准噶尔盆地井壁稳定钻井液技术

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　　 [摘 要] 针对准噶尔盆地钻井过程中普遍存在的井壁失稳难题,对井壁稳定影响因素和井壁失稳机理进行了分析。室内试验和现场应用表明，在保持正常井壁支撑力的情况下，通过增强钻井液抑制性，加入一定粒度级配的封堵性钻井液处理剂，改变钻井液滤液的润湿性，综合考虑封堵、抑制水化、化学渗透平衡三个方面，才能有效解决微裂缝泥页岩地层井壁失稳难题。
　　[关键词] 准噶尔盆地 井壁稳定 微裂缝 抑制性
　　
　　1.前言
　　目前准噶尔盆地已经成为中石化西部新区的主战场，经过多年勘探，在多个区块均已见到油气显示，由于准噶尔盆地地层的特殊性，在实际钻探过程中，复杂情况频发、事故不断、周期漫长、效益低下。
　　在准噶尔盆地中部区块，吐谷鲁群组及三工河组微裂缝发育的硬脆性泥岩易发生坍塌掉块，掉块尺度较大（长宽分别为3～5 cm），掉块硬度较大，棱角分明，地质录井岩屑基本全是掉块，岩屑很少。掉块含有明显的微裂纹。西山窑组为灰色砂岩与灰色泥岩，夹灰黑色碳质泥岩及煤层，这类地层破碎严重、裂缝发育、岩石各向异性较严重，极易出现井壁失稳，坍塌掉块造成卡钻。由于地层破碎，钻井液在压差的作用下很容易侵入近井壁地层，使近井壁带的孔隙压力增大，最终使近井壁带孔隙压力与钻井液液柱压力相等, 以至使钻井液液柱的物理防塌作用丧失，导致井壁失稳[1,2]。
　　2.井壁失稳机理分析
　　2.1地层失稳类型分析
　　从现场施工来看，准噶尔盆地中部区块的吐谷鲁群组、西山窑组和三工河组等地层易发生失稳。吐谷鲁群组地层应属于易水化膨胀型地层。三工河组、西山窑组地层粘土矿物中，伊利石含量显著增加，伊蒙混层矿物含量有所减少，而且伊蒙混层中蒙脱石的相对含量低，属于不易水化膨胀型地层，岩石更多地表现出硬脆性的特点。
　　从地层的沉积年代和埋藏深度讲，三工河组地层年代久远、埋藏深、温度高、上覆岩石压力大，蒙脱石向伊利石转化应该比较完全。粘土矿物种类不同，其坍塌机理不同，以蒙脱石等膨胀性粘土矿物为主的地层，容易膨胀、分散，井壁不稳定的主要形式是缩径、泥包钻头、造浆等，而以伊利石等非膨胀性粘土矿物为主的地层，其坍塌形式主要为剥落掉块。当钻井液滤液沿地层微裂缝侵入到地层深部时，钻井液滤液抑制性不强，伊蒙混层中的蒙脱石将水化而膨胀，随着泥页岩的水化膨胀的进行，地层将产生强大的膨胀压，井壁失去平衡，导致坍塌掉块[3]。
　　通过初步分析，西山窑组和三工河组地层剥落、掉块一般有两种情况：一是井下不能形成有效的泥饼封堵，钻井过程中随钻井液的冲刷而出现一层层的剥落；二是泥页岩吸水膨胀到一定程度而释放地层膨胀应力，出现突然性垮塌，表现出泥饼的封堵能力不能平衡地层应力，现场施工的井表现出来的参数是第一种情况。
　　钻井过程中，由于冲刷作用的影响，钻井液很难在井壁形成有效的泥饼或者形成泥饼速度很慢，在泥页岩吸水膨胀到一定程度后，钻井液的泥饼仍不能提供有效的保护，于是就发生了剥落、掉块。
　　2.2 井壁失稳的因素及机理分析
