天環(huán)坳陷頁巖氣井井壁失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

張礦生， 歐陽勇， 謝江鋒， 陳志勇， 黃勝銘， 黃維安*

(1. 中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院， 西安 710018； 2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室， 西安 710018； 3. 中國石油長慶油田公司工程技術(shù)管理部， 西安 710021； 4. 中國石油大學(華東)石油工程學院， 青島 266580)

天環(huán)坳陷構(gòu)造區(qū)塊頁巖氣水平井井壁失穩(wěn)問題頻發(fā)，目標地層為烏拉力克組，地層巖性為硬脆性泥頁巖，微裂縫和微孔隙發(fā)育，給鉆井安全帶來了極大的挑戰(zhàn)[1-2]。由于泥頁巖自身的儲層特性，導致水平井鉆井過程中井壁坍塌、掉塊等井下事故頻繁發(fā)生，阻礙了頁巖氣勘探開發(fā)的進程，成為世界范圍內(nèi)的難題[3-8]。頁巖儲層井壁失穩(wěn)機理研究經(jīng)歷了力學、化學、力-化耦合以及多場耦合機理研究階段。Gennanovich 等[9]通過研究壓縮應(yīng)力下井壁的拉伸機理，建立了裂縫-井筒耦合模型。金衍等[10]在弱面理論的基礎(chǔ)上進一步探討，得出弱面的存在不利于井壁穩(wěn)定，容易造成井壁失穩(wěn)。Chenevert[11]研究了化學因素對井壁失穩(wěn)的影響，通過鉆井液浸泡實驗，證明了泥頁巖在浸泡后巖石強度會降低。Yew等[12]采用熱比擬法，得到了層理性地層井周巖石吸水量方程，并以此為基礎(chǔ)，通過實驗測試了不同吸水量的層理性巖石水化膨脹應(yīng)變與力學參數(shù)的關(guān)系。Abass 等[13]將物理場引入頁巖井壁穩(wěn)定模型，綜合考慮了孔隙壓力變化、巖石骨架變形等巖石物理性質(zhì)對井壁穩(wěn)定性的影響。Ma等[14]采用弱面破壞準則對硬脆性泥頁巖地層的井壁失穩(wěn)原因進行了研究與分析。Liu等[15]、Ma等[16]、李鄭濤等[17]對頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定機理進行了研究，綜合分析了彈性與強度的影響。肖志強等[18]建立了泥頁巖井壁的流-固-化耦合模型，研究了壓力傳遞和力學界面之間的相互耦合效應(yīng)。邱正松等[19]、黃維安等[20]提出了“多元協(xié)同”井壁支撐理論，并在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了較好的成果。黃維安等[21-22]針對性地提出了“抑制-封堵-應(yīng)力支撐”三元協(xié)同鉆井液防塌對策，成功解決了塔河油田深井側(cè)鉆中出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)問題。

現(xiàn)針對天環(huán)坳陷構(gòu)造區(qū)塊烏拉力克組和克里摩里組泥頁巖地層井壁失穩(wěn)問題，通過地層巖樣組構(gòu)分析、理化性質(zhì)分析以及三軸力學實驗分析，得出泥頁巖地層井壁失穩(wěn)機理，提出“封堵+潤滑”的多元多尺度協(xié)同井壁防塌對策，通過優(yōu)選封堵防塌劑以及高效潤滑劑，構(gòu)建高效防塌鉆井液體系，以起到加強封固地層以及降低水平段摩阻的作用，解決天環(huán)坳陷構(gòu)造區(qū)塊泥頁巖地層的井壁失穩(wěn)問題。

1 天環(huán)坳陷復雜地層井壁失穩(wěn)分析

1.1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷位于華北克拉通的西部，處于幾大構(gòu)造單元的結(jié)合部位，構(gòu)造較為復雜。其中，烏拉力克組巖性主要為深灰色及灰黑色含灰泥巖、灰黑色泥巖，克里摩里組上部為深灰色、灰黑色花斑狀含泥灰?guī)r，中下部為灰黑色、黑色泥巖、云質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r與灰褐色云質(zhì)灰?guī)r、黑色頁巖互層，易出現(xiàn)水化坍塌現(xiàn)象。烏拉力克組地層巖性屬于典型的硬脆性頁巖，微裂縫、孔隙發(fā)育，造成地層水化膨脹、出現(xiàn)卡鉆、地層坍塌等井下復雜事故。

