豆寧輝, 王志遠(yuǎn), 劉殿琛

(1中國(guó)石油大學(xué)·華東 2中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 3中國(guó)石油川慶鉆探公司鉆采工程技術(shù)研究院)

Y區(qū)塊位于富含油氣的Masila盆地西部，面積為1 801 km2，地表以第三系的灰?guī)r和泥巖為主，地表高差較大(700～1 000 m)，發(fā)育著六套儲(chǔ)層，主要地層巖性為河道砂及濱岸砂巖、淺海相碳酸鹽巖及砂巖和基底裂縫花崗巖-變質(zhì)巖，由于地層復(fù)雜，在鉆井過程中出現(xiàn)坍塌、漏失、井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況，通過分析Y區(qū)塊已鉆井資料發(fā)現(xiàn)其垮塌的地層主要為Harshiyat、Saar和Nayfa組。其中，Judayaah-1井和Rabaa-1井在Harshiyat地層井徑擴(kuò)大率分別達(dá)35%和38%，劃眼或處理垮塌的復(fù)雜損失時(shí)間為26 h；Henin-1井在Saar和Nayfa組井徑擴(kuò)大率最高達(dá)40%，劃眼或處理垮塌的復(fù)雜損失時(shí)間為33 h。因此，亟需解決井壁失穩(wěn)的難題，以降低發(fā)生井下故障的概率，促進(jìn)該油田的勘探開發(fā)[1-4]。

1 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

1.1 井壁失穩(wěn)綜合分析

經(jīng)過分析總結(jié)Y區(qū)塊復(fù)雜井段井壁失穩(wěn)的資料，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜巖性段井壁失穩(wěn)主要存在以下規(guī)律,見表1所示。

表1 Y區(qū)塊復(fù)雜井段井壁失穩(wěn)綜合分析表

1.2 礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)

1.2.1 礦物組成分析

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5163-2010，利用TTRIII型多功能X射線衍射儀對(duì)RABAA-1井易失穩(wěn)井段Saar地層的巖樣進(jìn)行了分析。RABAA-1井易失穩(wěn)井段巖石主要為泥質(zhì)灰?guī)r、灰泥巖、泥巖與灰?guī)r夾層。黏土礦物以伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙間層發(fā)育，缺失蒙脫石、綠/蒙間層礦物為特點(diǎn)，且伊/蒙混層相對(duì)含量較高，平均約為56%。

1.2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5162-1997，利用TESCAN-VEGA-3LMU型掃描電子顯微鏡對(duì)Judeyaah-1井垮塌井段泥巖巖心進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，上部Harshiyat組地層黏土礦物含量高，微觀掃描顯示高嶺石、綠泥石發(fā)育，黏土礦物以片狀、粒狀存在。同時(shí)，受構(gòu)造擠壓脫水過程中導(dǎo)致裂隙的存在，該類巖石易水化分散、膨脹，鉆井過程易泥包，阻卡。

1.3 水化性質(zhì)分析

由于Y區(qū)塊無(wú)法獲得地層巖心或露頭巖心，因此采用國(guó)內(nèi)物性相似的泥巖開展鉆井液水化對(duì)巖石力學(xué)特性的影響規(guī)律的探索實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方進(jìn)行了室內(nèi)配制，對(duì)上述巖心開展不同圍壓下的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果見表2。

通過巖心浸泡實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，鉆井液對(duì)泥巖結(jié)構(gòu)的影響具有時(shí)間效應(yīng)，微觀體現(xiàn)在泥巖中的某些活性礦物與鉆井液中某些離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程，宏觀體現(xiàn)在泥巖的層理面或微裂隙在鉆井液濾液的作用下隨時(shí)間發(fā)生動(dòng)態(tài)運(yùn)移或鉆井液濾液溶蝕層理面或微裂隙中的填充物導(dǎo)致層理面發(fā)生擴(kuò)張。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水化降低了泥巖的抗壓強(qiáng)度，浸泡時(shí)間對(duì)粘聚力的影響大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響；浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，巖石的抗壓強(qiáng)度越低。

經(jīng)過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，Y區(qū)塊井壁失穩(wěn)主要是由于黏土礦物伊/蒙混層相對(duì)含量較高，黏土礦物以片狀、粒狀存在，易水化分散、膨脹，降低了巖石的抗壓強(qiáng)度，引起了鉆井過程中塌、漏以及井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況。

