川西海相破碎地層防塌鉆井液技術(shù)研究及應(yīng)用

王方博

（中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽618000）

0 引言

川西海相氣田主體區(qū)塊在彭州市境內(nèi)，地理上處于四川省成都市彭州、都江堰市境內(nèi)，東南距成都市約45 km，主要涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括麗春鎮(zhèn)、隆豐鎮(zhèn)、葛仙山鎮(zhèn)等。構(gòu)造位置處于龍門山中段前緣由關(guān)口斷裂與彭縣斷裂夾持的“石羊-金馬-鴨子河”構(gòu)造帶上，屬于龍門山大型構(gòu)造帶中段的山前隱伏構(gòu)造帶，西面緊鄰龍門山前緣，東部、南部緊鄰“元通-安德”凹陷，北部為綿竹凹陷。此構(gòu)造帶共發(fā)育6個局部構(gòu)造：白鹿場、鴨子河、金馬、聚源、石羊場、石板灘、大邑等。其中“金馬-鴨子河”構(gòu)造南緩北陡，總體上呈北東走向。川西氣田雷口坡組重點潛力區(qū)含氣面積為152 km2，估算儲量1056億m3，其中雷四上亞段上儲層地質(zhì)儲量282億m3，下儲層地質(zhì)儲量774億m3。

川西海相深井主要以雷四油氣為主要目的層，兼探馬鞍塘組油氣；雷四上亞段預(yù)測發(fā)育三套儲層，其中第一、二套儲層最為發(fā)育。雷四段儲層巖性雖然為灰?guī)r或白云巖，但地層破碎，極易垮塌掉塊，造成卡鉆事故，前期6口直井因地層破碎卡鉆12次，嚴(yán)重制約了開發(fā)的進程。根據(jù)目前川西海相開發(fā)方案，共部署6個平臺29口井，每個平臺4～6口井，井身結(jié)構(gòu)由前期的四開制直井變更為三開制大斜度定向井/水平井。二開進入雷口坡組頂5 m完鉆，三開用?165.1 mm鉆頭專打雷口坡組目的層，井斜從50余度增斜到80余度，段長600余米到700余米。29口井平均井深6964 m，平均井斜83.3°，其中大于86°的井5口。三開直井坍塌壓力梯度在1.00～1.25 MPa/100 m，大斜度定向井/水平井坍塌壓力梯度1.23～1.38 MPa/100 m。在三開小井眼破碎地層增斜鉆進，同比直井卡鉆風(fēng)險更高，一旦發(fā)生復(fù)雜情況，處理難度大，而且針對海相地層破碎性垮塌沒有相關(guān)論述或針對性的研究，故研究應(yīng)對海相破碎地層垮塌的防塌鉆井液體系就相當(dāng)必要。

1 川西海相雷口坡組破碎地層井壁失穩(wěn)機理研究

1.1 巖性基本特征

雷口坡組以白云巖及灰?guī)r為主，地層破碎、節(jié)理發(fā)育。對測井資料分析及對實鉆地層巖心測試，該地層巖心裂縫比較發(fā)育，部分井取心率較低，以水平縫為主，少量網(wǎng)狀縫。對PZ1井、YS1井和YAS1井等多口井雷口坡組地層巖樣進行了礦物組分分析，結(jié)果表明雷口坡組地層均為灰?guī)r或白云巖，且?guī)r性較純。其中白云巖中白云石含量大都在90%以上，部分含30%～40%方解石，微含硬石膏和天青石?；?guī)r中方解石含量大都在85%以上，部分含10%左右白云石，微含石英、長石。巖心礦物組分以白云巖和方解石為主，幾乎不含粘土礦物。巖心經(jīng)蒸餾水浸泡，巖石裂縫及孔隙膠結(jié)物有可溶性礦物硬石膏等溶蝕，巖屑滾動回收率達98.6%。

1.2 巖心物性特征

PZ1井測井解釋儲層發(fā)育段平均孔隙度4%，累厚85 m，井段5810～5828 m（產(chǎn)層段上部），全直徑實驗孔隙度1.22%～14.38%，平均4.22%，滲透率均值0.22 mD，地層滲透性強，鉆井液濾液易進入孔縫，如果鉆井液封堵性不好，在壓力傳遞的作用下，則會加劇濾液進入地層，進而地層失去力學(xué)平衡，造成掉塊甚至卡鉆等井壁失穩(wěn)技術(shù)難題。