1.2 組構(gòu)分析

1.2.1 礦物組成分析

利用D/max-2500PC衍射儀，進行復雜地層巖樣的全巖礦物及黏土礦物相對含量分析，如表1、表2所示。從表1看出，盒八組巖樣中石英含量最高(49%)，黏土礦物含量為48%，含有少量菱鐵礦(3%)；克里摩里組巖樣中以石英為主，平均為40%，其次為黏土礦物含量(平均26.25%)，方解石含量(平均19%)，含有少量斜長石(平均3.5%)，鉀長石(平均2.75%)；烏拉力克組巖樣中以石英為主，平均為57%，其次為黏土礦物含量(平均26%)，鐵白云石含量(平均6.5%)，方解石(平均4.75%)，含有少量鉀長石(平均2.5%)，斜長石(平均1.75%)。

表1 天環(huán)坳陷復雜地層巖心的全巖礦物分析結(jié)果

由表2看出，盒八組地層黏土礦物以高嶺石為主，含量為67%，其次是綠泥石(16%)和伊/蒙間層(12%)，間層比均為15%，該層穩(wěn)定性較差；克里摩里組地層黏土礦物以伊利石為主(平均45.75%)，其次為伊/蒙間層(平均35.25%)和綠泥石(19%)，間層比均為15%；烏拉力克組地層黏土礦物以伊利石為主(平均58%)，其次為伊/蒙間層(平均34%)和綠泥石(平均8%)，間層比平均為18.75%，該層高嶺石未發(fā)育，屬于硬脆性泥頁巖。

表2 天環(huán)坳陷復雜地層巖心的黏土礦物相對含量分析結(jié)果

1.2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

利用S-4800冷場掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)分析了該地層克里摩里組和烏拉力克組巖樣的微觀構(gòu)造特征，如圖1、圖2所示。從圖1可以看出，Z2井4 177.3 m處克里摩里組巖樣裂縫、孔隙和溶蝕顆粒發(fā)育，孔隙中有球狀黃鐵礦殘余，黏土礦物以伊利石和伊/蒙間層為主；Z4井4 029.1 m處巖樣裂縫、孔隙和溶蝕孔隙發(fā)育，溶蝕孔隙中及其周圍含有部分有機質(zhì)，溶蝕顆粒具有黏土化的特點；Z4井4 029.8 m處巖樣裂縫、孔隙和溶蝕顆粒發(fā)育，溶蝕縫也有所發(fā)育，黏土以伊利石為主。從圖2可以看出，ZP1井4 268.66 m烏拉力克組巖樣裂縫和孔隙發(fā)育，并且有片狀礦物存在，黏土礦物主要以伊利石為主；ZP1井4 276.88 m處巖樣以及ZP1井4 277.66 m處巖樣膠結(jié)致密，粒間孔隙不發(fā)育，顆粒表面被溶蝕，孔隙中有球狀黃鐵礦集合體，黏土礦物以伊利石和伊/蒙間層為主。

圖1 克里摩里組地層巖樣SEM掃描電鏡照片

圖2 烏拉力克組地層巖樣SEM掃描電鏡照片

1.3 理化性質(zhì)分析

1.3.1 陽離子交換容量

按照石油天然氣行業(yè)標準《泥頁巖理化性能試驗方法》(SY/T 5613—2000)，采用亞甲基藍方法測試了天環(huán)坳陷復雜地層巖樣的陽離子交換容量[15-16]，以進一步分析復雜地層的理化性質(zhì)，計算公式為

(1)

式(1)中：CEC為泥頁巖的陽離子交換容量，mmol/100 g；a為滴定所耗亞甲基藍毫升數(shù)；b為滴定所用干頁巖的克數(shù)。測試結(jié)果如表3所示，Z2井巖樣陽離子交換容量分布在0.7～3.4 mmol/100 g，黏土礦物含量不高于48%；Z4井巖樣陽離子交換容量分布在2.4～3.6 mmol/100 g，平均陽離子交換容量為2.82 mmol/100 g；ZP1井陽離子交換容量最高為3 mmol/100 g，最低為2.5 mmol/100 g，黏土礦物含量為22%～25%。該地層CEC當量數(shù)據(jù)與伊利石的CEC數(shù)據(jù)接近，表明這與伊利石和伊/蒙間層的相對含量高有直接關(guān)系。

