塔里木盆地富滿油田二疊系玄武巖井壁穩(wěn)定技術(shù)研究及應(yīng)用

孫愛生， 段永賢， 徐 楊， 何思龍， 郭秋田， 申 彪

1中國石油塔里木油田分公司 2中國石油川慶鉆探公司工程有限公司新疆分公司

0 前言

隨著石油工業(yè)科技的發(fā)展和勘探力度的不斷加深，近幾年超深井的數(shù)量在不斷增加。其中，塔里木盆地富滿油田超深井地層跨度大，從第四系到震旦系，二疊系玄武巖分布尤其廣泛,有富源Ⅲ、躍滿、富源等9個(gè)區(qū)塊，滿深1井的重大油氣發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了富滿油田東部新區(qū)勘探評(píng)價(jià)進(jìn)程。但是該區(qū)塊二疊系埋藏有大段的火山活動(dòng)形成的玄武巖，其厚度差異大、分布廣。在開發(fā)初期，由于對(duì)其巖性特征認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致多口井鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生卡鉆、通井困難、阻卡嚴(yán)重等故障復(fù)雜，增加了鉆井周期，影響了鉆井的時(shí)效，提高了鉆井的成本，阻礙了油氣勘探開發(fā)的進(jìn)度。分析研究塔里木盆地富滿油田二疊系玄武巖井壁失穩(wěn)機(jī)理，解決玄武巖井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，是目前急需解決的主要任務(wù)之一。

1 玄武巖井壁失穩(wěn)機(jī)理研究

通過對(duì)玄武巖結(jié)構(gòu)特征、地層地震相態(tài)特征、理化特性、地應(yīng)力以及坍塌壓力開展研究，找到玄武巖段井壁失穩(wěn)的機(jī)理，為下步解決玄武巖井壁失穩(wěn)提供理論依據(jù)。

1.1 玄武巖結(jié)構(gòu)特征和薄片分析

對(duì)富滿油田鉆進(jìn)過程中鉆遇的玄武巖(見圖1)用偏光顯微鏡進(jìn)行巖石薄片鑒定分析可知：玄武巖基質(zhì)具間粒結(jié)構(gòu)，由斜長(zhǎng)石微晶、它形粒狀輝石、磁鐵礦、玄武玻璃等組成，斜長(zhǎng)石微晶呈自行長(zhǎng)棒狀雜亂交織分布，其形成的間架孔隙中充填著它形粒狀輝石及磁鐵礦和褐色玄武玻璃，形成間粒結(jié)構(gòu)，巖片中見少量細(xì)小(2%±)的杏仁體，被綠泥石填充，晶粒存在被溶蝕表面黏土化現(xiàn)象，原生、次生裂縫及溶孔發(fā)育，見圖2。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和薄片分析，一旦發(fā)生玄武巖井壁失穩(wěn)，必然有大的掉塊產(chǎn)生，導(dǎo)致卡鉆。

圖1 滿深區(qū)塊鉆遇的玄武巖掉塊

圖2 玄武巖薄片分析圖片

1.2 玄武巖段地震相態(tài)特征

根據(jù)塔里木盆地富滿油田地震相態(tài)特征可知，二疊系玄武巖段地震相帶主要是空白相、平行相和雜亂相?？瞻紫啻淼貙佑锌紫痘蛘呖p洞存在;平行相代表地層壓實(shí)平穩(wěn)、巖石分布均勻；雜亂相則處于空白相和平行相之間。根據(jù)地震解釋以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆結(jié)果：平行相易發(fā)生井壁失穩(wěn)；空白相易發(fā)生井漏；雜亂相井壁失穩(wěn)和井漏都有可能發(fā)生。因此可以根據(jù)玄武巖段地層相態(tài)特征，及時(shí)預(yù)判出井下是否容易發(fā)生井壁失穩(wěn)。富滿油田二疊系玄武巖平行相地震相帶如圖3所示。

圖3 玄武巖平行相地震相帶

1.3 玄武巖理化特性

富滿油田玄武巖巖屑物理化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。根據(jù)表1可以得出，玄武巖段玄武質(zhì)泥質(zhì)巖成分以泥巖為主，遇水易膨脹和分散。對(duì)玄武巖巖屑進(jìn)行熱滾回收率實(shí)驗(yàn)，由表1和圖3可知：清水熱滾后的玄武巖巖屑強(qiáng)度明顯降低，巖屑分散；加入6%的KCl后的巖屑，強(qiáng)度保持不變，巖屑形狀保持不變，巖屑回收率較高，巖屑不分散。以上結(jié)論說明：加入適量KCl，能明顯保持玄武巖的強(qiáng)度。

