川中震旦系燈影組井壁失穩(wěn)機(jī)理及防塌鉆井液技術(shù)

王 睿， 王 蘭

(1中國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]。該儲層埋深約6 000 m，過路層系多，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非黏土礦物X衍射分析方法》，采用X-射線衍射儀對震旦系燈影組巖樣進(jìn)行XRD礦物組分分析測試。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井分析對巖樣進(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定儀和多頻率超聲波測量儀對震旦系燈影組巖樣進(jìn)行了孔隙度、滲透率、密度分析測試。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

鉆井液浸泡對巖石抗壓強(qiáng)度特性的影響通過巖石三軸抗壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究以評價(jià)鉆井液作用下的巖石力學(xué)特性變化，分析鉆井液對巖石力學(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，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)，在沒有與鉆井液接觸時(shí)，彈-脆性破壞特征趨勢顯著增大。在鉆井過程中，該地層很容易受到鉆頭力的作用，在地層周圍極易形成大量誘導(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)類型多為潛在正斷型應(yīng)力場，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)見表2。

表2 防塌鉆井液老化前后的性能

注：鉆井液測試溫度50℃，HTHP測試溫度為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價(jià)

通過抑制膨潤土分散實(shí)驗(yàn)和巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)分別對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價(jià)，數(shù)據(jù)見表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價(jià)

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5613- 2000《泥頁巖理化性能試驗(yàn)方法》，采用高溫高壓泥頁巖膨脹儀對防塌鉆井液濾液進(jìn)行線性膨脹率實(shí)驗(yàn)評價(jià)，數(shù)據(jù)見圖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巖屑線性膨脹率更低，說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. 封堵承壓能力評價(jià)

實(shí)驗(yàn)采用FA型無滲透濾失儀測試磺化鉆井液和防塌鉆井液的封堵能力，數(shù)據(jù)見表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)化性能評價(jià)

通過巖心(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)，考察不同鉆井液對泥頁巖的加固效果來評價(jià)巖心強(qiáng)化性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表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. 儲層保護(hù)性能評價(jià)

實(shí)驗(yàn)通過測磺化鉆井液和防塌鉆井液損害后的震旦系燈影組儲層巖心滲透率恢復(fù)值，以評價(jià)儲層保護(hù)性能，數(shù)據(jù)見表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%，說明防塌鉆井液保護(hù)儲層性能較好，可作為儲層鉆井液。

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)場應(yīng)用

1. 應(yīng)用井概況

防塌鉆井液在高石001-X23井的四開(?149.2 mm)大斜度井段5 166～5 748 m(燈四)進(jìn)行了現(xiàn)場應(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)該體系對燈影組巖心的滲透率恢復(fù)值達(dá)85%以上，對儲層有較好的保護(hù)作用，可作為川中震旦系燈影組儲層鉆井液。

(4)現(xiàn)場應(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)。