鹽城凹陷阜寧組地層井壁失穩(wěn)原因及對(duì)策

杜道勇；張曉紅；王 委；陳 軍；徐 浩

（1.中石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司，江蘇揚(yáng)州 225261；2.中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州， 225009）

蘇北盆地鹽城凹陷阜寧組泥頁巖作為常規(guī)油氣勘探的烴源巖，是鹽城凹陷主要生油層，前期已做過大量評(píng)價(jià)工作。阜二段泥頁巖沉積期為深湖—半深湖坳陷湖盆，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，成熟度不高，生油為主。常規(guī)油氣勘探中在阜二段泥頁巖見到豐富的油氣顯示，兩口井試獲原油，鹽城1 井在阜二段試獲原油36.83 m3/d，證實(shí)該區(qū)泥頁巖油氣勘探潛力巨大［1-5］。

近年來，江蘇油田在鹽城凹陷阜寧、泰州組天然氣、阜三段常規(guī)油和阜二段頁巖油多層系多領(lǐng)域取得勘探開發(fā)的重要突破。該區(qū)塊井均較深，阜寧組地層泥巖垮塌嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)1998—2020年井深達(dá)3 500 m 以上的鹽城1、鹽城1-2、鹽城501 等8 口井，由于阜寧組地層垮塌造成的劃眼復(fù)雜情況長(zhǎng)達(dá)686.5 h。2020 年以來，采用KCl 胺基鉆井液體系鉆進(jìn)完成了鹽城1-2 側(cè)、鹽城501、鹽城601、鹽城602、鹽城8 共5 口4 000 m 以上的井，雖然復(fù)雜故障有所降低，但井漏增加、垮塌劃眼和電測(cè)遇阻時(shí)有發(fā)生，尤其鹽城頁1HF 井，第一次鉆進(jìn)至3 398 m，因井壁垮塌填井側(cè)鉆，側(cè)鉆后鉆進(jìn)至4 034 m 完鉆，因井壁不穩(wěn)定多次遇阻卡劃眼，并發(fā)生井下漏失等，累計(jì)損失時(shí)間75.41 d。

從表1 可以看出，鹽城601 斜側(cè)阜寧組鉆井液密度維持1.32 g/cm3，反而全井無復(fù)雜故障發(fā)生，密度高的井井漏增加，同時(shí)也有電測(cè)遇阻、通井劃眼掉塊等復(fù)雜情況。對(duì)于孔隙壓力小、微裂縫發(fā)育的硬脆性地層，并不是鉆井液密度越高井壁穩(wěn)定效果就越好，進(jìn)入易垮塌地層前，一定要做好防塌封堵和提高地層承壓能力等工作，適當(dāng)提高鉆井液密度，有利于泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定。如果封堵能力欠缺，地層承壓能力低，鉆井液密度越高，靜液柱壓力越大，越容易增加井漏、井壁垮塌失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 近年鹽城已鉆井阜寧組復(fù)雜情況

為了提高鉆井速度，達(dá)到降本增效的目的，需解決阜寧組地層的井壁失穩(wěn)問題。針對(duì)上述的鉆井施工難題，提出了以強(qiáng)抑制性鉀胺基聚合物鉆井液體系為基礎(chǔ)，控制合理的鉆井液體系密度，優(yōu)化鉆井液體系封堵性能等措施。經(jīng)過室內(nèi)研究，對(duì)鉀胺基聚合物鉆井液體系性能評(píng)價(jià)顯示，鉆井液體系的抑制性能和封堵性能好，綜合性能優(yōu)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，施工井阜寧組不穩(wěn)定地層鉆井順利，起下鉆順暢。

1 泥頁巖特性及地層壓力分析

選取具有代表性的鹽城6 井和鹽城602 井，取其阜寧組阜二段地層巖樣，通過礦物組分、理化性能、電鏡掃描、浸泡實(shí)驗(yàn)和原始資料等分析，探索鹽城凹陷阜寧組泥頁巖井壁不穩(wěn)定的原因。

