中牟頁(yè)巖氣區(qū)塊泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定影響因素分析及技術(shù)對(duì)策

袁青松，汪 超，劉艷杰，李中明，朱德勝

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001； 2.河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司，河南 鄭州 450001； 3.地下清潔能源勘查開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 鄭州 450001)

井壁失穩(wěn)一直是鉆井過(guò)程中常常遇到的難題之一，易導(dǎo)致井壁發(fā)生坍塌掉塊、井眼擴(kuò)徑、縮徑、卡鉆、固井質(zhì)量低等井下復(fù)雜和事故，直接造成鉆井周期長(zhǎng)和低經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。大量的資料顯示，鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大多數(shù)發(fā)生在泥頁(yè)巖井段，影響井壁穩(wěn)定性的因素很多，主要集中在力學(xué)和物理、化學(xué)方面。

中牟頁(yè)巖氣區(qū)塊位于河南省開(kāi)封市中部，屬第二輪國(guó)土資源部投標(biāo)區(qū)塊之一，主要鉆遇泥頁(yè)巖層位為石炭系-二疊系山西組-太原組。該區(qū)塊勘查程度較低，目前僅實(shí)施了1口直井(MY1井)，在該井鉆遇山西組-太原組過(guò)程中出現(xiàn)井眼坍塌掉塊、卡鉆、井眼縮徑、井徑擴(kuò)大率大等井下復(fù)雜情況，為了弄清構(gòu)成井壁失穩(wěn)的主要影響因素，本文利用牟頁(yè)1井(MY1井)鉆井巖心及測(cè)井資料，從中牟區(qū)塊山西組-太原組泥頁(yè)巖巖石基礎(chǔ)物性、巖石礦物組成、巖石微觀結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力多方面進(jìn)行分析，研討造成井壁失穩(wěn)要素，為區(qū)塊下一步安全鉆井施工提供指導(dǎo)。

1 井壁穩(wěn)定性影響因素分析

鉆井過(guò)程中常遇到的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象主要包括破碎性失穩(wěn)、塑性失穩(wěn)、泥頁(yè)巖失穩(wěn)，其中泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)占到了90%以上。造成泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的緣由有很多，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)主要集中在井壁力學(xué)穩(wěn)定研究及泥頁(yè)巖物理-化學(xué)穩(wěn)定性研究。

造成井壁失穩(wěn)的泥頁(yè)巖主要有2種：第一種是含蒙皂石粘土礦物的泥頁(yè)巖，該類泥頁(yè)巖埋藏較淺，膠結(jié)程度低，成巖性差，遇水后容易發(fā)生水化膨脹，造成井眼縮徑現(xiàn)象；第二種是伊利石、伊蒙混層、綠蒙混層含量較高的泥頁(yè)巖，該類泥頁(yè)巖在泥頁(yè)巖分類中定義為硬脆性泥頁(yè)巖，此種泥頁(yè)巖，在鉆開(kāi)井眼后掉塊現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導(dǎo)致井眼擴(kuò)徑、埋鉆、卡鉆等事故。

泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)主要分為2類情況。第一類為井壁剪切破壞，剪切破壞主要是因?yàn)殂@開(kāi)井眼后，打破了井眼本身的力學(xué)平衡，假如此時(shí)井筒中的鉆井液密度值不夠，將無(wú)法支撐地層本身巖石強(qiáng)度和應(yīng)力集中造成的破壞，導(dǎo)致井眼發(fā)生井徑擴(kuò)大和縮徑現(xiàn)象。井徑擴(kuò)大現(xiàn)象通常發(fā)生在硬脆性泥頁(yè)巖段，井眼縮徑通常發(fā)生在易水化膨脹的軟泥頁(yè)巖段，井眼擴(kuò)徑對(duì)完井后的測(cè)井及固井危害極大，尤其在實(shí)施頁(yè)巖氣鉆井，后期需要進(jìn)行大型水力壓裂，測(cè)井及固井質(zhì)量好壞直接影響頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及壓裂施工規(guī)模。第二類為拉伸破壞，井壁拉伸破壞主要是因?yàn)榫矁?nèi)鉆井液密度過(guò)高，靜液柱壓力超過(guò)了巖石的抗張強(qiáng)度，造成井漏事故。本文主要從泥頁(yè)巖物理化學(xué)特性、巖石力學(xué)、地應(yīng)力場(chǎng)分布多方面分析造成井壁失穩(wěn)的原因，通過(guò)對(duì)各影響因素的綜合分析，針對(duì)性地制定應(yīng)對(duì)措施，以解決中牟頁(yè)巖氣區(qū)塊井壁鉆井泥頁(yè)巖層井壁失穩(wěn)難題。