　　对于硬脆性坍塌，地质方面主要是地层岩石含有微裂缝，甚至破碎，形成泥饼质量差或不能形成泥饼，致使钻井液滤液大量侵入，造成岩石强度降低；二是地应力较高，且各向异性较大，易发生应力释放性坍塌；在工程方面，一是钻井液密度不能保证井壁力学稳定性；二是钻井液的封堵性能和化学性能不能满足要求；三是钻井施工原因，如抽吸压力过大、狗腿角过大等[4,5]。
　　井壁失稳机理可以概括为：
　　（1）地层含有微裂缝或破碎，形成泥饼质量差或不能形成泥饼，造成钻井液滤液大量侵入，造成岩石结构强度降低，结果是坍塌应力大幅度上升；而破碎压力大幅下跌，安全密度窗口变窄甚至消失。
　　（2）水力连通失稳。在液柱压差作用下，大量的钻井液中自由水就会涌入岩石裂缝中，造成岩石结构强度大幅度降低。若岩石完全破碎，岩石就像悬浮在钻井液中，破碎体将会随着钻井液流动脱离母体而掉入井眼中。
　　（3）毛细管扩张失稳。由于大部分硬脆性岩石都是水湿的，当钻井液与含有微裂缝的岩石接触时，钻井液中的自由水就会在毛管力的作用下迅速进入裂缝深部，使原先闭合的裂缝开启，是未开的裂缝扩张，这种毛管力扩张导致岩体破碎程度增大，结构强度大幅度降低，坍塌压力上升。
　　（4）水楔作用失稳。在含有微裂缝或破碎地层，钻井液自由水、固相颗粒、堵漏材料或岩屑进入微裂缝，就会将闭合的裂缝开启或未开裂缝的开启度变大，结果导致地层进一步破碎，导致井壁失稳；另外，缝隙中的填充物水化膨胀也可造成水楔失稳。
　　（5）推挤失稳。在粘土矿物含量较高或者微裂缝大量发育的地层中，钻井液中的自由水侵入微裂缝中或粘土矿物吸水膨胀，导致膨胀应力较大。由于每个单元的岩体都在膨胀，因此碎体与碎体之间由于膨胀应力而相互推挤导致碎体沿缝面滑移、崩塌。
　　3.井壁失稳对策
　　从井壁失稳机理分析可知，近井壁岩石的力学失稳是导致“微裂缝”地层井壁失稳的根本原因。其中岩石的破碎程度、钻井液特性及侵入岩体的程度和地层倾角是影响井壁稳定的决定因素。“物化封固井壁阻缓压力传递－加强抑制水化－合理密度有效应力支撑”的协同井壁稳定理论是井壁不稳定问题的理论基础，强调物化封固作用、化学反渗透防塌作用和有效应力支撑井壁作用相结合，其中加强封固、阻止和减缓孔隙压力传递是提高井下液柱压力对井壁有效力学支撑作用的前提[1]。对微裂缝发育或破碎地层而言，封固造壁能力差，孔隙压力传递作用显著时，仅靠提高钻井液密度反而不利于井壁稳定。
　　3.1 化学防塌，提高钻井液的抑制性
　　在钻井液中加入非分散类降失水剂如天然高分子降失水剂，对钻井液中的粘土颗粒进行护胶，形成致密泥饼，降低失水，并逐渐补充沥青类处理剂进一步提高泥饼质量，控制失水。此后加入胺基强抑制剂，低分子量的胺基强抑制剂像钾离子一样嵌入未分散粘土层，使水不易进入粘土层间而避免或减弱粘土水化，并且低浓度的胺基强抑制剂由于其带正电特性，即可以阻止其它离子对粘土颗粒的吸附，也能部分解吸附带水化膜的阳离子或替代与已分散粘土颗粒表面吸附能力较差的吸附基团，破坏粘土的水化结构，由此，钻井液体系含有胺基强抑制剂，滤液通过微裂缝或孔隙通道进入地层后，能够有效的抑制地层内粘土的吸水分散，从而稳定井壁。同时在钻井液体系中胺基强抑制剂也因其较低的分子量和较小的体积，可以与其他带有吸附基团的分子或离子争相吸附于已分散的粘土颗粒，部分破坏粘土的水化结构，减小了体系内粘土颗粒的过度分散，改善体系的空间结构，降低内摩阻，保持良好的流变性能[6]。