1.1 礦物組分分析

利用X 射線衍射方法對(duì)取自鹽城6 井阜二段的巖樣進(jìn)行了全礦物分析（見表2、表3）。

表2 鹽城6井巖樣全巖礦物組成分析 %

表3 鹽城6井巖樣黏土礦物分析

由表2、表3 可以看出，鹽城6 井阜二段地層黏土礦物含量均值在30%，而非黏土礦物含量較高，為裂縫發(fā)育的硬脆性泥頁巖。巖石黏土礦物成分中伊/蒙混層含量較高，伊/蒙混層易吸水膨脹，破壞巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使巖體發(fā)生剝落掉塊，導(dǎo)致泥頁巖井壁不穩(wěn)定，易發(fā)生井下坍塌、卡鉆等復(fù)雜故障。

1.2 相關(guān)巖心微觀特征分析

采用掃描電子顯微鏡對(duì)鹽城6井部分巖心進(jìn)行微觀特征分析（見圖1），可見泥頁巖的礦物顆粒之間為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)良好，顆粒孔隙大小在0.1～5μm 之間，微米級(jí)、納米級(jí)的微孔隙十分發(fā)育。巖樣中片絲狀黏土礦物集合體中夾雜著泥晶方解石晶體，均被碳質(zhì)浸染，排列具定向性，結(jié)構(gòu)較為致密，呈鱗片狀結(jié)構(gòu)，礦物排列方向與層理形成有關(guān)，存在明顯的各向異性特征，層理面和微裂縫等弱膠結(jié)處，在外力的作用下易發(fā)生破壞和剝落，從而導(dǎo)致井下掉塊和坍塌。

圖1 鹽城6井電鏡掃描圖片

1.3 泥頁巖浸泡實(shí)驗(yàn)

取2 塊鹽城602 井阜二段地層掉塊，分別浸泡于清水和7%KCl 溶液中，泥巖與兩種液體接觸短時(shí)間出現(xiàn)氣泡，10 min清水浸泡的掉塊產(chǎn)生裂縫，30 min裂開，浸泡72 h 后，兩塊巖石表面完整，拿出后稍施加外力，兩塊巖石均裂開。分析認(rèn)為阜二段掉塊為硬脆泥頁巖，膨脹能力較弱，微裂隙發(fā)育，流體沿微裂隙侵入，巖石強(qiáng)度降低，在外力的作用下，產(chǎn)生垮塌、掉塊。強(qiáng)抑制性KCl溶液并不會(huì)明顯阻止巖石強(qiáng)度的降低，說明井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵在于強(qiáng)化封堵性能。

1.4 剝落泥頁巖回收實(shí)驗(yàn)

為研究鹽城凹陷阜寧組地層的理化性質(zhì)，對(duì)鹽城602 斜井阜二段掉塊巖石進(jìn)行滾動(dòng)回收，（見表4）。掉塊巖石在清水中的滾動(dòng)回收率高達(dá)95.48%。這說明巖石水化分散能力弱，硬脆性物質(zhì)含量高，流體主要通過微裂縫的滲透作用進(jìn)入巖石內(nèi)部，從而引起巖石強(qiáng)度降低。

表4 鹽城602斜井阜二段掉塊回收率實(shí)驗(yàn)

1.5 鄰井壓力曲線

從鹽城1-2 井和鹽城3 井三壓力剖面及井徑曲線（圖2、圖3）可以看出，阜二段地層以下地層，地層坍塌壓力比地層孔隙壓力要大，必須通過控制鉆井液的密度來平衡地層坍塌壓力，保持井壁穩(wěn)定。鉆井液密度高時(shí)，加快鉆井液濾液及鉆井液沿層理、微裂縫侵入地層，并且在壓差的作用下，造成地層部分閉合的微裂縫開啟，地層的圍巖強(qiáng)度降低。如果鉆井液密度過低，鉆井液液柱壓力無法平衡地層坍塌壓力，同樣導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。因此，強(qiáng)化封堵提高地層承壓能力至關(guān)重要。

圖2 鹽城1-2井三壓力剖面及井徑曲線

圖3 鹽城3井三壓力剖面及井徑曲線

2 井壁失穩(wěn)原因分析

通過對(duì)鹽城凹陷已鉆井阜二段礦物組分分析、微觀特征分析、泥頁巖浸泡實(shí)驗(yàn)、剝落泥頁巖回收實(shí)驗(yàn)和鄰井壓力曲線等資料綜合分析，阜寧組地層井壁失穩(wěn)原因如下：

