn)比較巖屑回收率效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，加入兩種抑制劑復(fù)配，巖屑回收率和膨脹率都明顯好于加入單一種類抑制劑時(shí)的效果(見(jiàn)表2)。因此，鉆井液升級(jí)體系中加入15%NaCl和1.0% Clay-trol，提高體系抑制性。

3.2 封堵性能測(cè)試

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了現(xiàn)場(chǎng)體系和升級(jí)體系的封堵性。使用鉆井液封堵測(cè)試儀，采用孔隙直徑5 μm、滲透率750 mD(即0.74 μm2)的進(jìn)口陶瓷盤(pán)模擬地層孔縫和孔滲率。升級(jí)體系中添加 1.0%Polycol和0.8%GWIN-AMAC復(fù)配。對(duì)兩套配方的鉆井液進(jìn)行封堵性能對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，升級(jí)體系的封堵性能明顯提升，瞬時(shí)濾失由3.9 mL降至3.1 mL(見(jiàn)圖1)。

表2 巖屑回收率和膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 封堵性能測(cè)試結(jié)果

3.3 抗石膏侵評(píng)價(jià)

在升級(jí)體系中，分別加入0.5%、1.0%、2.0%的石膏，進(jìn)行抗石膏實(shí)驗(yàn)。從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，加入不同比例的石膏后，鉆井液的黏度、切力、失水及流變性能等變化不大(見(jiàn)表3)，變動(dòng)幅度在可控范圍內(nèi)，表明該鉆井液體系能夠抗住石膏侵。

表3 石膏對(duì)鉆井液性能的影響

在升級(jí)體系中，分別加入5.0%、10.0%的2 000～2 300 m井段的烘干巖屑，進(jìn)行抗巖屑侵實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4)表明，加入巖屑后，基漿體系的黏度和切力有所上升，但增幅較小，總體性能基本穩(wěn)定，說(shuō)明該基漿體系抗巖屑污染的能力較強(qiáng)。

表4 巖屑對(duì)鉆井液性能的影響

4 在Ga-F27P井的應(yīng)用效果

4.1 Ga-F27P井的井深結(jié)構(gòu)

Ga-F27P井為格拉芙油田鉆井施工難度最大的一口三維水平井，設(shè)計(jì)井深3 779 m，完鉆井深 3 780 m，水平段長(zhǎng)835 m，最大井斜90.52°，扭轉(zhuǎn)方位94.7°，完鉆中心距0.78 m。該井設(shè)計(jì)井斜大，完鉆井斜深，并存在大角度方位扭轉(zhuǎn)。施工過(guò)程中，面臨高扭矩、高摩阻、頁(yè)巖縮徑垮塌、油層段壓差卡鉆以及高滲透率造成粘附卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)。該井在二開(kāi)、三開(kāi)時(shí)應(yīng)用強(qiáng)抑制防塌鉆井液升級(jí)體系施工，在定向段和水平段施工情況平穩(wěn)。Ga-F27P井的井深結(jié)構(gòu)見(jiàn)表5。

表5 Ga-F27P井的井深結(jié)構(gòu)

4.2 鉆井液配方

一開(kāi)配方：井水、0.8%的Na2CO3、0.2%的NaOH、1%的PAC-LV。

二開(kāi)配方：2%～3%的Bentonite、0.1%～0.2%的NaOH、0.5%～1.0%的PAC-LV、2%的SMP、2%的SPNH、0.5%～0.8%的K-inhib。

三開(kāi)配方：井漿、0.1%～0.2%的NaOH、10%～15%的NaCl、0.5%～1.0%的PAC-LV、2.5%的SMP、1%～2%的Polycol-1、0.5%～1.0%的Clay-Trol、1%～3%的RH-3、0.2%～0.3%的K-inhib、0.5%～0.8%的GWIN-AMAC。

四開(kāi)配方：井漿、0.1%～0.2%的NaOH、0.5%～1.0%的PAC-LV、2.5%的SMP、1%～2%的Polycol-1、0.5%～1.0%的Clay-trol、4%～7%的RH-3、0.2%～0.3%的K-inhib、0.5%～0.8%的GWIN-AMAC。

4.3 鉆井液的流動(dòng)性

大斜度井、水平井的防卡及井眼凈化，是三維水平井鉆井施工的難點(diǎn)之一。井斜大于45°后，不僅要求鉆井液具有良好的流變性能，對(duì)切力、觸變性能和井眼清潔的要求也更高。大斜度段(特別是在45°～70°)及水平段(90°)，易形成巖屑床。Ga-F27P井全井鉆井液漏斗黏度始終保持在40～45 s，密度保持在1.15～1.25 gcm3，平衡地層壓力；塑性黏度在17～22 mPa·s，動(dòng)切力在16～20 Pa，10 s初切5～7 Pa，10 min終切8～11 Pa；API濾失量處于3.5～4.5 mL，MBT含量8～15 gL。鉆井液流變性良好，鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定，鉆后的井眼規(guī)則，整口井定向段和水平段施工順利。

從鉆井液的冪率參數(shù)來(lái)看，動(dòng)塑比越大，流型指數(shù)n值越小，鉆井液的剪切稀釋性越強(qiáng)，攜巖的性能好，有利于提高機(jī)械鉆速，有效降低鉆井功耗。稠度系數(shù)(K)反映鉆井液的稀稠程度，其值不高，基本上在可控制范圍。