　　为增强井壁稳定性，必须抑制地层水化分散，对SYP-1、聚醚、胺基抑制剂、KPAM、KCl、有机硅井壁稳定剂等常用抑制剂进行了优选。
　　实验结果表明，胺基抑制剂具有很好的页岩回收率和较低的页岩膨胀率，表明其具有良好的抑制页岩膨胀作用。
　　3.2 强化封堵提高井壁稳定性
　　一方面通过封堵材料及处理剂将破碎体进行再胶结，增强了碎体间的连接力，提高了缝面的胶结强度，增大了地层的承压能力。另一方面由于孔喉被有效封堵，近井壁环带宏观上可视为一个连续的整体，均质程度增大，两个水平主应力的差值减小，安全钻井液密度窗口较封堵前变宽。
　　由于三工河组和西山窑组易坍塌地层含有较多的微裂缝，为进一步了解微裂缝存在对钻井液滤液侵入、孔隙压力的传递压力的传递的影响，开展了微裂缝岩石的井壁稳定性研究。测试了微裂缝岩心和不含微裂缝岩心不同时间、不同位置处的孔隙压力。实验表明，微裂缝的存在对孔隙压力的传递非常明显，压差在5 min 内就可以传递整个岩心，而不含微裂缝岩心10 h岩心末端端面的压力还没有明显改变。微裂缝的存在对压力的传递影响很大，因此对含有微裂缝地层要加强近井壁岩石微裂缝的封堵，以减缓压力传递。

　　选用了两种封堵材料，分别是塑性变形封堵材料SX-A和刚性微细封堵材料GX-B，在钻井液中加入不同配比的封堵材料SX-A和GX-B，评价其对钻井液性能的影响和封堵效果，钻井液的组成为5%膨润土浆 + 0.5%KPM + 3%SD101 + 1%白油 + 0.2%LV-CMC + 2%KFT-II，记为基浆。实验结果如表2和表3所示。
　　 由表1可以看出，封堵材料对钻井液的流变性影响并不明显，但对于滤失性的影响较明显。当钻井液中加入封堵材料SX-A时，滤失性略有改善，而加入封堵材料GX-B时，滤失性明显变差，这表明一种封堵材料并不能形成优质泥饼；而当钻井液中加入一定配比的封堵材料时，能够在瞬时滤失形成优质滤饼。
　　表2可以看出，钻井液中加入一定配比的封堵材料后，可以封堵不同大小裂缝，从而起到稳定井壁的作用。
　　3.3 润湿性反转
　　在润湿实验中，所用岩样为庄1井4363.60～4364.00 m泥页岩。加入润湿反转剂RF-1后，滤液泥页岩表面没有铺展而成滴状，说明在润湿反转剂的作用下，滤液不能润湿岩心。结果表明，处理后岩心总吸水量降低了60%。自吸10 h时，与处理前相比岩心的吸水速率降低了40%~50%，说明处理后毛管压力降低了，自吸作用减弱。
　　润湿反转实验表明，优选的润湿反转剂具有润湿反转功能，能够抑制液相自吸入泥页岩的孔隙以及微裂缝，从而抑制泥页岩的水化膨胀。
　　4.井壁稳定钻井液工艺技术及应用
　　吐谷鲁群组、三工河组和西山窑组地层泥岩易吸水膨胀或剥落掉块，强化钻井液的防塌性能，防止地层垮塌，保持井眼稳定是钻井液工作的重点。若存在西山窑组的防漏，防垮塌更是本开次钻井液工作的重点。由于井壁稳定的影响因素较多，仅用防塌钻井液体系是不够的，还要在工艺方面保证井壁稳定。