1.1 泥頁(yè)巖類型分析

泥頁(yè)巖種類很多，一般由蒙脫石、伊利石、綠泥石、伊蒙混層三類晶質(zhì)的粘土礦物等，石英、長(zhǎng)石、方解石三類非粘土礦物(等)以及非晶體粘土礦物(如蛋白石等)組成[5]。其中晶體礦物和非晶體礦物為井壁失穩(wěn)的主要因素，根據(jù)晶質(zhì)礦物組成將泥頁(yè)巖分為硬脆性泥頁(yè)巖和軟泥頁(yè)巖，一般井下復(fù)雜事故均發(fā)生在硬脆性泥頁(yè)巖層中。

采取MY1井山西組和太原組泥頁(yè)巖巖心，利用X射線衍射對(duì)巖石礦物展開(kāi)分析，分析結(jié)果顯示巖石礦物中主要礦物成分為石英和粘土礦物，其中石英含量平均45%，粘土礦物含量平均46%，長(zhǎng)石含量3%～5%，黃鐵礦和碳酸鹽巖含量占少量。粘土礦物的主要成分為伊利石和伊蒙混層，伊蒙混層含量占大部分，綠泥石含量較低，不含蒙皂石和高嶺石，伊利石的平均含量達(dá)到了59%，高嶺石的含量平均值為13.8%，伊蒙混層含量平均為17%(見(jiàn)表1)。

表1 巖心X射線粘土礦物成分分析

對(duì)MY1井泥頁(yè)巖巖屑在100 ℃溫度條件下做清水滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖水化分散性能，實(shí)驗(yàn)老化時(shí)間16 h，老化過(guò)后過(guò)40目篩網(wǎng)，取篩余物烘干至恒重，計(jì)算熱滾回收率(見(jiàn)表2)。同時(shí)利用專用儀器在高溫高壓條件下測(cè)定泥頁(yè)巖的膨脹率(見(jiàn)表3)。

表2 巖屑熱滾回收率

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從礦物組成和粘土礦物類型分析，粘土礦物成分較高，強(qiáng)膨脹性的粘土礦物蒙脫石含量較少，主要是弱膨脹性的伊利石、伊蒙混層等，伊蒙混層中蒙脫石的混層比也很低，清水熱滾實(shí)驗(yàn)回收率都在90%左右，水化分散性弱，山西組、太原組泥頁(yè)巖高溫高壓膨脹率分別為10.491%和14.951%，具有一定的膨脹性，但整體屬于弱膨脹類型，綜合礦物組成、水化分散性及膨脹性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，硬脆性為MY1井山西組-太原組泥頁(yè)巖特征。

表3 巖屑高溫高壓膨脹率

1.2 物性分析

鉆井過(guò)程中鉆井液液柱壓力作用在井壁上，在鉆遇低孔隙度、低滲透率的泥頁(yè)巖地層時(shí)，因壓力傳遞相對(duì)緩慢，井壁附近地層孔隙壓力會(huì)在鉆井液作用下發(fā)生變化，近井地帶的地應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，地層有效強(qiáng)度變?nèi)酰诎l(fā)生失穩(wěn)性剝落，不利于井壁穩(wěn)定[6-7]。

對(duì)MY1井巖心進(jìn)行取樣，分析孔隙度和滲透率情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示泥頁(yè)巖的孔隙度0.3%～8.8%，平均值為2.7%，孔隙度大小分布區(qū)間為2.0%～3.0%，孔隙度總體表現(xiàn)較低。滲透率主要為0.0045×10-3～1.2135×10-3μm2，滲透率平均值為0.1328×10-3μm2，其中0.001×10-3～0.1×10-3μm2占主導(dǎo)地位，屬于特低孔隙度、特低滲透率的泥頁(yè)巖(圖1)。

