陳修平，高雷雨，劉景濤，胡云磊，李家學，石祥超

（1.中石化西北油田分公司石油工程技術研究院，烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，烏魯木齊 830011；3.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；4.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依 834000）

順北油氣田位于塔里木盆地北部，東西緊鄰滿加爾坳陷和阿瓦提坳陷，南北鄰近卡塔克隆起和沙雅隆起，包含4 個區(qū)塊，面積為19 979 km2，油氣資源量為17 億噸[1-2]。順北油氣田屬斷溶體油藏，其儲層的發(fā)育規(guī)模和分布特征受走滑斷裂體系控制明顯，地質解釋13 條斷裂帶，目前主要在1 號和5 號斷裂帶進行鉆探，完鉆32 口，正鉆15 口，工程地質特征復雜，給鉆井帶來諸多技術難題[3-5]。卻爾卻克組地層以灰、深色硬脆性灰質泥巖為主。鉆井過程中井壁失穩(wěn)坍塌嚴重，成為制約順北區(qū)塊油氣開發(fā)進展的重要技術難題。為解決該地層出現的井壁失穩(wěn)問題，減少該地層由于井壁失穩(wěn)導致的工程損失，采取有效的井壁穩(wěn)定應對措施，開展了地層的微觀結構和礦物組分分析、巖石力學實驗等研究工作，揭示了井壁失穩(wěn)的機理，提出了控制井壁失穩(wěn)的建議，為該類地層的井壁穩(wěn)定性研究提供了理論依據和參考。

1 井壁失穩(wěn)潛在影響因素分析

造成井壁失穩(wěn)的因素很多，基本上很難有一套理論能完全定量解釋鉆井過程中失穩(wěn)發(fā)生的原因，但綜合研究成果，井壁失穩(wěn)分析主要基于地層和地層與鉆井作用兩個方面。為了分析井壁失穩(wěn)的機理，研究對地層泥頁巖礦物組分、裂縫分布、巖石力學特征、地質力學和鉆井操作過程進行了分析和解釋，以明確井壁失穩(wěn)的潛在影響因素。

1）礦物組分分析。卻爾卻克組主要以灰、深色硬脆性灰質泥巖為主，對順北X 井鉆井過程中上返掉塊進行XRD（X-ray diffraction）礦物組分分析，結果見表1。卻爾卻克組泥巖中黏土礦物含量大，在15%～35%之間，黏土礦物中伊利石含量在60%左右，伊蒙混層主要在10%～30%，具有一定的水化膨脹失穩(wěn)基礎。

表1 順北X 井卻爾卻克組泥巖礦物組分

2）裂縫及分布分析。卻爾卻克組地層微裂縫發(fā)育，在進行標準巖樣制備過程中發(fā)現每個巖樣均發(fā)育有不同程度的宏觀裂縫，屬于典型的硬脆性灰質泥巖（見圖1），SEM 電鏡掃描結果見圖2。

圖1 順北X 井和X+1 井的硬脆性泥巖巖樣

圖2 卻爾卻克組泥巖掃描電鏡圖

圖2 顯示，卻爾卻克組泥巖微裂縫發(fā)育，屬于粒間裂縫，呈離散狀分布，周邊被黏土礦物包圍，裂縫寬度一般在1～4 μm，長度由幾微米到幾十微米不等，在外力作用下該巖樣的微裂縫極易擴展。

3）巖石力學特征分析。由于卻爾卻克組泥巖巖樣裂隙發(fā)育，無法取得完整標準巖樣開展巖石力學實驗，用清水、6%KCl 溶液、水基鉆井液、油基鉆井液分別對不規(guī)則巖塊浸泡96 h 后開展點載荷實驗。單軸抗壓強度可根據點載荷強度進行估算[6]：。其中，Is為點載荷強度，MPa。實驗結果見表2 和圖3?？梢钥闯?，清水浸泡96 h 后的單軸抗壓強度最大為14.94 MPa，最小為7.37 MPa，水基鉆井液浸泡后的巖樣強度最大為20.26 MPa，最小為8.59 MPa，油基鉆井液浸泡后的巖石強度最高，基本在50 MPa 以上，表明其對巖石強度基本無影響。