2 防塌鉆井液優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

2.1 防塌鉆井液設(shè)計(jì)思路

綜合考慮巖石力學(xué)和鉆井液對(duì)井壁穩(wěn)定的影響、以及成本和現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，要求控制井徑擴(kuò)大率≤ 15%時(shí)，且井壁穩(wěn)定25 d，適于Y區(qū)塊復(fù)雜井段的防塌鉆井液關(guān)鍵性能為：密度為1.25 g/cm3，巖石內(nèi)聚力≥7.1 MPa。

1)鉆井液抑制性能優(yōu)化。在原用KCl-聚合物鉆井液配方的基礎(chǔ)上引入氨基聚醇處理劑來提高鉆井液的抑制性能。

2)鉆井液封堵性能優(yōu)化。本研究在原用鉆井液配方中引入了應(yīng)用較為廣泛的水基成膜鉆井液處理劑JYW-1來提高鉆井液體系的封堵性能。

3)鉆井液潤(rùn)濕特性優(yōu)化。在現(xiàn)用鉆井液中引入一種納米潤(rùn)濕調(diào)節(jié)劑，來改善鉆井液對(duì)地層巖石的潤(rùn)濕性能。

結(jié)合以上設(shè)計(jì)思路，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，在現(xiàn)用配方鉆井液中加入2%胺基聚醇即可取得良好的抑制性能，在鉆井液中加入1.5%JYW-1即可取得良好的封堵效果。在鉆井液中加入0.5%納米潤(rùn)濕調(diào)節(jié)劑即可有效提高鉆井液與巖石的接觸潤(rùn)濕角，改善鉆井液潤(rùn)濕性能[5-6]。

2.2 優(yōu)化防塌鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

2.2.1 優(yōu)化鉆井液配方

依據(jù)該區(qū)塊井壁失穩(wěn)機(jī)理，在原用KCl-聚合物鉆井液配方基礎(chǔ)上，通過引入氨基聚醇、成膜劑和納米潤(rùn)濕調(diào)節(jié)劑，優(yōu)選出了適于在該區(qū)應(yīng)用的防塌鉆井液優(yōu)化配方。

KCl-聚合物防塌鉆井液優(yōu)化配方為：2%膨潤(rùn)土+0.15%純堿+0.15%燒堿+5%KCl+0.3%PAC-R+0.6%PAC-LV+0.2%PHPA+2%改性淀粉+0.3%黃原膠+1.5%磺化瀝青+0.2%殺菌劑+0.5%消泡劑+2%氨基聚醇+1.5%成膜劑JYW-1+0.5%納米潤(rùn)濕調(diào)節(jié)劑。

確定了鉆井液優(yōu)化配方后，針對(duì)此配方進(jìn)行常規(guī)性能、抑制特性、潤(rùn)濕特性及其對(duì)泥頁(yè)巖強(qiáng)度影響評(píng)價(jià)。

2.2.2 優(yōu)化鉆井液體系抑制性能評(píng)價(jià)

測(cè)試巖屑在鉆井液中的線性膨脹率，是評(píng)價(jià)鉆井液抑制泥頁(yè)巖水化性能的重要方法，并將測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)用配方鉆井液作對(duì)比分析。

1)滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)。分別取RABAA-1井和HENIN-1井易失穩(wěn)井段四個(gè)地層的現(xiàn)場(chǎng)巖屑，按SY/T5613-2000標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試其在優(yōu)化鉆井液中的滾動(dòng)回收情況，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與清水、現(xiàn)用配方測(cè)試情況作對(duì)比分析。現(xiàn)用配方和優(yōu)化配方滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析見表3所示。

表3 現(xiàn)用配方和優(yōu)化配方滾動(dòng)回收率測(cè)試對(duì)比

2)線性膨脹實(shí)驗(yàn)。取RABAA-1和HENIN-1井易失穩(wěn)井段巖屑樣品烘干后粉碎成粉末，按標(biāo)準(zhǔn)程序壓制成人造巖心，測(cè)試巖屑在優(yōu)化鉆井液中的線性膨脹情況，并將測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)用配方作對(duì)比分析。測(cè)試結(jié)果及對(duì)比見表4。