1.3 巖石微觀結(jié)構(gòu)、理化特性分析

硬脆性頁(yè)巖理化特征能反映出其遇水后發(fā)生水化反應(yīng)能力的強(qiáng)弱，而巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造是影響巖石的力學(xué)性質(zhì)以及變形行為的內(nèi)部因素[8-9]。通常層理縫、微裂縫會(huì)普遍存在于硬脆性泥頁(yè)巖中，其中一部分裂縫結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致鉆井過(guò)程中掉塊、阻卡、坍塌等井下復(fù)雜情況和事故頻發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)，硬脆性泥頁(yè)巖中的微裂縫在毛細(xì)管作用下自吸水使得裂縫擴(kuò)展連通是造成硬脆性泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的主要原因之一。

圖1 泥頁(yè)巖有效孔隙度和有效滲透率頻率分布圖

1.3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電鏡觀察MY1井太原組泥頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)，可以觀察到發(fā)育較多的溶蝕孔、粒間孔及大量有機(jī)孔縫和微裂縫，其中粘土礦物粒間孔達(dá)到1.9 μm，有機(jī)孔縫基本在0.18～0.3 μm，如圖2所示。在鉆井過(guò)程中鉆井液在液柱壓力及毛細(xì)管力作用下易滲透進(jìn)入這些微孔隙和裂縫，在地層內(nèi)部形成膨脹應(yīng)力，逐漸弱化地層結(jié)構(gòu)，造成井壁機(jī)械剝落失穩(wěn)。

1.3.2 CT掃描實(shí)驗(yàn)

選取MY1井太原組泥頁(yè)巖巖心，浸泡在水中，進(jìn)行不同時(shí)間局部CT掃描實(shí)驗(yàn)，來(lái)觀察不同時(shí)間內(nèi)的微觀變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出看似沒(méi)有裂縫的巖樣在浸泡很短時(shí)間內(nèi)迅速形成裂縫開(kāi)啟，隨著時(shí)間的變化，裂縫越來(lái)越寬，且裂縫數(shù)量也越來(lái)越多，表明頁(yè)巖層理縫非常發(fā)育，且極易開(kāi)啟，遇水后裂縫開(kāi)啟速度較快。

1.4 頁(yè)巖力學(xué)特征

巖石力學(xué)特征是井壁穩(wěn)定性的另一個(gè)重要影響因素，巖石的抗壓強(qiáng)度特性、抗剪強(qiáng)度特性、抗張強(qiáng)度特性、硬度及巖石的脆性從不同角度反映了巖石變形和破壞特征。

對(duì)MY1井山西組-太原組巖心進(jìn)行取樣并開(kāi)展三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表4)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示泥頁(yè)巖具有較高的抗壓強(qiáng)度(99.65～108.04 MPa)和較強(qiáng)的彈性變形特點(diǎn)，彈性模量較高(27.50～36.83 GPa)，泊松比較低(0.15～0.18)，根據(jù)頁(yè)巖脆性指數(shù)計(jì)算[9]結(jié)果脆性指數(shù)平均為51.6%，根據(jù)Rickman(2008)脆性系數(shù)判斷[11]區(qū)塊頁(yè)巖脆性很強(qiáng)，易發(fā)生脆性劈裂破壞。

圖2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3 巖樣浸泡在水中不同時(shí)間局部CT掃描變化

1.5 地應(yīng)力分析

當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)至泥頁(yè)巖層時(shí)，打破了巖石原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)，井周開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中。通常情況下，地應(yīng)力是非均勻的，地應(yīng)力相對(duì)大小和差異也反映了地層非均質(zhì)性。水平主應(yīng)力比值越大，能夠提供的泥漿的安全密度窗口越窄，井壁穩(wěn)定性越差。井壁破裂壓力和坍塌壓力的大小與地應(yīng)力的值有關(guān)[12]，為弄清區(qū)塊地應(yīng)力與井壁穩(wěn)定性相關(guān)性對(duì)MY1井展開(kāi)地應(yīng)力方向和大小研究。