雷口坡組以Ⅱ～Ⅲ類儲層為主，儲層類型主要為孔隙型。

第一儲層段：測井孔隙度一般均大于4%。XS1井產(chǎn)層段實驗平均孔隙度可達6.76%，平均滲透率達10.1 mD。

第二儲層段：測井孔隙度均大于2%。其中XS1井最高達7.06%，PZ1井為4.22%。鏡下統(tǒng)計72%的樣品有孔隙發(fā)育，其中面孔率≥3%的樣品占33%。

1.3 巖心掃描電鏡分析

通過本區(qū)已鉆井巖片資料分析，川西雷口坡組四段儲層儲集空間類型有晶間溶孔、溶縫、溶蝕擴大孔、晶間孔、裂縫和粒間溶孔等，溶孔大小0.05～2 mm，溶縫0.01～1.5 mm。由于裂縫發(fā)育，鉆開雷口坡組地層時，由于鉆井液液柱和地層壓力的差值（ΔP）作用會使得鉆井液及其濾液更多的滲入到地層內(nèi)部，導(dǎo)致孔縫擴張，破壞地層穩(wěn)定性，造成掉塊甚至卡鉆等復(fù)雜情況。

在平面上從XSH1井往XS1井儲層次生溶孔增加、原生孔隙減少。在XS1井5712～5723 m的24個儲層樣品中有45.8%的樣品面孔率達5%～15%，溶蝕孔、洞、縫較發(fā)育，溶蝕孔、洞多呈蜂窩狀分布，部分溶洞大小達2 mm以上。

雷四上亞段3個儲層段儲集空間類型如下：

第一儲層段以晶溶孔、溶縫和不規(guī)則溶孔為主，晶間孔次之，為裂縫－孔隙型儲層；第二儲層段以晶間溶孔為主，不規(guī)則溶孔和溶縫次之，為孔隙型儲層；第三儲層段以晶間溶孔為主，不規(guī)則溶孔和溶縫次之，為孔隙型儲層。

通過PZ1井薄片資料分析，產(chǎn)層段上部5808～5827 m，累厚22 m儲層較發(fā)育，面孔率≥3%的樣品主要集中在此段。

1.4 斷層發(fā)育情況

該區(qū)斷層主要表現(xiàn)為北北東向及近東西向，在隆起帶的兩側(cè)斷裂段斷層相對集中，受邊界逆斷層控制，斷層走向以北東向為主，其次為北西向，其中彭縣斷裂、關(guān)口斷裂、白鹿場斷裂對本區(qū)油氣成藏有重要影響。隆起帶軸部及兩翼，發(fā)育次一級的小斷層，均為逆斷層，以北東東、北北東、北北西、北西西走向為主，特別是金馬構(gòu)造、鴨子河的①號、④號高點附近小斷層較發(fā)育。該區(qū)斷層呈逆斷層，地層受擠壓應(yīng)力影響，在破巖時應(yīng)力釋放引起井壁坍塌，在大斜度井可能會增加該地層失穩(wěn)的幾率。

雷口坡組地層破碎除受地殼運動的影響外，四川汶川地震對川西地質(zhì)構(gòu)造的作用加劇了這一影響。這次地震引起了大區(qū)域的地表變形。通過震前及震后GPS觀測圖表明，龍門山和四川盆地除了在水平方向上發(fā)生大幅度的相向運動外，龍門山大幅度上升，四川盆地相對下降，下降幅度在沿龍門山前的安縣、都江堰一帶最大，如圖1所示。

圖1 汶川地震對四川盆地的影響Fig.1 ImpactoftheWenchuan earthquakeon Sichuan Basin

通過在雷口坡組井段取心，其巖心除裂縫發(fā)育外，巖心破碎嚴(yán)重。部分井巖心情況如圖2所示。由圖2可知，取出的巖心破碎嚴(yán)重，這更進一步加劇了井壁失穩(wěn)的機率。