表2 巖石點載荷實驗值

圖3 巖石點載荷實驗結果

4）地質力學分析。由于地質構造復雜，地應力分布復雜，利用地破和測井數據進行地應力反演，該地層垂向地應力、最大水平地應力、最小水平地應力的當量鉆井液密度分別為2.91、3.18、2.12 g/cm3，為走滑地應力類型，存在較強的構造應力作用，并且由于地應力差較大，容易在井周產生應力集中，地層傾角主要為15°～20°，隨著井斜增大，井周應力分布改變，井壁圍巖應力集中程度加大，導致井壁失穩(wěn)風險增加[6]。

5）現場施工井壁失穩(wěn)分析。順北X 井是部署在塔中北坡順托果勒低隆的一口探井，目的層為奧陶系鷹山組，原設計五開次直井。根據實時地質解釋，原井眼軌跡達不到地質目標，最終在鉆進五開卻爾卻克組地層施工過程中，調整設計3 次[7-9]，且在鉆井過程中井壁失穩(wěn)，鉆進、通井非常困難，鉆井周期超設計336.97 d，嚴重影響施工進度。順北X 井鉆至井深6165 m 進入卻爾卻克組地層，共鉆進了3 個井眼，井底深7752 m，井段長度為1587 m。利用測井數據，考慮弱面影響基于單弱面準則（SWP 準則）和摩爾庫倫準則（MC 準則），分別計算第1 井眼、第2 井眼和第3 井眼的坍塌壓力當量鉆井液密度。

在第1 井眼6472.55 m 直井鉆進，鉆井液密度為1.70～1.80 g/cm3，在井深7180～7749 m 上提下放偶有遇阻現象，但未影響正常鉆進，根據實時地質解釋，原井眼軌跡達不到地質目標。如圖4（a）所示，實際鉆井液密度大于計算得到的坍塌壓力當量鉆井液密度，符合實際鉆進情況。在第2 井眼（側鉆井眼），在井深7028.98 m 開窗側鉆，鉆進至井深7330 m 后，井下開始出現頻繁憋泵、憋停頂驅等復雜情況，返出巖屑出現大掉塊，逐漸將鉆井液密度由1.55 提至1.8 g/cm3，加強封堵性，加強井壁支撐能力，嘗試高黏度稠漿、高固相纖維稠漿、重稠塞等，效果都不理想，施工難度逐漸增加，再次決定回填側鉆改直井，如圖4（b）所示，鉆至井深7330 m 后，實際所用鉆井液密度部分小于MC 準則計算得到的坍塌壓力密度，全部小于SWP 準則計算的坍塌壓力密度。即使增加鉆井液密度和封堵性，仍然小于維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度。由于液柱壓力不能維持井壁穩(wěn)定，出現返出大掉塊的情況，造成井壁失穩(wěn)。在第3 井眼（側鉆井眼）從井深7100 m 使用1.71 g/cm3鉆井液鉆進，鉆至井深7136 m 返出大量泥巖掉塊，鉆至井深7365 m 連續(xù)多點遇阻，鉆至井深7520.37 m 返出的巖屑掉塊最大直徑為4.5 cm，厚度1 cm，鉆井液密度提至2.05 g/cm3，艱難鉆至井深7706.52 m。期間加強封堵性，使用高黏度稠漿、高固相纖維稠漿、重稠塞等，效果均不理想。如圖4（c）所示，井深7100～7520 m 實際使用的鉆井液小于MC 準則和SWP 準則計算得到坍塌壓力密度，地層容易坍塌失穩(wěn)。

圖4 順北X 井3 個井眼實際鉆井液密度和坍塌壓力當量鉆井液密度

針對現場施工情況，解決順北X 井井壁失穩(wěn)穩(wěn)定，需要準確計算地層坍塌壓力液密度。綜合地質力學和鉆井情況認為，進入7000 m 地層后，鉆井液密度下限不應低于1.70 g/cm3，因此適合的鉆井液密度為1.70～1.80 g/cm3。

2 井壁失穩(wěn)機理及對策研究

2.1 水基、油基鉆井液作用下崩解實驗

取卻爾卻克組全巖心破碎巖塊試樣分別置于不同鉆井液溶液中浸泡72 h，每隔4 h 拍照，部分照片見圖5。實驗結果顯示：試樣在清水中浸泡4 h后開始崩解，浸泡時間增加，試樣微裂紋擴大，耐崩解系數為97.48%，屬弱崩解；KCl 溶液對崩解具有較大的抑制作用，水基和油基鉆井液浸泡巖石的崩解性較弱，基本不發(fā)生崩解，據此推測水化膨脹垮塌可能性較小。