表4 巖心三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.5.1 地應(yīng)力方向

一般通過(guò)FMI成像測(cè)井來(lái)測(cè)得地應(yīng)力的方向，在FMI成像測(cè)井圖像上，井眼崩落方向即為地應(yīng)力方位。通過(guò)分析MY1井泥頁(yè)巖段FMI圖像可以看到清晰的鉆井誘導(dǎo)縫和井壁崩落特征。崩落主要發(fā)生在北北西-南南東方位，鉆井誘導(dǎo)縫的方位為北東-南西向(圖4)，基本確定中牟區(qū)塊MY1井最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|-南西70°。

1.5.2 地應(yīng)力大小

利用偶極子聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，采用多孔彈性模型，計(jì)算本井主應(yīng)力大小，計(jì)算結(jié)果顯示山西組-太原組地層三向主應(yīng)力狀態(tài)為σH>σv>σh，最小水平主應(yīng)力介于45～65 MPa，最大水平主應(yīng)力介于56～77 MPa，水平二向應(yīng)力差異平均為13 MPa，二向應(yīng)力差異為26%，說(shuō)明地層具有較強(qiáng)非均質(zhì)性。結(jié)合莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，在此地應(yīng)力狀態(tài)下，井斜角越大，坍塌壓力越小，當(dāng)井斜角保持不變時(shí)，較小的井眼方位角能夠有效降低坍塌壓力，井壁穩(wěn)定性越好[4]。

2 井壁穩(wěn)定防塌技術(shù)對(duì)策

通過(guò)上述研究分析可知中牟區(qū)塊山西組-太原組泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理主要為：

(1)微裂縫在泥頁(yè)巖表面大量分布，泥漿濾液很容易經(jīng)過(guò)這些發(fā)育的微觀裂縫向泥頁(yè)巖內(nèi)部滲入，因此它是導(dǎo)致泥頁(yè)巖垮塌、掉塊的直接原因。

(2)泥頁(yè)巖中伊利石、伊蒙混層、高嶺石等不易膨脹的粘土礦物含量占比高，基本不含易水化膨脹的蒙脫石，因此膨脹率不是很高，盡管如此，當(dāng)泥頁(yè)巖內(nèi)部被泥漿濾液侵入后，這些粘土礦物產(chǎn)生的水化膨脹作用仍會(huì)造成泥頁(yè)巖內(nèi)部不均勻受力，從而加快了泥漿濾液對(duì)泥頁(yè)巖的侵入，促進(jìn)了泥頁(yè)巖表面微觀裂縫張開(kāi)，因此，可以說(shuō)這些粘土礦物的存在是硬脆性泥頁(yè)巖垮塌的內(nèi)部因素。

圖4 FMI井地應(yīng)力分析結(jié)果

(3)地層二向應(yīng)力差異大，地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，當(dāng)鉆開(kāi)井眼后，原始地層垂向和水平方向應(yīng)力平衡關(guān)系被破壞，導(dǎo)致井壁易發(fā)生機(jī)械失穩(wěn)，順著最小水平主應(yīng)力方向發(fā)生物理性坍塌崩落。

針對(duì)中牟區(qū)塊泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)特征采取的主要技術(shù)對(duì)策有：控制鉆井液密度、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井技術(shù)參數(shù)提高井身質(zhì)量，研發(fā)出一套自由水含量低且具有強(qiáng)封堵性的鉆井液體系，減少泥漿濾液侵入地層，減緩壓力傳遞，保證井壁穩(wěn)定[13-14]。

2.1 合理控制鉆井液密度

鉆進(jìn)過(guò)程中要保持合理的鉆井液密度，不要過(guò)大，大了會(huì)壓裂地層，也不要過(guò)小，小了會(huì)造成應(yīng)力釋放，使裂縫崩裂坍塌。對(duì)于硬脆性泥頁(yè)巖一旦發(fā)生坍塌掉塊后，最有效的防塌手段為提高鉆井液密度[15]，中牟區(qū)塊泥頁(yè)巖層屬于特低滲地層，高鉆井液密度不利于儲(chǔ)層保護(hù)，同時(shí)對(duì)氣測(cè)錄井產(chǎn)生干擾，易丟失氣層。根據(jù)中牟區(qū)塊MY1井實(shí)鉆資料，結(jié)合區(qū)域地層孔隙和坍塌壓力大小，采用近平衡鉆進(jìn)，控制鉆井液漏斗粘度40～60 s，密度1.15～1.18 g/cm3，泥頁(yè)巖井段鉆井液的濾失量<5 mL，流變參數(shù)動(dòng)切力2～5 Pa。