（1）巖石黏土礦物成分中伊蒙混層含量較高，容易吸水膨脹，破壞巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖體發(fā)生剝落掉塊，泥頁巖井壁垮塌，造成井壁不穩(wěn)定［6-7］。

（2）阜寧組地層屬于微納米級(jí)孔隙發(fā)育、弱分散的硬脆性泥頁巖。在外力的作用下，鉆井液濾液及鉆井液沿層理面、微裂縫進(jìn)入巖石內(nèi)部，造成地層中黏土礦物水化膨脹、浸泡后巖石強(qiáng)度降低，壓力傳遞導(dǎo)致微裂縫逐步擴(kuò)展、連通，最終造成井壁不穩(wěn)定或者井漏。

（3）鹽城凹陷阜二段以下地層坍塌壓力大于地層孔隙壓力，施工鉆井液密度窗口窄，提高鉆井液密度穩(wěn)定井壁，會(huì)增加鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)，鉆井液進(jìn)入地層，圍巖強(qiáng)度降低，導(dǎo)致地層坍塌壓力增大，進(jìn)一步加劇了井壁失穩(wěn)［8-9］；若鉆井液密度過低，不能平衡地層坍塌壓力，易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

2.1 鉆井液密度統(tǒng)計(jì)分析

從鹽城凹陷近年已鉆8 口井來看，完井鉆井液密度達(dá)1.40 g/cm3或以上的有5 口，密度1.35～1.37 g/cm3的有2 口，密度1.32g/cm3的有1 口。進(jìn)入阜寧組前，鉆井液密度控制在1.23～1.28 g/cm3，3 000 m密度1.28～1.35 g/cm3，3 200 m 密度1.29～1.40 g/cm3，完鉆密度1.32～1.44 g/cm3（見圖4）。

圖4 近年鹽城已鉆井鉆井液密度曲線

3 鉆井液技術(shù)對(duì)策

針對(duì)鹽城凹陷阜寧組地層巖性特征及KCl胺基鉆井液體系的強(qiáng)抑制能力，井壁失穩(wěn)對(duì)策可以從鉆井液的封堵性和密度兩方面考慮。

（1）確定合理的鉆井液密度，避免鉆井液密度過高后，閉合的微裂縫開啟，導(dǎo)致地層坍塌壓力增大，發(fā)生井漏。

（2）提高鉆井液的封堵能力，引入無滲透泥漿處理劑YDW-1，采用多級(jí)粒徑封堵和YDW-1 的成膜封堵，有效封堵阜寧組地層微納米級(jí)微裂縫，減少鉆井液或鉆井液濾液侵入地層，降低地層坍塌壓力，提高地層承壓能力，維持井壁穩(wěn)定，降低井漏發(fā)生的概率。

3.1 確定合理的鉆井液密度

鹽城凹陷阜二段以下地層坍塌壓力大于地層孔隙壓力，硬脆性泥頁巖微裂縫發(fā)育，同時(shí)鹽城1井阜二段3 204.05 m 實(shí)測(cè)壓力系數(shù)達(dá)1.552 5（甲方設(shè)計(jì)提供）。鉆井過程中，為了平衡井下地層的坍塌壓力和地層壓力，勢(shì)必會(huì)提高鉆井液密度，密度越高，壓差越大，鉆井液濾液進(jìn)入地層內(nèi)部會(huì)更多，同時(shí)也會(huì)使得部分閉合的微裂縫開啟，導(dǎo)致井漏或井壁失穩(wěn)，所以保持合適的鉆井液密度最關(guān)鍵。

根據(jù)已鉆施工井實(shí)際情況，確定阜寧組地層鉆進(jìn)鉆井液密度宜維持1.30～1.35 g/cm3（特殊溢流除外），阜二段地層前鉆井液密度宜維持1.30～1.32 g/cm3左右，進(jìn)入阜二段地層后宜維持1.32～1.35g/cm3左右，后期在做好防塌封堵的情況下，可以適當(dāng)提高鉆井液密度。