二開(kāi)從710 m開(kāi)始造斜，造斜到1 272 m左右結(jié)束，最大井斜37.32°。之后進(jìn)入穩(wěn)斜段，直至二開(kāi)結(jié)束，裸眼段長(zhǎng)度為1 139 m。為提高鉆井速度，充分發(fā)揮鉆頭水馬力的效能，加強(qiáng)四級(jí)固控設(shè)備的使用，盡量使用大目數(shù)的振動(dòng)篩篩布。三開(kāi)裸眼段為1 126 m，為保證斜井段的潤(rùn)滑性，混入4%～6%的RH-3，來(lái)提高鉆井液的潤(rùn)滑效果，并輔以固體潤(rùn)滑劑，降低扭矩和摩阻。針對(duì)斜井段、水平段巖屑床問(wèn)題，運(yùn)用清潔指數(shù)及流型計(jì)算等方法，評(píng)估鉆井液的懸浮攜帶能力，通過(guò)“稠塞”“稀塞”相配合，實(shí)現(xiàn)層流、紊流交替洗井，來(lái)解決攜巖問(wèn)題。四開(kāi)水平段長(zhǎng)度為835 m，水平段鉆進(jìn)時(shí)，提高潤(rùn)滑劑的含量至8%左右，起鉆短起均無(wú)超拉現(xiàn)象，電測(cè)和篩管下入均順利。

4.4 井壁穩(wěn)定性

鉆遇鹽膏、石灰?guī)r地層時(shí)，通過(guò)調(diào)整鉆井液密度，抑制鹽膏巖層和泥巖的塑性蠕變；同時(shí)，保持適宜的含鹽量(8%～15%)。三開(kāi)井段，采用氯化鈉作為加重材料，氯根最高含量達(dá)120 000 mgL。工程上采取“一長(zhǎng)一短”方式，做好井壁規(guī)則工作，防止鹽膏層縮徑卡鉆。鉆遇石灰?guī)r時(shí)，在鉆井液中加入2.5%的SMP-1、0.5%～1.0%的Clay-trol，輔以1%～2%的Polycol，降低流體侵入量，以預(yù)防壓差卡鉆。

鉆遇泥頁(yè)巖地層時(shí)，加足量大分子GWIN-AMAC，輔以RH-3和2%～3%的Asphalt、1%～2%的Polycol，擠入頁(yè)巖孔隙、裂縫和層理，以降低頁(yè)巖地層滲透率，控制和延緩孔隙壓力的擴(kuò)散。三開(kāi)灰?guī)r地層的地層壓力系數(shù)為1.20 gcm3，對(duì)上部200 m的頁(yè)巖地層，使用1.25～1.28 gcm3的密度來(lái)平衡，劃眼次數(shù)大大減少。

后期應(yīng)用強(qiáng)抑制防塌鉆井液施工的三維水平井Ga-F27P，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，未出現(xiàn)任何井下復(fù)雜情況(見(jiàn)圖2、圖3)。

4.5 隨鉆防漏和堵漏

在鉆進(jìn)至漏失層位之前，提前加入超細(xì)鈣，適當(dāng)增加固相含量。發(fā)現(xiàn)漏失量較大時(shí)，及時(shí)進(jìn)行降低排量鉆進(jìn)，加入堵漏劑，隨鉆堵漏，避免漏失擴(kuò)大。在漏層鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速控制在10 mh以下，防止環(huán)空巖屑含量過(guò)高。如果漏失量大于10 m3，則專門(mén)配置堵漏漿(復(fù)合堵漏劑+細(xì)果殼+土粉+生物聚合物+超細(xì)碳酸鈣)，進(jìn)行靜止堵漏；同時(shí)保持合適的鉆井液密度(設(shè)計(jì)密度1.15～1.20 gcm3)。在施工完畢的Ga-C42P井，二開(kāi)完鉆井深2 087 m，完鉆密度1.12 gcm3，起下鉆過(guò)程正常。這說(shuō)明，二開(kāi)泥漿密度執(zhí)行設(shè)計(jì)下限是可行的。

5 結(jié) 語(yǔ)

伊拉克格拉芙區(qū)塊Mishrif地層，礦物組成中伊蒙混層礦物含量較高，易膨脹和水化，從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。通過(guò)優(yōu)選抑制劑，配制強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系，綜合運(yùn)用化學(xué)抑制、物理封堵及合理控制鹽度等手段，較好地克服了水敏性頁(yè)巖層、鹽膏層、石灰?guī)r地層的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。鉆井施工中，阻卡劃眼現(xiàn)象得到有效控制。在該區(qū)塊難度最大的三維水平井Ga-F27P井的鉆進(jìn)過(guò)程中，運(yùn)用強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系后，流變性穩(wěn)定，井眼規(guī)則度好，井下未出現(xiàn)復(fù)雜情況。

圖2 初期施工的Ga-F24P井的井徑圖(最大井斜57.14°)

圖3 后期施工的Ga-F27P井的井徑圖(最大井斜90.52°)

強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系具有低黏度、低密度、低固相、低失水量和高動(dòng)切力等特性，具有良好的抗鹽、抗污染能力，在造斜段和水平段表現(xiàn)出良好的封堵能力和抑制能力，完全可以滿足伊拉克格拉芙油田鉆井的需要。