優(yōu)選鉆井液對F區(qū)塊井壁穩(wěn)定性影響

劉向君 高士根 梁利喜

摘 要：對該區(qū)塊巖石礦物組分分析，通過巖石三軸力學(xué)實驗，對原巖和用現(xiàn)場以及優(yōu)化后的鉆井液浸泡巖心的力學(xué)性質(zhì)變化。研究不同鉆井液對F區(qū)塊坍塌壓力的影響，分析地層坍塌壓力變化并對該區(qū)塊進行穩(wěn)定性分析，為優(yōu)化鉆井液提供選擇。研究表明粘土礦物以伊利石，伊蒙混層為主，水基鉆井液與巖石相互作用，導(dǎo)致泥巖地層強度降低，坍塌壓力增大，層理微裂縫，微裂隙發(fā)育。水相沿裂縫或裂紋侵入地層，一方面降低弱結(jié)構(gòu)面的摩擦力，另一方面侵入的液相將產(chǎn)生水力尖劈作用，導(dǎo)致地層破碎，誘發(fā)井壁失穩(wěn)。有必要對鉆井液進行優(yōu)化，為安全施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：坍塌壓力;鉆井液;井壁穩(wěn)定;力學(xué)性質(zhì)

0 引言

本研究目標地層為三疊系延長組地層。通過現(xiàn)場取芯發(fā)現(xiàn)，長8儲層主要為頁巖，砂巖，砂頁互層。長8儲層的砂頁互層比較發(fā)育。在砂頁互層接觸的地方，基本都有一個膠結(jié)的問題，容易形成斷面的裂縫，弱化原巖的力學(xué)性質(zhì)。在鉆井過程中，為鉆井液的進入提供了通道。鉆井液濾液進入砂頁互層，容易引起斷面的斷裂，加劇地層巖石的破碎，降低巖石的力學(xué)強度，造成井壁失穩(wěn)。重點從鉆井液對巖石強度的影響角度考慮。

1 工區(qū)地層物性特征

F區(qū)塊的長8儲層的頁巖孔隙度分布在04%-43%之間，平均為139%。長8頁巖儲層的滲透率從000121-00812mD不等，平均為00175mD。長8砂頁互層的孔隙度分布在06%-44%之間，平均為258%。長8砂巖儲層的孔隙度分布在23%-69%之間，平均為43%。長8頁巖的粘土礦物含量達340%，石英含量也達到了231%。長8砂巖的粘土礦物含量為190%，石英為212%，斜長石含量為404%。

通過掃描電鏡的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頁巖的黏土礦物呈順序排列，頁巖的微裂縫較為發(fā)育，而砂巖中可以發(fā)現(xiàn)明顯的孔洞。從裂縫的開度來看，頁巖的微裂縫較小，而砂巖的微裂縫較大，甚至有肉眼可見的mm級裂縫。砂巖中含有大量的伊利石，并賦存在孔洞周圍?？锥词橇黧w在巖心中的主要通道，黏土礦物賦存于孔洞周圍容易與水接觸，產(chǎn)生水化，造成井壁失穩(wěn)及儲層損害。

2 原巖強度特性

本實驗巖心取自砂頁互層段，通過三軸壓縮實驗獲得巖石抗壓力學(xué)參數(shù)，進而可以綜合分析巖石的力學(xué)特性。得到圍壓分別為00，150，300MPa下的彈性模量，泊松比以及抗壓強度。

由結(jié)果可知：延長組砂頁互層地層非常致密，在單軸和不同圍壓下，應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎呈線性增加，當(dāng)軸向壓力達到峰值強度時，迅速發(fā)生脆性破裂。單軸巖樣均呈現(xiàn)張性劈裂破壞。圍壓為150MPa和300MPa時以剪切破壞為主。

3 不同鉆井液浸泡對巖石力學(xué)特性的影響

通過三軸實驗，研究不同鉆井液浸泡對巖石抗壓強度及力學(xué)參數(shù)影響。通過使用現(xiàn)場鉆井液以及優(yōu)化后的體系一，體系二鉆井液對巖心進行24h和48h的浸泡實驗，浸泡溫度為80℃，浸泡環(huán)境壓力為30MPa。