圖2 雷口坡組巖心情況Fig.2 Core condition of the Leikoupo formation

2 川西海相破碎地層抗高溫防塌鉆井液體系研究

2.1 破碎地層抗溫防塌體系材料的研選

通過對川西海相雷口坡組地層失穩(wěn)機理的分析可知，鉆井液的防塌重點在以加強固壁為主的封堵防塌，故在原有配方的基礎(chǔ)上，對常用的石蠟類封堵劑、瀝青類封堵劑進行了優(yōu)選，研發(fā)了成膜劑，利用成膜劑與乳化石蠟形成膜材料與石蠟乳液雙封堵［1-2］的超強成膜防塌鉆井液體系。

2.1.1 成膜劑CHSM-1的合成及評價

2.1.1.1 成膜劑的合成

填充無機粒子以提高高分子材料的物理力學(xué)性能一直都是重要的研究方向，無機粒子納米化為這一研究領(lǐng)域提供了更大的空間。近年來，CaCO3填充改性高分子材料受到廣泛關(guān)注，CaCO3/APAM［3］，PS/SBS/納 米CaCO3［4］，PVC/納 米Ca-CO3［5］，PMMA/CaCO3［6］，聚 甲 基 丙 烯 酸 丁 酯/Ca-CO3［7］等復(fù)合材料的制備、力學(xué)性能、結(jié)晶性能、流變性能及熱性能都有了較廣泛的研究。

苯乙烯-馬來酸酐共聚物（SMA）是一種兩親聚合物，主要有潤濕、分散、乳化、增溶、起泡、消泡、保濕、潤滑、洗滌、滲透、殺菌、防腐、絮凝、乳化、穩(wěn)泡、增稠、成膜和粘附等功能。當(dāng)苯乙烯和馬來酸酐兩種單體等摩爾發(fā)生聚合時，形成的是交替SMA共聚物。其中弱極性的苯乙烯和強極性的馬來酸酐使其具有明顯的兩親性質(zhì)，不僅和疏水材料相容，而且和親水材料相容［8-12］，因而能夠和很多有機的、無機的功能材料共混、雜化、包覆形成復(fù)合功能材料。兩親聚合物的親水鏈段和疏水鏈段在表面或界面間具有一定的取向性，在各種表面或界面有很好的吸附作用，所以具有降低表面張力和界面張力的能力［13］。

利用SMA功能強大的特性，填充納米CaCO3，進行雜化、包覆，形成功能強大的納米材料成膜劑CHSM-1。即使用原位固相接枝法對納米級CaCO3表面進行改性［14-16］，納米CaCO3與苯乙烯-馬來酸酐共聚物通過硅烷偶聯(lián)劑接枝共聚形成有機/無機雜化共聚物CHSM-1，這既可以降低兩者的缺陷，又可發(fā)揮兩者的優(yōu)點［17］，同時，碳酸鈣粉體表面接枝多條分子鏈，使其有類似樹枝狀聚合物的特性，可以阻緩或者消除壓力傳遞，隨鉆井眼強化［18］，可自組裝，成網(wǎng)成膜。通過接枝化學(xué)改性將高分子鏈連接到納米粒子的表面，充分發(fā)揮了納米粒子和聚合物各自的優(yōu)點，實現(xiàn)了無機粒子與聚合物復(fù)合粒子結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化［19］。納米CaCO3可為聚合物增強增韌，雜化材料中的親水酸酐基團吸附在粘土顆粒表面，疏水性苯乙烯鏈段由于其疏水締合作用自動組裝成膠束，同時雜化材料中納米級分散的碳酸鈣粒子的剛性、尺寸穩(wěn)定性使得材料能在粘土表面或是井壁上形成較為致密的有一定強度的膜結(jié)構(gòu)，這種致密高分子膜具有非滲透、疏水性、可變形的特性，在地層孔隙中形成致密的封堵層，阻止鉆井液濾液侵入地層，防止泥頁巖孔隙或裂隙水化，同時通過強吸附，改善泥餅質(zhì)量，減少鉆井液濾失，有效穩(wěn)定井壁。成膜劑CHSM-1的掃描電鏡圖如圖3所示［1］。