表4 巖屑在現(xiàn)用鉆井液和優(yōu)化鉆井液中線性膨脹率表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，現(xiàn)場(chǎng)巖屑在現(xiàn)用鉆井液中的線性膨脹率平均值約為9.2%，明顯高于在優(yōu)化后配方鉆井液中的平均值6.9%，表明優(yōu)化鉆井液抑制頁(yè)巖線性膨脹的能力明顯優(yōu)于現(xiàn)用配方鉆井液。

2.2.3 優(yōu)化鉆井液潤(rùn)濕性能評(píng)價(jià)

本項(xiàng)試驗(yàn)應(yīng)用JC2000D3接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試現(xiàn)用配方及優(yōu)化配方鉆井液濾液與地層巖石間的接觸潤(rùn)濕角，分析各自潤(rùn)濕特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，蒸餾水與巖石的潤(rùn)濕角為26.1°，是三種實(shí)驗(yàn)流體中最小的，說明該巖石具有強(qiáng)親水性，蒸餾水很容易潤(rùn)濕巖石表面，再逐漸鋪展開，沿巖石孔縫逐漸滲入到巖石內(nèi)部?，F(xiàn)用配方鉆井液中含有一定量的陽(yáng)離子聚合物，濾液與巖石潤(rùn)濕角較之蒸餾水作用時(shí)有一定的提高(33.7°)，但潤(rùn)濕角提升量相對(duì)并不明顯。優(yōu)化配方中引入了納米潤(rùn)濕調(diào)節(jié)劑，其可顯著提高巖石的親油疏水性能，鉆井液濾液在巖石表面的接觸潤(rùn)濕角最大(51.9°)，此特點(diǎn)可減弱鉆井液沿微裂縫侵入地層，降低因毛細(xì)管力作用而導(dǎo)致的裂縫擴(kuò)展，促進(jìn)井壁穩(wěn)定。

2.2.4 優(yōu)化鉆井液強(qiáng)化井壁圍巖強(qiáng)度效果評(píng)價(jià)

鉆井液體系優(yōu)化的主要目標(biāo)是保持體系良好常規(guī)性能的同時(shí)，增強(qiáng)鉆井液強(qiáng)化井壁強(qiáng)度能力，從而實(shí)現(xiàn)保持井壁穩(wěn)定的目的。課題組通過巖石三軸強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試巖心(露頭)經(jīng)優(yōu)化鉆井液浸泡后的強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，分析巖心在優(yōu)化鉆井液作用下各力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。同時(shí)結(jié)合考慮時(shí)間效應(yīng)的線彈性多孔介質(zhì)的流固熱化耦合方程，評(píng)價(jià)優(yōu)化鉆井液提升地層坍塌壓力的效果及其對(duì)井壁坍塌周期的影響[7]。

1)優(yōu)化鉆井液對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)影響。將優(yōu)化鉆井液對(duì)巖石參數(shù)影響的測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)用鉆井液作用下結(jié)果做對(duì)比分析。優(yōu)化鉆井液作用巖石25 d后，巖石內(nèi)聚力大于7.4 MPa，該值大于保持井壁穩(wěn)定所需的巖石內(nèi)聚力7.1 MPa，說明優(yōu)化鉆井液可以按設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)要求保持井壁穩(wěn)定。

2)優(yōu)化鉆井液降低地層失穩(wěn)效果分析。如上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，巖心在鉆井液浸泡下會(huì)發(fā)生水化效應(yīng)，其抗壓強(qiáng)度不斷降低，彈性模量，泊松比等力學(xué)參數(shù)也隨鉆井液作用時(shí)間而變化。傳統(tǒng)鉆井液設(shè)計(jì)時(shí)，往往將井壁考慮成非滲透地層，或者僅考慮鉆井液導(dǎo)致的孔隙壓力傳遞，經(jīng)常忽略因泥頁(yè)巖水化作用引起的地層坍塌壓力會(huì)隨時(shí)間變化這一因素。實(shí)際上，地層井壁失穩(wěn)存在坍塌周期，如鉆井液密度設(shè)計(jì)時(shí)未合理考慮此特點(diǎn)，使用所設(shè)計(jì)的密度鉆進(jìn)時(shí)，井壁可能出現(xiàn)“假穩(wěn)定”狀態(tài)，即打開井眼較短時(shí)間內(nèi)，井壁能保持穩(wěn)定，隨著鉆井液作用時(shí)間的延長(zhǎng)，井壁可能重新出現(xiàn)失穩(wěn)。