　　（1）选用合理的钻井液密度来控制地层的坍塌掉块，进入白垩系前，逐步提高钻井液密度，首先在力学上达到钻井液液柱压力与坍塌压力的平衡。漏斗粘度在55～60s，塑性粘度在25～27s，屈服值在8～9Pa，保证钻井液为平板型层流流型，减少钻井液对井壁的冲刷。
　　（2）选用合适的钻井液体系。经过实验研究，建议选用胺基封堵钻井液体系，进入白垩系前逐步提高胺基抑制剂使用浓度，选用塑性变形封堵材料和刚性微细封堵材料，另外加入沥青类防塌剂，充分保证钻井液的防塌性。
　　（3）润滑剂加量保持在1%，并在钻井过程中不断补充，从而使钻井液具有良好的润滑性，降低摩阻。
　　（4）工程上严格控制起下钻速度，加强灌浆，保持井筒的液柱压力平衡。处理钻井液按循环周进行，避免钻井液性能大的波动，特别是钻井液密度忽高忽低带来井壁不稳定最易产生垮塌。
　　（5）加强固控设备的使用。由于钻进速度相对较慢，钻屑易分散进钻井液中，强化四级固控设备的使用确保钻井液的清洁。
　　（6）加足抗高温降失水剂，控制钻井液的高温高压失水小于12 mL，尽量降低失水，减少泥页岩的水敏性所产生的剥落掉块。
　　庄11井是一口位于准噶尔盆地中部1区块的预探井，目的层为侏罗系三工河组，完钻井深4100m。本井的钻井液技术工作重点是吐谷鲁群底部褐色泥岩、西山窑组煤层及灰色泥岩、三工河一段深灰色泥岩井壁稳定问题。由于采用强抑制钻井液体系，通过封堵技术、润湿反转技术，井壁稳定问题得到了较好解决，最易垮塌的西山窑组井径扩大率6.35%。
　　5.结论
　　（1）准噶尔盆地中部区块吐谷鲁群以及地层主要为粉砂岩和泥岩的互层，泥岩脆性大，易垮塌和水化；西山窑组、三工河组地层微裂缝比较发育，脆性大，钻开后应力释放，极易垮塌掉块，造成井下复杂。
　　（2）由于泥页岩本身具有极低的渗透率，液柱压力及滤液易沿微裂缝进入泥页岩地层，在没有有效封堵的情况下，压力极易传递到泥页岩深部。
　　（3）对于含微裂缝泥页岩地层，在保持正常井壁支撑力的情况下，通过增强钻井液抑制性，加入一定粒度级配的封堵性钻井液处理剂，改变钻井液滤液的润湿性，才能有效解决泥页岩地层井壁失稳。
　　参考文献：
　　[1] 邱正松，徐加放，吕开河．“多元协同”井壁稳定理论[J].石油学报，2007,28（2）：117-119.
　　[2] 鄢捷年．钻井液工艺学[M]．东营：石油大学出版社，2000.
　　[3] 张传进．准噶尔盆地中1区块坍塌压力分析[J]．岩石力学与工程学报，2004,23（14）：2417-2420.
　　[4] 王中华．钻井液性能及井壁问题的几点认识[J]．断块油气田，2009,16（1）：89-91.
　　[5] Zausa F, Civolani L. Real-time wellbore stability analysis at the rig-site[R]. SPE/IADC 37670.
　　[6] 梁大川．泥页岩水化机理研究现状[J]．钻井液与完井液，1997，14（6）：29-31.
　　基金项目：
　　中国石化集团公司石油工程先导项目“胜利油田准噶尔盆地中1区块优快钻井完井技术先导试验”（SG10014）部分研究成果

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