王 睿， 王 蘭

(1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限責(zé)任公司鉆采工程技術(shù)研究院 2油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

川中下古生界-震旦系碳酸鹽巖氣藏規(guī)模大，開(kāi)發(fā)潛力巨大，是四川盆地重要的接替和上產(chǎn)主力氣藏[1-3]。該儲(chǔ)層埋深約6 000 m，過(guò)路層系多，直井鉆井周期一般控制在5個(gè)月內(nèi)，但非生產(chǎn)時(shí)效仍高達(dá)7%，鉆井面臨著多項(xiàng)挑戰(zhàn)，諸如震旦系燈影組地層老，塑性強(qiáng)，壓實(shí)強(qiáng)度高，具有破碎性特征、地層裂縫發(fā)育且地層承壓能力低的特點(diǎn)，已鉆井實(shí)踐表明燈影組地層井壁失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重，卡鉆頻繁導(dǎo)致高事故復(fù)雜率，影響鉆井周期，威脅鉆井安全，部分井因事故復(fù)雜被迫提前完鉆。為此，筆者通過(guò)川中震旦系燈影組地層取心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從巖石的組分、地層結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性及地應(yīng)力特征方面探索井壁失穩(wěn)機(jī)理[4-8]，并依據(jù) “多元協(xié)同” 防塌原理，優(yōu)選出固壁劑、封堵劑和抑制劑，形成了適合于燈影組地層的防塌鉆井液體系[9-13]。

一、井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

1.巖石組分及地層結(jié)構(gòu)分析

1.1 巖石組分分析

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5163-2010《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X衍射分析方法》，采用X-射線衍射儀對(duì)震旦系燈影組巖樣進(jìn)行XRD礦物組分分析測(cè)試。分析表明，震旦系燈影組的本批試樣主要成分白云石，含有少量石英、黏土礦物。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，據(jù)此分析燈影組地層為弱膨脹地層。

表1 全巖分析數(shù)據(jù)表

1.2 地層結(jié)構(gòu)分析

從微觀電鏡掃描、宏觀巖心觀察以及成像測(cè)井分析對(duì)巖樣進(jìn)行了地層結(jié)構(gòu)特征研究，分析表明：燈影組地層溶孔、溶洞等空隙以及縫合線、不同尺度裂縫等結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，從而導(dǎo)致地層呈現(xiàn)出相對(duì)較為顯著的破碎特征，在鉆井卸荷及鉆井機(jī)械擾動(dòng)下極易發(fā)生垮塌失穩(wěn)。

2.巖心力學(xué)特性分析

2.1 基礎(chǔ)物性分析

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336-1996《巖心常規(guī)分析方法》，采用致密巖心氣體滲透率孔隙度測(cè)定儀和多頻率超聲波測(cè)量?jī)x對(duì)震旦系燈影組巖樣進(jìn)行了孔隙度、滲透率、密度分析測(cè)試。分析表明：①巖心的孔隙度主要分布范圍為：0.1%～2.6%，平均為1.5%，即連通的有效孔隙度較低；②受裂縫發(fā)育的影響，滲透率差異較大，在微裂縫發(fā)育條件下滲透率最大可達(dá)6.5 mD；而對(duì)裂縫不夠發(fā)育的巖心，其滲透率較低，最小僅為0.000 5 mD左右；③巖心密度較大，主要分布在2.66～2.97 g/cm3之間，在斜井或水平井鉆進(jìn)時(shí)，為避免鉆屑沉降而形成巖屑床，加劇井壁失穩(wěn)，鉆井液應(yīng)具有足夠強(qiáng)的懸?guī)r、攜巖能力。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

鉆井液浸泡對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度特性的影響通過(guò)巖石三軸抗壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究以評(píng)價(jià)鉆井液作用下的巖石力學(xué)特性變化，分析鉆井液對(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度的保持能力及穩(wěn)定井壁的性能，巖石三軸抗壓強(qiáng)度特性測(cè)試如圖1所示。

圖1 巖心三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圍壓5 MPa)

從圖1中軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線可見(jiàn)，燈影組地層呈現(xiàn)出較高的抗壓強(qiáng)度和較強(qiáng)的彈性變形特點(diǎn)，在沒(méi)有與鉆井液接觸時(shí)，彈-脆性破壞特征趨勢(shì)顯著增大。在鉆井過(guò)程中，該地層很容易受到鉆頭力的作用，在地層周?chē)鷺O易形成大量誘導(dǎo)縫，這些誘導(dǎo)縫在鉆井液侵入的作用下將可能擴(kuò)展延伸，并與已有天然裂縫等結(jié)構(gòu)面連通，進(jìn)而誘發(fā)掉塊現(xiàn)象。