3 井壁坍塌周期圖版繪制

根據(jù)井壁圍巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布模型，繪制優(yōu)化鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版，評(píng)價(jià)優(yōu)化鉆井液對(duì)降低地層坍塌壓力效果。模型計(jì)算所用巖石力學(xué)參數(shù)為與區(qū)塊易失穩(wěn)地層巖性相似的四川露頭，其他參數(shù)與前文繪制現(xiàn)用鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版時(shí)所用參數(shù)相同。Rabaa-1井saar地層失穩(wěn)井段，現(xiàn)場(chǎng)用鉆井液密度值為1.25 g/cm3。繪制的現(xiàn)用、優(yōu)化鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版如圖2所示[8]。

從圖2可看出，優(yōu)化前鉆井液(紅線)和優(yōu)化后(現(xiàn)用)鉆井液(藍(lán)線)作用下井壁坍塌壓力都隨鉆井液作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但現(xiàn)用鉆井液導(dǎo)致地層坍塌壓力的增量明顯大于優(yōu)化鉆井液。該井段現(xiàn)場(chǎng)所用鉆井液密度為1.25 g/cm3，現(xiàn)用鉆井液在此密度下能保持井壁穩(wěn)定約21 d，優(yōu)化鉆井液在1.25 g/cm3密度下可保持井壁穩(wěn)定約28 d，滿足理想坍塌周期25 d的要求，說明優(yōu)化鉆井液強(qiáng)化井壁圍壓強(qiáng)度的效果更好，其防止井壁失穩(wěn)的效果優(yōu)于現(xiàn)用鉆井液。

圖2 現(xiàn)用/優(yōu)化鉆井液作用下井壁坍塌周期圖版(SARR地層)

對(duì)于給定地層，孔隙壓力和井壁圍巖力學(xué)參數(shù)等會(huì)隨所用鉆井液配方和性能的改變而變化。同一地層，不同的鉆井液配方和性能，可計(jì)算出不同的鉆井液安全密度窗口和地層坍塌周期。因此，測(cè)試失穩(wěn)地層現(xiàn)場(chǎng)巖心在待用鉆井液作用下的力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，才能更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)地層坍塌壓力和臨界坍塌周期?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)鉆井液可能作用于井壁的天數(shù)(如：打開井眼到固井時(shí)間)及鉆井液的具體性能，選擇合理的鉆井液密度，防止井壁出現(xiàn)“假穩(wěn)定”現(xiàn)象[9]。

選取該區(qū)塊坍塌特別嚴(yán)重的井段1 700～1 940 m井徑作為對(duì)比井段，該井段也是鄰井出現(xiàn)嚴(yán)重井塌導(dǎo)致鉆井復(fù)雜最多的井段，通過分析井徑曲線，易塌井段實(shí)驗(yàn)井井徑擴(kuò)大率小于8%，而對(duì)比井井徑擴(kuò)大率則達(dá)到100%。由于井壁穩(wěn)定，鉆井液性能優(yōu)良，鉆井起下鉆過程順利，泵壓、排量，接單根正常，完鉆后起鉆順利，在沒有通井的情況下進(jìn)行測(cè)井，沒有發(fā)生阻卡現(xiàn)象，測(cè)完井后下套管、固井順利，節(jié)約了成本和時(shí)間。

4 結(jié)論與建議

1)綜合分析Y區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)施工情況、地層巖石理化性能、地應(yīng)力、孔隙壓力、鉆井液影響等因素，得出該區(qū)塊井壁失穩(wěn)的主要機(jī)理為硬脆性泥頁(yè)巖水化剝落破壞，應(yīng)注重提高鉆井液的抑制和封堵性能。

2)針對(duì)Y區(qū)塊主要失穩(wěn)地層Saar組繪制了坍塌周期圖版，優(yōu)化后的防塌鉆井液體系比現(xiàn)場(chǎng)用的鉆井液具有更強(qiáng)的防塌抑制性能，膨脹率降低了2.3%，回收率提高了10%～30%，坍塌周期延長(zhǎng)了7 d，且流變性更好控制，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

3)通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明最大井徑擴(kuò)大率均小于8%，無(wú)井壁坍塌等復(fù)雜現(xiàn)象出現(xiàn)，鉆完井過程順利，節(jié)約了成本和時(shí)間。