2.2 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)

在MY1井二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。一開(kāi)表層套管封隔新近系，該層系具有膠結(jié)程度低、易塌、易漏特征，減少上部地層裸露時(shí)間；二開(kāi)技術(shù)套管封隔三疊系和尚溝組；三開(kāi)生產(chǎn)套管下至奧陶系馬家溝組。采用單彎雙扶螺桿+減震器+鉆鋌復(fù)合鉆具組合控制井身質(zhì)量，井斜角控制在4°以內(nèi)，全角變化率<2°，井徑擴(kuò)大率<10%，降低坍塌壓力，保證井壁穩(wěn)定性。泥頁(yè)巖層段控制鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，泥漿泵排量控制在25 L/s。

2.3 低自由水強(qiáng)封堵鉆井液體系研發(fā)

鉆井液進(jìn)入地層有著不同的驅(qū)動(dòng)方式，減少地層鉆井液濾液的進(jìn)入量，控制泥頁(yè)巖表面發(fā)生水化作用以及毛細(xì)管滲吸效應(yīng)很關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展低自由水強(qiáng)封堵泥漿體系研究，體系研究思路為：(1)雖然頁(yè)巖膨脹性弱，但研發(fā)的鉆井液體系仍然必須具備較好的抑制性，能夠控制鉆井液侵入地層造成粘土膨脹，從而造成堵塞；(2)封堵能力強(qiáng)，能夠大幅度提高鉆井液泥餅的質(zhì)量，減少鉆井液濾液對(duì)微裂縫的侵入、降低壓力傳遞；(3)添加自由水絡(luò)合劑，降低鉆井液自由水含量，從而增加鉆井液濾液進(jìn)入地層的阻力；(4)鉆井液體系中應(yīng)加入一定量的防水鎖劑，能有效降低鉆井液濾液的油水界面張力和氣液表面張力，盡可能降低侵入的濾液造成的水鎖效應(yīng)。

最終形成的鉆井液配方為：2%～3%膨潤(rùn)土+0.2%NaOH+0.3%～0.5%LV-PAC(降失水劑)+0.5%～1%HXY(自由水絡(luò)合劑)+3%HDR(降濾失劑)+1%HAS(抑制劑)+3%HGW(強(qiáng)封堵劑)+2%HSM(封堵劑)+2%HBJ(封堵劑)+1%～2%HLB(潤(rùn)滑劑)+3%～5%KCl+2%HAR-D(防水鎖劑)+重晶石加重。

2.3.1 砂床封堵實(shí)驗(yàn)

低自由水鉆井液體系構(gòu)建的一個(gè)主要目的就是減少鉆井液濾液的侵入，提高鉆井液封堵能力以及地層承壓能力，因此室內(nèi)研究對(duì)構(gòu)建的低自由水鉆井液體系進(jìn)行了模擬砂床實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，為了評(píng)價(jià)該套鉆井液體系的封堵能力，室內(nèi)對(duì)60～80目砂床的封堵效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)(見(jiàn)圖5)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示濾液侵入深度為2.2 cm，侵入深度較小，封堵能力較強(qiáng)。

圖5 鉆井液砂床封堵實(shí)驗(yàn)

2.3.2 濾膜實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

室內(nèi)使用納米濾膜作為泥巖表面封堵介質(zhì)在API/HTHP濾失量測(cè)定儀上分析了濾失量與時(shí)間的關(guān)系曲線，同時(shí)將MY1井采用的聚合物鉆井液體系作對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 濾膜實(shí)驗(yàn)

注：濾膜HTHP，100 ℃×3.5 MPa。

由表5中濾膜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，低自由水強(qiáng)封堵鉆井液體系的API和高溫高壓濾膜濾失量，分別從MY1井聚合物體系的12.8和14.9 mL，下降到7.8和9.0 mL，下降幅度達(dá)39%和40%，說(shuō)明研發(fā)的鉆井液體系對(duì)微納米級(jí)孔喉具有較好的封堵能力，有利于井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)。