圖5 卻爾卻克組試樣浸泡實驗結果

2.2 鉆井液封堵性實驗

實驗中采用（高溫高壓封堵性能評價儀）PPA儀器來測定鉆井液封堵性，PPA 儀器工作原理為氣體從儀器下端進入，通過清水段的壓力傳遞，推動活塞向上運動，迫使鉆井液向上穿過砂盤，從上部出口溢出，可通過穿透巖樣鉆井液和濾液量來分析封堵性強弱，此方法可以消除加重鉆井液中固相顆粒在封堵表面的沉積，這與實際鉆井中封堵劑封堵豎直井壁的方式相似，可以提高封堵性評價指標的指導作用[10-11]。實驗模擬封堵地層及封堵過程的封堵部件見圖6。

圖6 鉆井液封堵性實驗評價儀器示意圖

為了減少巖樣不同對實驗評價結果的影響，在同一塊大的卻爾卻克組露頭上直接加工20 個巖樣（編號分別為1#～20#），巖樣厚6.3 mm，直徑64 mm，巖樣的孔隙度平均為17.09%，滲透率平均為0.2092 mD。隨機選取4 塊巖樣1#、3#、4#和5#，開展了不同壓差下的封堵實驗，見圖7。結果顯示：水基鉆井液在封堵過程中，透過巖心砂盤的濾失量逐漸增大，這符合濾失規(guī)律，但是油基在不同壓差下透過巖樣的濾失量幾乎為零，遠遠小于水基鉆井液，油基鉆井液中的處理劑可以封堵砂盤中的微裂縫和孔隙，表明地層巖石對油基鉆井液的阻滯作用非常強，油基鉆井液的封堵性遠大于水基鉆井液。

圖7 水基、油基鉆井液封堵性實驗評價結果

實驗中油基鉆井液配方為：基液（柴油∶水＝86∶14）+2%主乳化劑+2%輔乳化劑+0.8%有機土+0.5%懸浮劑+0.5%潤濕劑+2.5%降濾失劑+加重劑；實驗中水基鉆井液配方為：6%膨潤土漿+2%SMP-3+2%SMP-2+4%SPNH+1%AP-220（降濾失劑）+2%FT-1A（封堵劑）+1%SP-80+2%PRH-1（潤滑劑）+5%KCl+1%超細鈣（粒徑為0.025 mm）+加重劑。其基本性能見表3。

表3 鉆井液基本性能表（高溫高壓測試溫度為150 ℃）

為了探尋油基、水基鉆井液的封堵作用機理，開展了如下實驗，同樣砂盤隨機取自卻爾卻克組同一露頭，實驗配方如表4。

表4 實驗配方

為了驗證水基鉆井液是否對砂盤上的微裂縫孔隙有封堵作用，優(yōu)選了瀝青粉、超細鈣和納米鈣加入到水基鉆井液中（見6#、8#），結果見圖8。從圖8 可以看出，水基鉆井液中加入了瀝青粉、超細鈣后，透過砂盤的濾失量有所減少，但是在此基礎上增加納米鈣后，濾失量反而有所增加，表明水基鉆井液封堵砂盤所代表的地層時，濾餅的質量（與顆粒級配、濃度有關）至關重要。將油基鉆井液處理劑主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑加入水基鉆井液中（12#），實驗結果（見圖9）顯示，透過砂盤的鉆井液濾失量大幅度減少，接近于油基鉆井液。

圖8 水基鉆井液封堵性實驗結果

圖9 水基鉆井液加油基處理劑封堵性評價結果

2.3 井壁失穩(wěn)機理和對策研究

綜合研究成果和實驗數據[10-15]，油基鉆井液封堵性強，可以穩(wěn)定井壁的主要體現在以下幾個方面：①油水界面形成高強度膜，阻止液體進入地層孔隙、裂縫；②泥頁巖天然親水，隨著油基鉆井液中的表面活性劑實現潤濕翻轉，黏土表面形成親油油膜，毛管力變阻力，阻止鉆井液中的水相滲入地層；③油基鉆井液中有機土等起封堵作用的封堵顆粒在孔隙、裂縫處堆積，形成封堵層；④油基鉆井液中乳化劑牢固地包裹水分子成膠體顆粒，使水分子難以進入地層。見圖10。