3.1 不同鉆井液浸泡實驗

通過對鉆井液的抑制劑，潤滑劑，降濾失劑等處理劑的篩選，優(yōu)化出體系1和體系2兩套具有較好效果的鉆井液。為進一步確定兩套鉆井液體系的效果，對優(yōu)化后鉆井液對工區(qū)地層力學(xué)特性的影響進行了研究。不同鉆井液浸泡后的力學(xué)數(shù)據(jù)如表1為浸泡時間24h，表2浸泡時間為48h。

通過對比現(xiàn)場鉆井液作用后巖石力學(xué)參數(shù)可知：受鉆井液影響，巖樣的單軸抗壓強度，泊松比和內(nèi)聚力整體出現(xiàn)下降的趨勢，隨著作用時間增大，下降得越多，而彈性模量和內(nèi)摩擦角無明顯變化。體系一和體系二作用后地層的抗壓強度比原巖的抗壓強度有所下降，體系一作用24h后的單軸抗壓強度略低于作用48h后的單軸抗壓強度。無論是體系1還是體系2作用相同的時候后，單軸抗壓強度略高于現(xiàn)場鉆井液作用后的地層。體系1作用相同的時間后略低于現(xiàn)場鉆井液，體系2鉆井液作用相同時間后的彈模跟現(xiàn)場鉆井液差不多。作用相同的時間，體系1和體系2作用后的地層，泊松比略低于現(xiàn)場鉆井液作用后的地層。作用相同的時間，系1和體系2作用后的地層，內(nèi)聚力略高于現(xiàn)場鉆井液作用后的地層，而內(nèi)摩擦角略低于現(xiàn)場鉆井液作用后的地層。

3.2 鉆井液作用前后坍塌壓力計算

現(xiàn)用鉆井液與泥巖接觸將改變泥巖的力學(xué)特性，導(dǎo)致泥巖力學(xué)強度的降低。因此，鉆井過程中鉆井液與井周泥巖的接觸、浸入也必將導(dǎo)致泥巖地層坍塌壓力的改變，誘發(fā)、加劇井壁失穩(wěn)。依據(jù)井周應(yīng)力分布與井壁失穩(wěn)判斷方法，對現(xiàn)場鉆井液作用后（24h和48h）的坍塌壓力進行計算分析。

根據(jù)坍塌壓力的計算公式，通過改變鉆井液作用前后的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，計算鉆井液作用前后的坍塌壓力：

由實驗結(jié)果分析可知，鉆井液作用后的工區(qū)坍塌壓力呈明顯上升的趨勢，提高了鉆井的難度。而且隨著鉆井液作用的時間增大，坍塌壓力密度當(dāng)量也隨之增大。而現(xiàn)場鉆井液作用后坍塌壓力密度當(dāng)量上升的較為明顯。現(xiàn)場鉆井液會增大巖層的坍塌壓力，當(dāng)坍塌壓力當(dāng)量密度大于鉆井液密度時，就會造成井壁失穩(wěn)。由于工區(qū)儲層較淺，大部分地層的坍塌壓力密度當(dāng)量都在1以下，低密度的鉆井液有利于增大鉆速，因此在考慮改進鉆井液時，應(yīng)主要考慮增強其性能，降低鉆井液對井壁的力學(xué)性質(zhì)造成的影響，同時盡量降低鉆井液密度。

4 結(jié)論

（1）無論是體系一鉆井液還是體系二鉆井液都不同程度的降低了地層的抗壓強度，抗張強度和硬度，而且隨著時間的增大，降低的也越多。地層強度的降低，容易造成地層井壁的不穩(wěn)定，出現(xiàn)井壁垮塌等井下事故。

（2）通過實驗結(jié)果可知，整體來看，優(yōu)化后的鉆井液與現(xiàn)場鉆井液相比，對地層強度的影響較小，優(yōu)化后的鉆井液作用相同的時候后，強度要高于現(xiàn)場鉆井液作用后的地層。體系一鉆井液的結(jié)果顯示，優(yōu)化后的鉆井液與現(xiàn)場鉆井液對地層強度的影響接近，或者更大?？紤]到關(guān)于體系一鉆井液的實驗數(shù)據(jù)太少，可能受實驗巖心本身的特征影響，不具有太多的參考價值。體系二鉆井液整體表現(xiàn)出優(yōu)化后鉆井液對地層的強度影響較小。說明優(yōu)化后的鉆井液具有更好的效果。

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