圖3 CHSM-1電鏡掃描圖Fig.3 Image by CHSM-1

2.1.1.2 成膜劑的成膜性評價

評價方法：在2份500 mL清水中分別加入20.0 g樣品作平行試驗，低速攪拌（3000 r/min）1 min，直接測定API濾失量。然后倒入老化罐，在160℃下熱滾16 h，冷卻后，低速攪拌（3000 r/min）1 min，測定API濾失量。測完濾失量后，將濾膜靜置于通風(fēng)處，自然風(fēng)干，觀察濾膜成膜效果（參見圖4），即成膜劑在濾紙上成膜后，濾紙如同刷上了一層保護膠，有一定韌性。清水中加入膜劑后，有很好的降失水作用，在清水中的降失水效果見表1。

圖4 老化前后成膜濾餅Fig.4 Film forming filter cakes before and after aging

表1 成膜評價情況Table 1 Film forming evaluation

2.1.1.3 粒度分布評價

4%CHSM-1試樣溶液在不同溫度下老化前后的粒徑分布評價結(jié)果見表2。

表2 粒度分布評價情況Table 2 Evaluation of particle size distribution

2.1.2 微米級石蠟類封堵劑的優(yōu)選

2.1.2.1 試驗方法及數(shù)據(jù)

1 g試樣加入到100 mL蒸餾水中，高速攪拌（10000 r/min）10 min后，測得其粒徑分布結(jié)果見表3。

表3 石蠟類材料評價數(shù)據(jù)Table 3 Evaluation data of paraffin materials

2.1.2.2評價結(jié)果

綜合表3數(shù)據(jù)分析可知，F(xiàn)MNA-1的粒徑分布較好，故微米級石蠟封堵劑選用FMNA-1。

2.1.3 瀝青類防塌劑優(yōu)選

2.1.3.1 試驗方法及數(shù)據(jù)

在相同配方中加入相同濃度的瀝青，評測其高溫（160℃）高壓濾失性能及泥餅性能，評測結(jié)果見表4及圖5。

基漿：2%NV-1+0.5%NaOH+5%JNJS-220+5%DR-8+0.2%DR-10+2%FMNA-1+2%CHSM-1（加重到1.5 g/cm3）。

配方①：基漿+2%GLFT-1。

配方②：基漿+2%乳化瀝青（膠體）。

配方③：基漿+2%乳化瀝青（干粉）。

配方④：基漿+2%陽離子瀝青。

2.1.3.2 評價結(jié)果

由表4及圖5可知，配方④中，加入陽離子瀝青，其高溫高壓濾失量、泥餅厚度及質(zhì)量均優(yōu)于加入其它瀝青評價樣，故選擇陽離子瀝青作為瀝青類封堵防塌劑。

圖5 各配方高溫高壓泥餅Fig.5 High temperature and high pressure mud cakes for formula evaluation

表4 配方性能評價Table 4 Performanceevaluation of various formula

2.2 防塌體系形成及性能

由上述篩選出的各處理劑，并考慮到封堵劑中微米級剛性粒子的填充，在形成配方的基礎(chǔ)上加入3%的微米級超細碳酸鈣。優(yōu)化的配方為：2%NV-1+0.5%NaOH+0.2%DR-10+5%DR-8+5%JNJS-220+2%陽離子瀝青+2%FMNA-1+2%CHSM-1+3%超細碳酸鈣（加重到1.5 g/cm3）；其基本性能及高溫高壓泥餅如表5及圖6所示。由表5及圖6可知，優(yōu)化配方的常規(guī)性能及高溫高壓泥餅質(zhì)量良好。

圖6 優(yōu)化后配方高溫高壓泥餅Fig.6 High temperature and high pressure mud cake of optimized formula

表5 優(yōu)化后配方性能Table 5 Performance of optimized formula

2.3 防塌體系的性能評價

2.3.1 高溫沉降穩(wěn)定性評價

優(yōu)化配方在老化72 h后，用M8500型沉降穩(wěn)定性測試儀測試其沉降穩(wěn)定性，其能夠?qū)崟r顯示測試過程中樣品的溫度、浴溫、壓力、剪切力、剪切速率、轉(zhuǎn)速和粘度；能夠模擬高溫高壓水平井（井斜角0°～80°）條件，測定結(jié)果如表6所示。

