致密油水平井井壁穩(wěn)定技術

林麗梅

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司 黑龍江大慶 163411）

三肇地區(qū)致密油勘探開發(fā)主要目的層為泉頭組的扶余油層，研究區(qū)域構造上位于松遼盆地中央坳陷區(qū)三肇凹陷南部，整體位于肇州鼻狀構造西側，扶余油層主要受南部物源控制，縱向上主要含油層段位于扶一組和扶二組。二開技套下深為姚家組葡萄花油層以下20米；三開主要是青山口組和目的層泉頭組。青山口與泉四段砂泥巖交界處大量坍塌，以及青山口組泥巖吸水膨脹引起井壁坍塌，每次循環(huán)有剝落塊返出。源211、357區(qū)塊施工9口，有井3口井因青山口、泉頭組泥巖不穩(wěn)定，發(fā)生井壁失穩(wěn)剝落坍塌，同時因目的層連續(xù)性不好，經常找層造成井眼軌跡多次起伏，增加了磨阻扭矩，造成通井多次劃眼遇阻，增加了鉆井周期。

1 井壁原因分析及密度確定

水平井不同于直井，水平井隨著井斜增大，坍塌壓力也會變化，正確選擇鉆井液密度既能滿足支撐井壁防止坍塌的要求，又可防止密度過大壓裂地層，這是解決水平井井眼穩(wěn)定力學的主要途徑。下圖為肇源油田塊水平井坍塌壓力與井斜角之間的變化，隨著井斜增大，坍塌壓力也在變大。所以找出合適的密度對于致密油水平井非常重要。

1.1 選擇井壁坍塌計算公式

巖石發(fā)生剪切破壞時必須克服巖石固有剪切強度及作用面上的剪切強度，即庫倫——摩爾強度準則，它也是確定井壁巖石坍塌壓力最常用的準則。σH，σh也就是該層的最大和最小水平地應力（也是井壁坍塌處的最大和最小的有效主應力），而將它們帶入庫倫——摩爾強度條件式（1），便可以得出保持井壁穩(wěn)定的所需鉆井液密度，也就是防止發(fā)生坍塌的循環(huán)當量密度ρm (簡稱為地層坍塌壓力梯度)可由下式求得：

φ——巖石的內摩擦角；

C——巖石的粘聚力，MPa；

H——井深，m；

σH，σh——該層的最大和最小水平地應力，MPa；

η —— 地層非線性彈性修正系數(shù)，η=0.9～0.95；

PP——地層孔隙壓力；

α——Biot系數(shù)(有效應力系數(shù))，0＜α≤1；

肇平22區(qū)塊地層數(shù)據(jù)見表1所示，根據(jù)上表數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)代入公式(1)坍塌壓力計算ρm＝1.40-1.45g/cm3。

表1 大慶肇22區(qū)塊地層數(shù)據(jù)

1.2 驗證及結論

對于青山口泥巖段，提高液注壓力，平衡地層的坍塌壓力。根據(jù)現(xiàn)場施工，Y151-P3井施工分析，鉆井液密度設計為1.20 g/cm3，發(fā)生了井壁坍塌；打塞側鉆后密度提高到1.35 g/cm3，也發(fā)生剝落。在Y151-P2井和Y151-P7井中把密度提高到1.40-1.45 g/cm3，青山口未出現(xiàn)剝落。在肇平22區(qū)塊鉆井液密度維持在1.40-1.45 g/cm3，各井在鉆遇青山口均未坍塌。綜合考慮理論計算結果并結合現(xiàn)場試驗，造斜段與水平段實際鉆井液密度取1.40-1.45g/cm3，可避免井壁坍塌事故的發(fā)生。

2 鹽水鉆井液體系試驗

2.1 鹽水鉆井液體系的機理及配方

鹽水鉆井液針對致密油青山口地層這種水敏性強，周期性垮塌有良好的預防作用，其中對青山口及泉頭組交界處的泥巖也能起到抑制作用。KCl抑制泥巖水化膨脹能力強，對水敏性井塌和周期性垮塌有獨特的優(yōu)勢。聚胺類抑制劑可有效抑制粘土水化降低黏土的水化膨脹作用達到抑制效果，具有較強的抑制作用。包被性和PAC-LV聚陰離子纖維素（低粘）降低慮失量，提高井壁質量達到防塌的目的；加入瀝青類防塌劑，通過瀝青類在井壁表面形成一層水膜有效阻止水化膨脹，另外瀝青質能夠封堵微裂縫，改善泥餅質量，不但能防止坍塌還能減摩降阻。鹽水鉆井液體系配方為：0.1%～0.3%純堿+3%液體聚胺類+8%氯化鉀+12%氯化鈉+0.1%～0.3%檸檬酸+0.2%～0.5%提粘劑+0.3%～0.8%包被劑+0.8%瀝青類處理劑+3%潤滑劑。

2.2 慮失性實驗

取肇州地區(qū)青山口地層原始巖芯，采用可視中壓砂床鉆井液濾失儀裝入原始巖芯，壓力為0.7MP進行實驗對比，通過3組實驗，每組實驗測量5次結果，記錄15次結果如下表2。

表2 井壁濾失性能評價

說明鹽水鉆井液可在短時間內對地層實現(xiàn)有效的封堵，適用于肇州地區(qū)致密油水平井的青山口層位。

2.3 流變性對比

由于致密油水平井井眼穩(wěn)定密度在1.40-1.45g/cm3，則用這1.40g/cm3和1.45g/cm3兩個密度來進行鉆井液流變性能測定結果，通過6次流變性實驗，如表3所示。

表3 優(yōu)化鉆井液鉆進流變性能測定

鹽水鉆井液動塑比均高于0.45,對比3轉、6轉讀數(shù)穩(wěn)定，最適合肇州致密油水平井。

3 現(xiàn)場應用效果

應用鹽水鉆井液體系，采用密度1.40-1.45g/cm3在ZP24、ZP23、ZP26、ZP23-P1、ZP24-P2等5口井進行現(xiàn)場試驗，施工中通過調整鉆井性能，保證鉆井液密度平穩(wěn)，有效地穩(wěn)定了井壁， 5口井井徑擴大率均小于8%，青山口未出現(xiàn)坍塌，泉頭組未發(fā)現(xiàn)縮徑，返砂良好，起下鉆正常，進行電測的井均一次成功。

4 結論與建議

（1）致密油水平井青山口大段硬脆泥巖發(fā)育且微裂隙、層理發(fā)育，力學敏感，部分井存在應力集中問題，泉頭組泥巖水化膨脹嚴重易縮徑。

（2）依據(jù)致密油施工經驗，并通過井壁穩(wěn)定原理及坍塌壓力公式計算，得出坍塌壓力系數(shù)為1.40 g/cm3。施工時當量密度維持在1.40-1.45 g/cm3時，可預防由于地層應力所致的坍塌。

（3）使用鹽水鉆井液體系能更好地封堵青山口易塌地層，同時抑制泉頭組泥巖水化膨脹，通過鹽水+液體聚胺類+瀝青類的組合更加適合肇源地區(qū)致密油水平井。