表3 天環(huán)坳陷復雜地層巖樣陽離子交換容量測試結(jié)果

1.3.2 水化性質(zhì)

圖3為天環(huán)坳陷復雜地層巖樣水化性質(zhì)分析結(jié)果。如圖3(a)所示，Z2井地層巖樣的膨脹量最高為0.82 mm，最低膨脹量為0.30 mm，膨脹率在3.65%～10.59%；Z4井地層巖樣膨脹量為0.49～0.97 mm，膨脹率在6.25%～12.34%；ZP1井地層巖樣的膨脹量最高為0.90 mm，最低膨脹量為0.27 mm，膨脹率在2.53%～8.81%，具有一定的水化膨脹性，存在井漏、井塌的風險。如圖3(b)所示，復雜地層巖樣的回收率在96.48%～99.03%，巖樣平均回收率為97.58%，表明復雜地層巖樣水化分散性能較弱。

圖3 天環(huán)坳陷復雜地層巖樣水化膨脹及分散性質(zhì)測試結(jié)果

1.3.3 表面潤濕性分析

使用接觸角測定儀測定了模擬地層水和航空煤油的接觸角，為消除操作的影響，測定2～3次，選擇效果較好的取平均值。如表4所示，航空煤油在Z2井、Z4井和ZP1井復雜層段巖心親油性大于親水性，巖心表面為油潤濕。巖心與航空煤油接觸角均較小，平均接觸角為16.15°，測試巖心表面親油性良好；模擬地層水接觸角較大，平均接觸角為46.78°，測試巖心表面親水性較差。

表4 復雜層段巖樣與地層水和航空煤油接觸角測試結(jié)果

1.4 三軸力學實驗分析

采用美國GCTS公司生產(chǎn)的RTR-1000型三軸巖石力學測試系統(tǒng)，選取天環(huán)坳陷復雜地層巖心，進行頁巖常規(guī)三軸壓縮強度試驗，測試結(jié)果如表5和圖4所示。測試結(jié)果表明，取樣角為0°的巖樣峰值載荷為121.47 MPa，泊松比為0.27，彈性模量為14.014 GPa；取樣角為90°的巖心峰值載荷為265.27 MPa，泊松比為0.1，彈性模量為19.618 GPa。由此看出巖樣呈現(xiàn)出顯著的各向異性。

圖4 三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變圖

表5 三軸力學強度測試結(jié)果

1.5 井壁失穩(wěn)機理及防塌對策

通過對天環(huán)坳陷構(gòu)造區(qū)塊內(nèi)Z2井、Z4井及ZP1井復雜地層巖樣的礦物組成、微觀構(gòu)造、理化性質(zhì)測試以及三軸強度測試綜合分析，復雜地層井壁失穩(wěn)機理如下：盒八組地層巖樣黏土礦物成分以高嶺石為主，克里摩里組和烏拉力克組地層巖樣以穩(wěn)定較高的伊利石為主，屬硬脆性泥頁巖，其水化膨脹能力較強；復雜地層巖樣構(gòu)造不致密，發(fā)育有微裂縫和微孔隙，黏土礦物充填其中或分布在顆粒表面，鉆井液濾液易通過微裂隙和裂縫侵入地層，引起泥頁巖的局部水化，水化膨脹壓會導致井壁失穩(wěn)，易出現(xiàn)坍塌掉塊。

針對得出的天環(huán)坳陷復雜地層井壁失穩(wěn)物化機理和力學性質(zhì)分析，提出“封堵+潤滑”的雙效協(xié)同井壁防塌對策，通過加強泥頁巖水化抑制性，阻止水分子侵入，增強地層封堵作用，深度封堵泥頁巖微孔隙及微裂縫，阻緩鉆井液濾液進入頁巖地層，減緩壓力傳遞效應(yīng)，加強地層應(yīng)力支撐，從而達到穩(wěn)定井壁的效果。