表6 傾角60°的沉降穩(wěn)定性Table 6 Settlement stability under 60° angle

通過M8500型儀器進行高溫高壓沉降穩(wěn)定測定，配方在160℃，傾角60°條件下330 min內(nèi)測定密度差均小于0.013 g/cm3，說明優(yōu)選出的優(yōu)化配方具有良好的沉降穩(wěn)定性。

2.3.2 高溫高壓流變性穩(wěn)定性評價

本研究采用M7500型進口高溫高壓流變測試儀對鉆井液體系進行高溫高壓流變性能評價，評價結(jié)果如圖7所示。

圖7 高溫高壓下的流變性能Fig.7 Rheological properties at high temperature and pressure

由圖7可知：160℃、6000 psi（41 MPa）高溫高壓條件，隨著溫度的升高，φ600讀數(shù)變化不大，2.5 h后略有降低。測試樣品表現(xiàn)出了良好的高溫高壓流變性能。

2.3.3 抗鈣性能評價

基漿配方：2%NV-1+0.5%NaOH+5%JNJS-220+5%DR-8+0.2%DR-10+2%陽離子瀝青+2%FMNA-1+2%CHSM-1+3%超細碳酸鈣（加重到1.5 g/cm3）。

評價配方：

配方①為基漿+1%石膏粉。

配方②為基漿+2%石膏粉。

配方③為基漿+3%石膏粉。

配方④為基漿+4%石膏粉。

配方⑤為基漿+5%石膏粉。

由表7可知，基漿可抗3%的石膏侵，但石膏量達到4%時鉆井液明顯增稠，到5%則喪失了流動性。

表7 抗鈣污染情況Table 7 Anti-calcium pollution results

2.3.4 抗鹽性能評價

基漿配方：3%NV-1+0.5%NaOH+5%JNJS-220+5%DR-8+0.5%DR-10+2%陽離子瀝青+2%FMNA-1+2%CHSM-1+3%超細碳酸鈣（加重到1.5 g/cm3）。

評價配方：

配方①為基漿+3%NaCl。

配方②為基漿+5%NaCl。

配方③為基漿+7%NaCl。

由表8數(shù)據(jù)可知，配方抗鹽可達5%，達到7%，濾失量明顯增大。

表8 抗鹽污染情況Table 8 Salt pollution resistance results

2.3.5 配方的砂床封堵性評價

2.3.5.1 中壓砂床評價

基漿配方：3%NV-1+0.5%NaOH+5%JNJS-220+5%DR-8+0.2%DR-10+2%陽離子瀝青+2%FMNA-1+2%CHSM-1+3%超細碳酸鈣（加重到1.5 g/cm3）。

配好的基漿，在160℃的情況下老化42 h，進行中壓砂床試驗，浸入度為2～5 mm，如圖8所示。

圖8 中壓砂床情況Fig.8 Medium pressure sand bed

2.3.5.2 高溫高壓砂床評價在160℃、4.2 MPa條件下，在泥漿和砂床之間形成了3 mm的隔離帶，隔離帶取出，成形，有一定強度，類似高溫高壓泥餅，如圖9所示。

由圖9可知，該配方鉆井液在高溫高壓下，對40目的松散的石英砂膠結(jié)成形。而配方中不加成膜劑，在測試高溫高壓砂床的封堵性能時，石英砂松散、不能膠結(jié)成形。說明該配方中的成膜劑雜化物因引入極性基團馬來酸酐增加了和各種基材的粘接性能［20］，能使松散的石英砂很好地粘結(jié)在一起，從而使鉆井液具有良好的膠結(jié)護壁性能。

圖9 高溫高壓砂床情況Fig.9 High temperature and high pressure sand bed test results

2.3.6 優(yōu)化配方與現(xiàn)場鉆井液對比評價

2.3.6.1 常規(guī)性能對比

①號樣：抗高溫防塌鉆井液配方（優(yōu)化配方）：3%NV-1+0.5%NaOH+5%JNJS-220+5%DR-8+0.5%DR-10+2%陽離子瀝青+2%FMNA-1+2%CHSM-1+3%超細碳酸鈣（加重到1.5 g/cm3）。