3.2 提高鉆井液的封堵效果

針對(duì)微孔隙發(fā)育的特點(diǎn)，選擇與微裂縫相匹配的剛性和柔性封堵劑，同時(shí)運(yùn)用無滲透泥漿處理劑的成膜封堵，有效封堵地層的微裂縫，提高地層承壓能力，阻緩壓力傳遞和鉆井液濾液對(duì)地層的侵入。

3.2.1 防塌劑的優(yōu)選

在基漿中分別加入2%的磺化瀝青粉Ⅲ、FT-342 和DFT-1 三種防塌劑，測(cè)試熱滾前后鉆井液流變性、API失水及HTHP的變化情況（見表5）。

表5 加入不同防塌劑的鉆井液性能

從表5 可以看出，4#漿熱滾前后的流變性能比較穩(wěn)定，熱滾后的API 失水和HTHP 失水也是最低，說明防塌劑DFT-1 對(duì)鉆井液性能的穩(wěn)定和封堵性明顯好于另外兩種防塌劑，最終選擇DFT-1 作為主要防塌處理劑。

3.2.2 剛性封堵劑的優(yōu)選

對(duì)目前使用的QS-2、QS-4、QS（1 500 目）和QS（2 500 目）4 種剛性封堵劑進(jìn)行粒徑分析（見表6），可以看出，對(duì)應(yīng)鹽城6 井阜二段0.1～5μm 孔隙，QS（2 500 目）達(dá)到地層孔隙范圍的粒徑含量相對(duì)比較高，最終選擇QS（2 500 目）作為剛性封堵劑。

3.2.3 成膜封堵的評(píng)價(jià)

表6 可以看出，碳酸鈣剛性粒子的粒徑都是微米級(jí)別的，不能有效封堵阜寧組地層納米級(jí)的微裂縫。利用無滲透泥漿處理劑（YDW）的成膜封效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)微裂縫封堵，可以提高地層的承壓能力。

表6 封堵劑粒徑分布特征

無滲透泥漿處理劑（YDW-1）利用特殊聚合物處理劑，在井壁巖石表面濃集形成膠束，依靠聚合物膠束或膠粒界面吸力及其可變形性，能封堵巖石表面較大范圍的孔喉，在井壁巖石表面形成致密無滲透封堵膜，有效封堵不同滲透性地層和微裂縫泥頁巖層，鉆井液及其濾液完全隔離，不會(huì)滲透到地層中，可實(shí)現(xiàn)接近零濾失鉆井［10］。

配制1#、2#試樣，對(duì)無滲透泥漿處理劑（YDW-1）進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)（見表7）。

表7 無滲透泥漿處理劑（YDW-1）室內(nèi)評(píng)價(jià)

其中1#配方為基漿（MBT20-25g/L）+0.2%NaOH+0.2%PMHA-2+0.3%PAIR+0.6%NH4-HPAN+7%K Cl+1%PAC-LV+0.2%CaO+0.3%DSP-2+2%DFT+3%QS（2500 目）+0.2%微納米封堵劑+重晶石加重（鉆井液密度1.30 g/cm3）；2#配方為1#+0.5%YDW-1（非滲透處理劑）。

從表7 可以看出，加入0.5%的無滲透泥漿處理劑（YDW-1）后，鉆井液的API 失水和HTHP 失水都有明顯的改善。

選用750×10-3μm2砂盤（平均孔喉5μm），考察熱滾老化后的鉆井液在7 MPa 壓力120℃條件下的滲透濾失情況，評(píng)價(jià)其封堵性能（見表8、圖5）。

圖5 PPT封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

表8 兩種配方7 MPa壓力下不同時(shí)間濾失量

從表8 和圖5 數(shù)據(jù)分析可知，1#配方濾失量為16.8 mL，濾失速率0.17 mL/min，2#配方濾失量為15.6 mL，濾失速率0.04 mL/min，2#配方中加入非滲透處理劑后，鉆井液體系封堵效果更好。

將完成封堵實(shí)驗(yàn)后的砂盤晾干，砂盤表面形成了致密的乳白色薄膜濾餅，表面致密且韌性好，起到很好的成膜封堵效果（見圖6）。

圖6 2#配方砂盤實(shí)驗(yàn)后的砂盤濾餅

4 鹽城9斜井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過上述過程中，在基礎(chǔ)配方中優(yōu)選加入瀝青類防塌劑、超細(xì)碳酸鈣、微納米和非滲透處理劑，并分別進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，最終確定鉆井液配方如下：