2 防塌鉆井液技術(shù)研究

2.1 核心處理劑優(yōu)選

2.1.1 封堵防塌劑

現(xiàn)場水基鉆井液配方為4%膨潤土400 mL + 3.0%G303 + 0.5%XCD + 3.0%G314 + 5.0%NaCOOH + 1.0%G307。以“現(xiàn)場水基鉆井液 + 2.5%封堵防塌劑”為實驗漿，測試各實驗漿140 ℃/16 h熱滾前后的流變性、濾失性，以熱滾后140 ℃/3.5 MPa下的高溫高壓(high temperature and high pressure，HTHP)濾失量為主要指標，優(yōu)選綜合性能較好的封堵防塌劑。DYFT-Ⅱ為低熒光磺化瀝青，EFD-2為高溫封堵防塌劑，WFT-666為低熒光陽離子防塌劑，ZK601為磺化瀝青。從表6看出，EFD-2高溫高壓濾失及中壓濾失都是最低，故選擇高溫封堵防塌劑EFD-2作為封堵防塌劑。

表6 封堵防塌劑優(yōu)選實驗結(jié)果

2.1.2 高效潤滑劑

以“現(xiàn)場水基鉆井液 + 2.5%EFD-2 + 1.5%高效潤滑劑”為實驗漿，測試各實驗漿140 ℃/16 h熱滾后的極壓潤滑系數(shù)和黏附系數(shù)，以潤滑性為主要指標優(yōu)選出性能較好的潤滑劑，測試結(jié)果如表7所示。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后鉆井液表觀黏度上升，API濾失量降低，其中液體潤滑劑RT101黏滯系數(shù)為0.064 7，潤滑系數(shù)為0.086 3，較其他潤滑劑的潤滑性能較好，優(yōu)選推薦液體潤滑劑RT101用于水平段鉆井。

表7 高效潤滑劑優(yōu)選實驗結(jié)果

2.2 防塌鉆井液性能評價

通過進一步優(yōu)選其他處理劑和優(yōu)化體系配伍性，構(gòu)建了防塌鉆井液體系，鉆井液配方為：4%膨潤土 + 3.0%G303 + 0.5%XCD + 3.0%G314 + 5.0%NaCOOH + 1.0%G307 + 2.5%EFD-2 + 1.5%液體潤滑劑RT101(密度加重為1.55 g/cm3，記為THFT)。

2.2.1 抗污染性能

分別對THFT體系的抗NaCl性能、抗CaCl2性能以及耐劣土性能(過100目篩網(wǎng))進行評價，考察體系140 ℃/16 h前后流變和濾失性能變化來評價該體系的抗污染能力。天環(huán)坳陷構(gòu)造區(qū)塊防塌鉆井液配方抗污染性能評價結(jié)果如表8所示，向THFT體系中加入5%NaCl后，該體系黏度略有下降，濾失量不變，加入10%NaCl后，體系表觀黏度和塑性黏度有所下降，濾失量變化不大；加入0.5%CaCl2后，該體黏度降低，濾失量不變，加入1.0%CaCl2后，體系表觀黏度和塑性黏度均降低，濾失量稍有增加；加入6%劣土后，該體系表觀黏度略有下降，濾失量稍有增加。加入10%劣土后，該體系黏度降低，濾失量變化不大。綜上所述，THFT體系的抗NaCl能力為10%，抗CaCl2能力為1.0%，其抗劣土能力為10%。

2.2.2 抑制性能

選取ZP1井復雜地層過100目巖屑，采用頁巖膨脹儀，以THFT鉆井液體系為試液，測試巖心水化膨脹性質(zhì)，如圖5(a)所示。THFT鉆井液體系的水化膨脹量與優(yōu)化前一致，8 h線性膨脹率均為零，無膨脹，表明THFT鉆井液體系抑制水化膨脹能力較強；如圖5(b)所示，THFT鉆井液體系較現(xiàn)場鉆井液抑制水化分散能力略有提升，回收率為99.6%，抑制水化分散能力較強，表明THFT鉆井液體系具有優(yōu)良的抑制防塌性能。