②號樣：PZ113井鉆井液（取樣井深：5825 m，取樣時間：2018-07-08）。

③號樣：PZ115井鉆井液（取樣井深：5960 m，取樣時間：2018-07-10）。

④號樣：YS1井鉆井液（取樣井深：6746 m，取樣時間：2018-08-21）。

對比情況見表9。

表9 常規(guī)性能對比Table 9 General performance comparison

2.3.6.2 抑制性對比

①號樣：抗高溫防塌鉆井液配方。

②號樣：PZ113井鉆井液（鉀石灰聚磺體系）。

③號樣：PZ115井鉆井液（鉀石灰聚磺體系）。

在圖10中，綠色曲線為①號樣膨脹率曲線，紅色曲線為③號樣膨脹率曲線，白色曲線為②號樣膨脹率曲線。由圖10可知，①號樣的膨脹率明顯小于現(xiàn)場2口井②號樣及③號樣的膨脹率，這說明該配方鉆井液抑制性比現(xiàn)場的鉆井液好。

圖10 膨脹率對比Fig.10 Comparison of expansion rates

2.3.6.3 封堵性對比

（1）評價樣品。

①號樣：優(yōu)化配方鉆井液（抗高溫防塌鉆井液體系）。

②號樣：PZ113井鉆井液（鉀石灰聚磺體系）。③號樣：PZ115井鉆井液（鉀石灰聚磺體系）。

（2）中壓砂床對比情況。

①號樣浸入度2～5 mm。

②號樣浸入度9～62 mm。

③號樣浸入度8～61 mm。

這說明①號樣配方在中壓下鉆井液封堵性比現(xiàn)場的鉆井液好。如圖11所示。

圖11 中壓砂床對比Fig.11 Comparison of medium pressure sand bed test results

（3）高溫高壓砂床對比。

高溫高壓砂床試驗溫度160℃，試驗壓力4.2 MPa。

①號樣：高溫高壓砂床形成類似3 mm泥餅的過渡帶，成形性好，石英砂膠結(jié)在一起（參見圖9）。

②號樣（PZ113井）：高溫高壓砂床未形成泥餅，石英砂未膠結(jié)在一起，不成形，倒出后松散，無膠結(jié)現(xiàn)象。

③號樣（PZ115井）：高溫高壓砂床未形成泥餅，石英砂未膠結(jié)在一起，不成形，倒出后松散，無膠結(jié)現(xiàn)象。

這說明①號樣配方在高溫高壓下對松散的石英砂有一定的膠結(jié)作用，其封堵固壁性優(yōu)于現(xiàn)場的鉆井液。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

該體系在BZ4-2D井三開施工中應(yīng)用成功。2019年9月7日4：30用?165.1 mm鉆頭、采用超強成膜防塌鉆井液體系三開鉆進，9月27日5：09鉆至井深6573.77 m甲方通知完鉆。2019年9月28日8：00鉆頭出井，全井完鉆，10月18日4：00電測完，10月28日打暫封水泥塞、下鉆洗回接筒、回接二開套管固井、全井筒試壓合格，全井完井。

該體系在BZ4-2D井三開雷口坡組大斜度井段進行了應(yīng)用。施工中，使用成膜劑與乳液相配伍，形成超強成膜防塌體系。三開鉆井周期21.15 d，設(shè)計鉆井周期34 d。鉆進中，井斜由57.5°增加至79.9°，再降至70.5°，鉆進井段為5883～6573.77 m，鉆進段長690.77 m，整個鉆井施工過程順利，井下穩(wěn)定無掉塊，保證了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器及井下的安全。完鉆前通井電測順利，裸眼完井。該體系經(jīng)室內(nèi)檢測，封堵率達99%，現(xiàn)場事故復(fù)雜率為0。三開實際鉆井周期與設(shè)計相比，提速率達37.8%。破碎性地層井徑擴大率與前期施工井相比，由17.8%降至7.61%。超強成膜防塌體系現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果。

4 結(jié)論

（1）成膜劑與乳液形成雙封堵的超強成膜特性能很好地解決了川西海相雷口坡組的地層破碎垮塌的技術(shù)難題。

（2）形成的超強成膜防塌鉆井液體系在現(xiàn)場應(yīng)用時要依據(jù)現(xiàn)場鉆井液情況即時進行調(diào)整，以充分發(fā)揮其超強成膜防塌作用。

（3）該體系仍需開展更多井次的實驗，以驗證其防塌性能并進一步進行配方優(yōu)化。