表1 玄武巖理化性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

圖4 玄武巖熱滾回收率結(jié)果圖

1.4 玄武巖段地應(yīng)力

取鄰井巖心進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及計(jì)算，應(yīng)用聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)法測(cè)定地應(yīng)力，測(cè)量三個(gè)水平增量巖樣和平行垂向巖樣方向的Kaiser點(diǎn)處正應(yīng)力，求出水平最大和最小主應(yīng)力和垂向地應(yīng)力，結(jié)果如表2，玄武巖段水平地應(yīng)力比值較大，范圍在1.1～1.2之間變化，說明玄武巖段各向異性較強(qiáng)，導(dǎo)致井壁應(yīng)力分布不均勻，引發(fā)井壁失穩(wěn)。因此，適當(dāng)提高鉆井液密度，可以有效提高玄武巖地層的井壁穩(wěn)定性。

表2 地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

1.5 玄武巖段地層坍塌壓力

利用Mohr-coulomb準(zhǔn)則，假設(shè)只有最大和最小主應(yīng)力對(duì)巖石破壞有影響，分析井下巖石的應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算巖石的坍塌壓力，并和設(shè)計(jì)坍塌壓力及實(shí)際鉆井液密度做對(duì)比，如圖5所示。結(jié)合實(shí)際鉆井情況，可以得出，塔里木滿深區(qū)塊的二疊系玄武巖坍塌壓力較高，如果使用的鉆井液密度不合適，則易造成井壁失穩(wěn)等事故復(fù)雜發(fā)生。

圖5 塔里木滿佳爾區(qū)塊二疊系坍塌壓力對(duì)比圖

根據(jù)以五個(gè)方面的分析可知：通過提高鉆井液攜巖性可以有效避免大的掉塊下落產(chǎn)生卡鉆；優(yōu)選合適的鉆井液密度，可有效防止井壁坍塌；強(qiáng)化鉆井液的封堵性、適當(dāng)提高鉆井液密度，有利于井壁穩(wěn)定；嚴(yán)格控制鉆井液濾失量、提高鉆井液的抑制性，可以提高適當(dāng)提高玄武巖的穩(wěn)定性。

2 提高玄武巖井壁穩(wěn)定技術(shù)措施

根據(jù)第一節(jié)得出的結(jié)論，從強(qiáng)化封堵性及抑制性、控制濾失量、優(yōu)選密度、提高鉆井液攜巖能力以及控制工程參數(shù)幾個(gè)方面提出提高玄武巖井壁穩(wěn)定的技術(shù)措施。

2.1 強(qiáng)化鉆井液封堵性

通過引入乳化瀝青、超細(xì)鈣，填充孔隙的同時(shí)形成薄而韌的濾餅，不僅可穩(wěn)定井壁，還可以降低壓力的傳遞和濾失量，推薦配方如下：井漿+(2%～3%)乳化瀝青+ (0.5%～1%)隨鉆堵漏劑+ (3%～5%)超細(xì)鈣。在正壓差作用下，隨鉆堵漏劑及超細(xì)鈣填充裂縫孔隙，然后乳化瀝青在井壁周圍形成瀝青膜，阻止自由水及鉆井液對(duì)井壁的沖刷，保持井壁穩(wěn)定。裂隙封堵機(jī)理如圖6所示。

圖6 裂隙封堵機(jī)理示意圖

2.2 嚴(yán)格控制鉆井液濾失量

通過1.3節(jié)玄武巖的理化特性實(shí)驗(yàn)可知，玄武巖在被濾液污染后，其強(qiáng)度會(huì)明顯降低，易發(fā)生破碎。合理有效的控制濾失量，可以保持玄武巖的巖石強(qiáng)度，避免發(fā)生井壁失穩(wěn)。根據(jù)該區(qū)塊鉆探經(jīng)驗(yàn)，中壓失水控制在3 mL以內(nèi)，高溫高壓失水控制在9 mL以內(nèi)，可以提高井壁的穩(wěn)定。

2.3 強(qiáng)化鉆井液的抑制性

根據(jù)1.3節(jié)理化特性實(shí)驗(yàn)可知，在相同濾失量條件下，控制好K+的含量，可以保護(hù)玄武巖的強(qiáng)度，維持其穩(wěn)定不變，其主要原理如圖7所示。利用鉀離子的交換吸附，使得黏土擴(kuò)散雙電層變薄，電動(dòng)電勢(shì)降低，阻止玄武巖中的黏土顆粒水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定，一般情況下建議：Cl-濃度大于50 000 mg/L；K+濃度大于20 000 mg/L。

圖7 鉀離子抑制黏土膨脹原理圖

2.4 優(yōu)選鉆井液密度

(1)最低密度優(yōu)選。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)以及實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地層三壓力系數(shù)，可以得出某一區(qū)塊的最低密度，避免井壁發(fā)生坍塌。滿深油田建議鉆井液密度大于1.23 g/cm3。