基漿（MBT20g/L-25g/L）+0.2%NaOH+0.2%PMHA-2+0.3%PAIR+0.6%NH4-HPAN+7%KCl+1%PACLV+0.2%CaO+0.3%DSP-2+2%DFT+3%QS（2 500 目）+0.2%微納米封堵劑+0.5%YDW-1+重晶石加重（鉆井液密度1.30 g/cm3）。

4.1 工程概況

鹽城9 斜井是鹽城凹陷南洋次凹鹽城9 構(gòu)造上的一口定向預(yù)探井，實(shí)鉆斜深4 300 m，垂深3 880.47 m，造斜點(diǎn)井深2 380 m，最大井斜角48.46°，井底閉合距1 128.22 m。一開采用?311.1 mm 鉆頭，鉆進(jìn)至井深1 307 m，下入?244.5 mm 的表層套管1 306 m；二開以復(fù)式井眼鉆進(jìn)，首先利用?222.2 mm 鉆頭鉆進(jìn)至井深2 403 m，之后用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深4 300 m，最后裸眼完井。

4.2 戴南組以后鉆井液密度情況

該井進(jìn)入戴南組時(shí)，鉆井液密度維持1.25 g/cm3，進(jìn)入戴一段提高至1.27 g/cm3，進(jìn)入阜寧組保持1.30 g/cm3鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程返出有掉塊巖屑，及時(shí)把鉆井液密度提到1.33 g/cm3，鉆進(jìn)至3 089 m 時(shí)氣測(cè)全烴高，短起下后由于后效嚴(yán)重，及時(shí)將鉆井液密度提高至1.37 g/cm3，一直保持至完井（設(shè)計(jì)最高密度1.40 g/cm3，見圖7）。

圖7 鹽城9斜井鉆井液密度曲線

4.3 多級(jí)搭配封堵應(yīng)用情況

鉆進(jìn)至戴南組后，在井深2 250 m 左右分別加入2 t 的瀝青類防塌劑DFT 和MFJ-1 進(jìn)行了防塌預(yù)處理，鉆進(jìn)時(shí)及時(shí)補(bǔ)充保持鉆井液中防塌劑的含量。進(jìn)入阜寧組地層需要加入3%的超細(xì)碳酸鈣QS和非滲透處理劑YDW-1，以達(dá)到比較理想的封堵效果，后期鉆進(jìn)、通井未見返出巖屑有明顯掉塊，鉆井液性能穩(wěn)定，濾失量低。鉆井液性能見表9。

表9 鹽城9斜井鉆井液性能

4.4 取得的效果

（1）鹽城9 斜井3 089 m 鉆井液密度就提高至1.37 g/cm3，設(shè)計(jì)提示阜二段有鉆遇裂縫風(fēng)險(xiǎn)，但全井沒有發(fā)生井漏。

（2）電測(cè)2 200～3 500 m 平均井徑224.81 mm，平均井徑擴(kuò)大率4.13%，井徑擴(kuò)大率小，井壁相對(duì)穩(wěn)定，通井均無遇阻卡情況，返出巖屑未見掉塊。

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）鹽城凹陷阜寧組地層屬于微納米級(jí)孔隙發(fā)育、弱分散的硬脆性泥頁巖，是井壁不穩(wěn)定的根本原因，保持井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵是提高對(duì)泥頁巖納微米級(jí)孔縫的有效封堵。

（2）合理的鉆井液密度是穩(wěn)定井壁的前提條件。在封堵效果差的情況下，過高的密度反而會(huì)加劇井壁失穩(wěn)，甚至造成井漏。通過鹽城區(qū)塊已鉆井情況分析阜寧組地層鉆井液密度宜維持在1.30～1.35 g/cm3。

（3）采用可變形防塌瀝青、剛性粒子超細(xì)碳酸鈣和成膜封堵劑非滲透YDW-1 復(fù)配，能有效封堵地層的微裂縫，阻緩壓力傳遞，減少鉆井液濾液對(duì)地層的侵入，延長(zhǎng)地層的垮塌周期，同時(shí)可提高地層的承壓能力，降低井漏的風(fēng)險(xiǎn)。