3.地應(yīng)力特征分析

基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)構(gòu)建的地應(yīng)力剖面可看出，燈影組地層水平最大地應(yīng)力梯度為1.76～2.40 MPa/100m，水平最小地應(yīng)力梯度為1.68～1.93 MPa/100m，垂向應(yīng)力梯度為2.32～2.53 MPa/100m[10]。即分析深度范圍內(nèi)地應(yīng)力的狀態(tài)類(lèi)型多為潛在正斷型應(yīng)力場(chǎng)，且水平最大主應(yīng)力與垂向應(yīng)力較為接近；部分井段地應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)為潛在逆斷型應(yīng)力狀態(tài)，該結(jié)果進(jìn)一步表明燈影組地層地應(yīng)力較高，井壁穩(wěn)定性相對(duì)較差。

綜合以上分析結(jié)果表明川中震旦系燈影組井壁失穩(wěn)原因：①地層破碎且脆性強(qiáng)，應(yīng)力水平高，在鉆井應(yīng)力擾動(dòng)作用下井壁易發(fā)生垮塌失穩(wěn)。保持合理的鉆井液密度，可有效緩解井壁失穩(wěn)；②地層空隙、縫合線、裂縫等結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，在鉆井機(jī)械力及化學(xué)勢(shì)的作用下，鉆井液中水相將侵入地層，產(chǎn)生水力尖劈作用，導(dǎo)致地層破碎、誘發(fā)井壁失穩(wěn)；③鉆井液與巖石的相互作用，導(dǎo)致碳酸鹽巖地層強(qiáng)度降低，坍塌壓力增大，加劇井壁失穩(wěn)。

二、防塌鉆井液體系及其性能

1. 防塌鉆井液體系

針對(duì)川中震旦系燈影組地層井壁失穩(wěn)機(jī)理，依據(jù)“多元協(xié)同”防塌原理，兼顧“封堵”與“抑制”制定防塌鉆井液對(duì)策[10-11]，并優(yōu)選出固壁劑CQ-GBF，剛性封堵劑FLM-1和柔性封堵劑ZL-7的組合及抑制劑氯化鉀，最終構(gòu)建了適合于川中震旦系燈影組地層的防塌鉆井液配方體系組成為：4.0%膨潤(rùn)土漿+0.2%NaOH+0.1%KPAM+4.0%SMP-2+3.0%RSTF+0.5%CQ-GBF+2.0%FLM-1+2.0%ZL-7+2.0%RH-220+8.0%氯化鉀+0.3%SP-80+重晶石。分別測(cè)試磺化鉆井液和防塌鉆井液在 150 ℃下 老化16 h前后基本性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 防塌鉆井液老化前后的性能

注：鉆井液測(cè)試溫度50℃，HTHP測(cè)試溫度為150℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與磺化鉆井液體系相比，該體系的黏度、切力適中，能滿足鉆井工程需要；濾失量小、濾餅韌性好，有利于保護(hù)井壁和減少濾液侵入地層。

2. 抑制水化分散性能評(píng)價(jià)

通過(guò)抑制膨潤(rùn)土分散實(shí)驗(yàn)和巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)分別對(duì)磺化鉆井液和防塌鉆井液進(jìn)行抑制水化分散性能能力評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，防塌鉆井液體系加入10%膨潤(rùn)土后，流變性能穩(wěn)定，同時(shí)防塌鉆井液體系的巖屑滾動(dòng)回收率更高，表明該體系抑制黏土分散能力更強(qiáng)，具有較好的抑制性能。

表3 不同鉆井液對(duì)抑制黏土分散能力實(shí)驗(yàn)影響

注：性能為在90℃滾動(dòng)16 h后室溫測(cè)定。

圖2 不同鉆井液滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)

3. 抑制水化膨脹性能評(píng)價(jià)

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5613- 2000《泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法》，采用高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹儀對(duì)防塌鉆井液濾液進(jìn)行線性膨脹率實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，防塌鉆井液濾液比磺化鉆井液濾液對(duì)巖屑線性膨脹率更低，說(shuō)明鉆井液具有較好的抑制水化膨脹性。