圖5 THFT鉆井液體系抑制性能評價結(jié)果

2.2.3 封堵性能

(1)滲透性封堵性能測試。通過砂床濾失實驗，選用60～80目和80～100目石英砂，評價THFT鉆井液體系滲透性漏失的封堵性能。評價結(jié)果如表9所示，配方THFT對60～80目石英砂的侵入深度為11.2 mm，對80～100目砂床侵入深度為8.4 mm，較現(xiàn)場水基鉆井液滲透性封堵性能有明顯提升。

表9 THFT防塌鉆井液砂床濾失評價結(jié)果

(2)裂縫性封堵性能測試。采用高溫高壓堵漏模擬實驗裝置，選用200 μm和400 μm裂縫模塊，評價THFT鉆井液體系的封堵承壓能力。評價結(jié)果如表10所示，現(xiàn)場鉆井液能夠封堵200 μm模擬裂縫，但無法封堵400 μm模擬裂縫，加壓至0.5～1.0 MPa時，漏失少許，后慢慢變小至停止；加壓至2.0 MPa時出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，漏失量較大。THFT鉆井液配方能夠完全封堵200 μm和400 μm模擬裂縫，實驗壓力達到最大的5 MPa時均未出現(xiàn)漏失，具備優(yōu)良的裂縫性封堵能力。

表10 THFT防塌鉆井液配方裂縫封堵性評價結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 概況及鉆井液難點

ZP1井區(qū)即位于西緣沖斷帶中段馬家灘逆沖席東北部的苦水構(gòu)造帶上，井深5 621 m，水平段長1 600 m，造斜點深度為3 700 m，目的層為奧陶系烏拉力克組，井深結(jié)構(gòu)如圖6所示。鉆井過程中，下部井段會出現(xiàn)硬脆性泥頁巖以及煤層，鉆井液易發(fā)生井壁失穩(wěn)問題，造成坍塌和卡鉆等復雜事故，因此要做好防塌工作，提高鉆井液密度，控制地層壓力。

圖6 ZP1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

構(gòu)建的THFT防塌鉆井液體系在ZP1井進行了有效試驗，成功解決了該井水平段出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)問題，使得水平段的平均井徑擴大率低于6%，如圖7所示，平均鉆速達到4.7 m/h，API濾失量控制在5 mL以下，在潤滑防塌、井眼凈化及儲層保護方面都起到了很好的效果，表明THFT體系具有較好的抑制性能和防塌性能，鉆進過程中沒有出現(xiàn)過井壁剝落掉塊等復雜情況，為保證天環(huán)坳陷構(gòu)造區(qū)塊的其他井的順利鉆進提供了借鑒意義。

圖7 ZP1井三開井段地層井徑擴大率對比

4 結(jié)論

(1)天環(huán)坳陷復雜地層巖樣盒八組黏土礦物以高嶺石為主，克里摩里組和烏拉力克組黏土礦物以伊利石和伊/蒙間層為主，屬于硬脆性泥頁巖，微裂縫、孔隙發(fā)育，易水化膨脹，造成地層井壁失穩(wěn)。

(2)基于理化性質(zhì)分析和三軸力學實驗發(fā)現(xiàn)，天環(huán)坳陷復雜地層巖樣膨脹率在2.53%～12.34%，巖樣平均回收率為97.58%，具有一定的水化膨脹性和弱分散性，陽離子交換容量分布在0.7～3.6 mmol/100 g，巖心表面親油性良好、親水性較差，巖樣呈現(xiàn)出顯著的各向異性。

(3)構(gòu)建的THFT防塌鉆井液體系抑制防塌能力強，能夠有效抑制地層巖樣水化膨脹，具有較強的封堵能力和抗污染能力，流變性及濾失性好。

(4)THFT防塌鉆井液體系在ZP1井進行了有效現(xiàn)場應(yīng)用，數(shù)據(jù)表明，成功解決了該井水平段出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)問題，水平段的平均井徑擴大率低于6%，平均鉆速達到4.7 m/h，API濾失量小于5 mL，在潤滑防塌、井眼凈化及儲層保護方面都起到了很好的效果。