(2)優(yōu)選鉆井液密度。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)以及實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地層三壓力系數(shù)，得出最高密度上限，根據(jù)井下工況，優(yōu)選密度，以提高井壁支撐力，提高井壁穩(wěn)定。在強(qiáng)化鉆井液封堵性、抑制性和控制鉆井液的濾失后，如果井壁還有失穩(wěn)的跡象，則提高鉆井液密度來提高物理支撐，避免井壁支撐力不夠帶來的惡性失穩(wěn)。提密度過晚，則平衡地層的鉆井液密度值越高，在確保井下安全情況下，盡早判斷，盡早優(yōu)選密度值。以MS地區(qū)2口鄰井為例，井1發(fā)生失穩(wěn)后，當(dāng)鉆井液密度從1.30 g/cm3提高到1.50 g/cm3，最后井壁垮塌才得的有效的抑制，井2密度保持1.44 g/cm3，順利鉆穿玄武巖。

2.5 提高鉆井液的攜砂性

利用Mathcad軟件計(jì)算MS區(qū)塊某井調(diào)整前和調(diào)整后可以運(yùn)移的巖屑粒徑范圍，橫坐標(biāo)為巖屑的粒徑，縱坐標(biāo)為巖屑的運(yùn)移速度。圖8、圖9顯示，調(diào)整以前巖屑運(yùn)移最大粒徑為27 mm，通過加入0.1%的黃原膠，其攜帶巖屑的最大粒徑為3.9 mm。

注：玄武巖密度3.3 g/cm3；鉆井液密度1.3 g/cm3；塑性黏度22 Pa，動(dòng)切力8 Pa，井徑444.5 mm，鉆具外徑139.7 mm，排量37 L/s。

注：玄武巖密度3.3 g/cm3；鉆井液密度1.5 g/cm3；塑性黏度45 Pa，動(dòng)切力19 Pa，井徑444.5 mm，鉆具外徑139.7 mm，排量37 L/s。

因此，通過提高鉆井液攜砂性，不僅大的掉塊可以及時(shí)向上運(yùn)移，巖屑的運(yùn)移效率也大大提高，有效避免了井底的重復(fù)破碎以及大尺寸玄武巖掉塊引起的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

AM區(qū)塊AM3井鉆到4 390 m鉆遇玄武巖，鉆至4 523 m期間，多次發(fā)生垮塌、蹩鉆、上提困難，鉆進(jìn)期間摩阻較大，多次發(fā)生轉(zhuǎn)盤蹩停，巖屑代表性不好，通過調(diào)整鉆井液性能參數(shù)、強(qiáng)化鉆井液封堵性、抑制性、控制濾失量，優(yōu)選密度，玄武巖段井壁失穩(wěn)得到了有效的控制。

3.1 巖屑代表性

圖10為調(diào)整前撈取的巖屑。從圖中可以看出，巖屑比較雜，存在掉塊，玄武巖顆粒粒徑較小，且磨圓度較高，說明在井底被重復(fù)破碎，代表性不好；圖11為調(diào)整后撈取的巖屑，從圖中可以看出，巖屑代表性較好，巖屑的粒徑較大，同時(shí)巖屑的切削面較為新鮮，說明是井底的新鮮巖屑。

圖10 黏度50 s密度1.30 g/cm3時(shí)返出巖屑照片

圖11 黏度100 s密度1.50 g/cm3時(shí)返出巖屑照片

3.2 井徑的變化

取4 506 m到4 558 m之間的井徑變化數(shù)據(jù)如圖12所示。井深4 526 m前鉆井液未做調(diào)整，井徑擴(kuò)大率較大，最大井徑為533.4mm，調(diào)整后，井徑逐步恢復(fù)正常，說明調(diào)整后井壁失穩(wěn)得到了有效的控制，應(yīng)用效果很好。

圖12 AM3井4 506～4 558 m井徑柱狀圖

3.3 時(shí)效分析

統(tǒng)計(jì)調(diào)整前5 d和調(diào)整后5 d的鉆井時(shí)效并作圖，如圖13所示。通過分析可得：調(diào)整前進(jìn)尺時(shí)間98.44%，其中純鉆時(shí)間51.35%、總起下鉆時(shí)間31.25%、劃眼時(shí)間4.17%、循環(huán)時(shí)間9.38%；調(diào)整后進(jìn)尺時(shí)間100%，無起下鉆、劃眼和循環(huán)，調(diào)整后的時(shí)效明顯提高。

圖13 MS3井4 506 m到4 558 m鉆井時(shí)效圖

4 結(jié)論

(1)通過地層地震相態(tài)特征分析，可以有效提前預(yù)判是否會(huì)發(fā)生井壁失穩(wěn)，以便于在進(jìn)入井壁失穩(wěn)段前充分調(diào)整好鉆井液各項(xiàng)性能。

(2)玄武巖鉆進(jìn)期間，應(yīng)密切注意巖屑變化和各項(xiàng)工程參數(shù)變化，如果判斷發(fā)生井壁失穩(wěn)，立即停鉆并及時(shí)上提到安全井段，并調(diào)整鉆井液性能，尤其要盡早優(yōu)選鉆井液密度，確保井下安全。

(3)玄武巖段鉆進(jìn)要充分發(fā)揮好稠漿的作用，及時(shí)將井底大的掉塊帶出，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。