圖10 油基水基鉆井液對泥頁巖微裂縫封堵作用機理示意圖

綜合分析，油基鉆井液穩(wěn)定井壁的原因在于油基鉆井液中的表面活性物質、有機土、鉆屑能在地層一定尺寸孔隙、微裂縫中形成一層可以承受一定壓力差的“強度膜”，在“強度膜”存在下，鉆井液中的液相無法進入地層之中，就無法形成水力尖劈作用，從而穩(wěn)定井壁。很顯然形成強度膜的條件之一是地層孔隙、裂縫尺寸與油基鉆井液中表面活性劑物質、有機土尺寸相互匹配，如果地層存在較大裂縫或孔隙（超過油基鉆井液中表面活性劑物質、有機土匹配尺寸），則無法形成承壓的強度膜，鉆井液液相進入裂縫之中，產生水力尖劈作用，將井壁巖石逐漸剪切剝落。根據前面研究判斷，卻爾卻克組地層在水基鉆井液作用下掉塊垮塌的主要原因是地層裂縫微裂縫發(fā)育，鉆柱對井壁碰撞和鉆井液液相在高壓差作用下產生水力尖劈作用導致了井壁巖石的剝落[10]。根據井壁穩(wěn)定機理研究和現場失穩(wěn)分析，卻爾卻克組地層存在大量微裂縫，水基鉆井液大量進入地層，造成卻爾卻克組地層坍塌失穩(wěn)。應從兩個方面入手解決該地層的井壁失穩(wěn)問題，第一是增強鉆井液的抑制性，盡量避免水化作用；第二是增加鉆井液的封堵性[11]。因此，推薦現場將水基鉆井液改為油基鉆井液。

3 現場應用

根據卻爾卻克組地層的微裂縫寬度特征及室內封堵性試驗結果，油基鉆井液在不同壓差下透過砂盤的鉆井液量始終為零，遠遠小于水基鉆井液，這與現場使用油基鉆井液克服地層垮塌失穩(wěn)相吻合。選擇油基鉆井液，通過室內復配研究，得到適合于現場的鉆井液主要配方如下。其基本性能見表5。水基鉆井液替換為油基鉆井液后，扭矩8～10 變?yōu)?～6，扭矩變得平穩(wěn)。起鉆懸重從連續(xù)性鋸齒狀226～250 t 變?yōu)?24～230 t，比較通暢，未遇阻。起鉆檢查發(fā)現7029～7157 m 段多處鉆桿本體表面磨亮、外徑無變化，7100 m 附近未磨亮，順利鉆進至7777 m，并在下導管期間，未發(fā)生嚴重事故。

表5 油基鉆井液基本性能（ρ=1.78 g/cm3）

柴油+（2%～3%）主乳化劑+（2%～3%）輔乳化劑+（0.5%～0.8%）有機土+（0.3%～0.6%）懸浮劑+（0.5%～0.8%）潤濕劑+（1.5%～2.5%）降濾失劑+加重劑（油水比為（85∶15）～（290∶10））

4 結論

1.巖性為硬脆性泥巖，含15%～40%的黏土礦物，以非膨脹性礦物為主，膨脹性弱；伊蒙混層占比14%～26%，膨脹層分散脫落對巖石強度具有弱化作用。

2.巖石的吸水量小于2%，巖石的崩解量小于5%，屬于極弱的水平；巖石的膨脹率小于0.2%，屬于極弱膨脹性，KCl 對巖樣具有較強的抑制效果。

3.巖石微裂縫發(fā)育，一般在1～4 μm 之間，巖石強度非均質性較強，受水化影響顯著，6%KCl溶液能夠保證巖石具有良好的強度，但油基鉆井條件下巖石強度幾乎不受影響。

4.根據井壁穩(wěn)定性分析，得到鉆井坍塌密度窗口為1.70 g/cm3，建議使用鉆井液密度1.7～1.8 g/cm3。

5.油基鉆井液對巖石力學性質影響極小，能夠對微裂縫起到良好的封堵作用，解決了卻爾卻克組硬脆性泥巖的地層井壁失穩(wěn)問題。