2.3.3 低滲巖心封堵實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)將空氣滲透率為79.5×10-3μm2的人造巖心用標(biāo)準(zhǔn)鹽水飽和后，在多功能高溫高壓巖心流動(dòng)試驗(yàn)儀上測(cè)定鉆井液在3.5 MPa、100 ℃、120 min條件下對(duì)低滲巖心微孔隙的封堵能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明清水在2.5 min即漏完，低自由水鉆井液體系0～120 min濾失量為0，說(shuō)明低自由水鉆井液體系在低滲巖心中的封堵能力非常強(qiáng)，巖心表面形成的封堵層非常致密且承壓能力強(qiáng),有利于預(yù)防減少井漏和井壁穩(wěn)定。

表6 低自由水強(qiáng)封堵鉆井液對(duì)低滲巖心的封堵實(shí)驗(yàn)

2.3.4 CST毛細(xì)管吸水實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)研究了低自由水鉆井液體系與其他常用水基鉆井液在CST毛細(xì)管吸允儀器上的吸水實(shí)驗(yàn)來(lái)考察鉆井液束縛水的能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低自由水鉆井液體系由于束縛了大量的自由水，從而顯示毛細(xì)管吸水時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)以往使用的聚合物體系，說(shuō)明該體系對(duì)自由水的束縛效果較好，在鉆井過(guò)程中能夠很大程度上降低鉆井液濾液對(duì)地層的侵入。

表7 鉆井液體系吸水能力對(duì)比

2.3.5 儲(chǔ)層保護(hù)評(píng)價(jià)

基于研究對(duì)象為頁(yè)巖氣井，氣層保護(hù)也是重點(diǎn)。在室內(nèi)進(jìn)行該套鉆井液體系儲(chǔ)層保護(hù)效果評(píng)估，實(shí)驗(yàn)根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，巖心選用人工巖心做氣測(cè)滲透率恢復(fù)值，儲(chǔ)層保護(hù)效果評(píng)價(jià)結(jié)果如表8所示。

表8 低自由水強(qiáng)封堵鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)效果

注：K0為原始巖心滲透率；K1為浸泡鉆井液后巖心滲透率。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2017年在中牟區(qū)塊部署實(shí)施了第二口直井(ZDY2井)，該井完鉆井深2976 m，通過(guò)變換井身結(jié)構(gòu)以及調(diào)整鉆井參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格控制鉆井液密度，采用研發(fā)的鉆井液體系，在鉆進(jìn)山西組-太原組井段基本無(wú)坍塌掉塊現(xiàn)象出現(xiàn)，整個(gè)鉆井過(guò)程順利，未出現(xiàn)因井壁穩(wěn)定性導(dǎo)致的復(fù)雜事故，目的層起下鉆均較為順暢，較好地解決了中牟頁(yè)巖氣區(qū)塊山西組-太原組泥頁(yè)巖層段井壁失穩(wěn)難題，保證了鉆井安全，較MY1井大幅度降低了施工成本。完井測(cè)井結(jié)果顯示目的層井徑擴(kuò)大率6.26%，同時(shí)鉆井周期由鄰井67.91 d降至55.24 d，井斜角最大值1.8°(表9)，各項(xiàng)井身質(zhì)量指標(biāo)均高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表9 2口井關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)MY1井山西組-太原組泥頁(yè)巖各項(xiàng)物理、力學(xué)特征及地應(yīng)力場(chǎng)分析，中牟區(qū)塊泥頁(yè)巖的類型為硬脆性泥頁(yè)巖，巖石脆性程度較高，微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)育了較多的微裂縫，地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，在鉆井過(guò)程中井壁易產(chǎn)生機(jī)械失穩(wěn)情況，屬于物理-力學(xué)型坍塌掉塊。

(2)通過(guò)對(duì)山西組-太原組泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性影響因素分析，采取針對(duì)性技術(shù)對(duì)策，控制鉆井液密度，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)，針對(duì)性地研發(fā)鉆井液體系，較好地控制鉆井液自由水進(jìn)入地層產(chǎn)生膨脹壓差，實(shí)踐結(jié)果表明該對(duì)策較好地解決了中牟區(qū)塊山西組-太原組泥頁(yè)巖井壁坍塌難題。