圖3 不同鉆井液濾液線性膨脹曲線

4. 封堵承壓能力評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)采用FA型無(wú)滲透濾失儀測(cè)試磺化鉆井液和防塌鉆井液的封堵能力，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與磺化鉆井液相比，防塌鉆井液在不同壓差條件下的砂床濾失量大幅度降低，封堵能力明顯加強(qiáng)。

表4 不同鉆井液的砂床濾失量

5. 巖石強(qiáng)化性能評(píng)價(jià)

通過(guò)巖心(石英砂摻雜20%蒙脫石壓制而成)在蒸餾水、磺化鉆井液和防塌鉆井液中120 ℃下 熱滾16 h后在巖石三軸伺服試驗(yàn)儀進(jìn)行單軸應(yīng)力破壞實(shí)驗(yàn)，考察不同鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖的加固效果來(lái)評(píng)價(jià)巖心強(qiáng)化性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖心在防塌鉆井液中熱滾后的抗壓強(qiáng)度最大，體現(xiàn)了防塌鉆井液優(yōu)異的泥頁(yè)巖強(qiáng)化性能。

表5 不同鉆井液作用后巖石的抗壓強(qiáng)度

6. 儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)磺化鉆井液和防塌鉆井液損害后的震旦系燈影組儲(chǔ)層巖心滲透率恢復(fù)值，以評(píng)價(jià)儲(chǔ)層保護(hù)性能，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，防塌鉆井液損害后的巖心滲透率恢復(fù)值達(dá)85.6%，比磺化鉆井液損害后的巖心滲透率恢復(fù)值提高了10.7%，說(shuō)明防塌鉆井液保護(hù)儲(chǔ)層性能較好，可作為儲(chǔ)層鉆井液。

表6 不同鉆井液損害后的巖心滲透率恢復(fù)值

注：鉆井液密度均為1.30 g/cm3。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1. 應(yīng)用井概況

防塌鉆井液在高石001-X23井的四開(kāi)(?149.2 mm)大斜度井段5 166～5 748 m(燈四)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，總進(jìn)尺582 m。高石001-X23井位于高石梯潛伏構(gòu)造震旦系頂界高石1井區(qū)中高點(diǎn)，鉆井目的為開(kāi)發(fā)G高石梯區(qū)塊震旦系氣藏天然氣資源，加快川中天然氣開(kāi)發(fā)，目的層為燈影組燈四段。與該井相鄰的高石6井、高石3井在燈影組地層均發(fā)生過(guò)復(fù)雜事故。

2. 應(yīng)用效果

防塌鉆井液體系不僅具有良好的流變性、穩(wěn)定性、抗黏土損害能力和攜巖能力，而且還具有較強(qiáng)的抑制性能、較好的防塌效果和封堵能力，在燈影組井段鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定、井眼暢通，平均井徑擴(kuò)大率為5.85%(井徑擴(kuò)大率見(jiàn)圖4)，比鄰井高石6井下降了8.59%，整個(gè)井起下鉆正常，保證了井下安全。

圖4 5 186.9～5 736.9 m井徑擴(kuò)大率示意圖

四、結(jié)論

(1)震旦系燈影組地層礦物組分主要以白云石為主，脆性強(qiáng)，溶孔、溶洞及微裂縫、縫合線等構(gòu)造結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，從而導(dǎo)致燈影組巖石強(qiáng)度差異大，鉆井過(guò)程中容易引起井漏和垮塌；入井流體沿微裂縫侵入地層，壓差過(guò)大，可能產(chǎn)生水力劈裂效應(yīng)，誘發(fā)和加劇井壁失穩(wěn)。

(2)該防塌鉆井液體系具有較強(qiáng)的抑制水化和封堵能力，同時(shí)強(qiáng)化巖樣破壞壓力和抗壓強(qiáng)度，有利于穩(wěn)定井壁。該體系的黏度、切力適中，濾失量小、濾餅韌性好，常溫下封堵承壓能力達(dá)到 3.0 MPa，能夠滿足鉆井工程需要。

(3)該體系對(duì)燈影組巖心的滲透率恢復(fù)值達(dá)85%以上，對(duì)儲(chǔ)層有較好的保護(hù)作用，可作為川中震旦系燈影組儲(chǔ)層鉆井液。

(4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該防塌鉆井液體系保證了震旦系燈影組安全鉆進(jìn)。