復(fù)合鹽層多元協(xié)同穩(wěn)定井壁鉆井液技術(shù)

趙欣，孫昊，邱正松，黃維安，徐加放，鐘漢毅

中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580

井壁失穩(wěn)是鉆井工程中面臨的世界性技術(shù)難題［1］．鹽膏層在陸地和海洋深水油氣鉆探中都較為常見［2-3］，在鹽膏層尤其是復(fù)合鹽層鉆井過程中，地層巖性多變，復(fù)雜的力學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致井壁失穩(wěn)問題更加突出，縮徑、擴徑、坍塌掉塊及卡鉆等事故頻繁發(fā)生［4-5］．為此，國內(nèi)外學(xué)者在鹽膏層防塌鉆井液技術(shù)方面開展了大量研究，形成了較為成熟的飽和以及欠飽和鹽水鉆井液體系［6-9］，降低了井下復(fù)雜情況．但由于研究思路和研究區(qū)域的局限性，以及不同地區(qū)鹽膏層巖性和構(gòu)造的復(fù)雜性和差異性［10-11］，復(fù)合鹽層井壁失穩(wěn)問題仍未完全解決．因此，需要結(jié)合化學(xué)和力學(xué)相關(guān)理論和方法，系統(tǒng)研究井壁穩(wěn)定機理，針對性地提出鉆井液防塌技術(shù)措施．基于井壁穩(wěn)定相關(guān)理論，在系統(tǒng)分析國內(nèi)外典型鹽膏層的礦物組構(gòu)、理化性質(zhì)及界面力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出了適合復(fù)合鹽層鉆井的“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁鉆井液技術(shù)措施．

1 復(fù)合鹽層井壁失穩(wěn)機理

地層巖石的力學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)是影響井壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，而地層中可能存在的孔隙和裂縫為鉆井液侵入巖石內(nèi)部提供了通道，也是造成井壁失穩(wěn)的重要原因．石鹽沒有像黏土礦物那樣復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)和表面特性，并且純鹽巖極為致密，滲透率通常小于1×10-3μm2，利用掃描電子顯微鏡放大3000倍仍觀測不到明顯的孔隙和裂縫［12］．因此，純鹽巖層鉆井井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵原因即鹽巖的溶解和蠕變．而在復(fù)合鹽層中，鹽巖、石膏和泥巖以互層或混層的形式存在，其井壁失穩(wěn)機理變得更為復(fù)雜，不僅需要了解各類礦物本身的性質(zhì)，還需要關(guān)注不同結(jié)構(gòu)的混合鹽巖表現(xiàn)出的力學(xué)和理化性質(zhì)，以及不同礦物的界面特征．

1.1 礦物組成分析

借助X-射線衍射分析，對中東地區(qū)AZ油田和M油田，烏茲別克斯坦H-S油田，中國塔里木油田、吐哈油田和勝利油田，以及墨西哥灣深水海域鹽膏層礦物組成進行了分析（表1）．由表1可見，純鹽巖地層相對較少；大部分為石鹽、石膏和黏土等礦物組成的復(fù)合鹽層．復(fù)合鹽層巖性復(fù)雜，即使是同一地區(qū)的鹽膏層，不同位置和深度的巖石巖性差異極大且變化沒有規(guī)律．由于地層中同時含有石鹽、石膏和黏土礦物，蠕變、溶解和水化等多重作用會導(dǎo)致井壁失穩(wěn)嚴重．

表1 不同地區(qū)鹽膏層的礦物組成1）Table 1 Mineral composition of salt formations in different areas

1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

部分層狀鹽巖中，存在石膏和泥巖夾層，鹽巖和膏、泥巖界面清晰，稱為突變界面［12］．界面處鹽巖和泥巖相互嵌入，結(jié)構(gòu)緊密，理論上具有較高的力學(xué)強度．而無突變界面的鹽、膏、泥混層更為常見．根據(jù)中東地區(qū)M油田和AZ油田、中國塔里木油田、吐哈油田以及勝利油田的膏泥巖、含泥鹽巖以及鹽膏泥混層巖樣掃描電鏡照片（圖1）可以看出，不同地區(qū)復(fù)合鹽層微觀構(gòu)造各不相同，但存在一個共同點，即混層中發(fā)育有微孔隙或裂縫，孔縫尺寸大多介于2～80 μm，如中東M油田的膏鹽巖（圖1（a））及塔里木油田含泥鹽巖圖片（圖1（b））．孔隙和裂縫的存在導(dǎo)致鉆井液濾液極易進入地層內(nèi)部，引起鹽膏泥巖溶解及水化等，進而影響周圍井壁巖石的力學(xué)狀態(tài)．因此，復(fù)合鹽層中微孔隙和裂縫發(fā)育是造成井壁失穩(wěn)的重要原因之一．

圖1 復(fù)合鹽層掃描電鏡圖 （a）中東地區(qū)M油田膏鹽巖（1300倍）；（b）塔里木油田含泥鹽巖（3000倍）Fig.1 SEM photographs of compound salt formation.(a)Gypsum-salt rocks in M Oil Field in the Middle East(1300×).(b)Mudstone-bearing salt rocks in the Tarim Basin(3000×).

1.3 理化性質(zhì)分析

1.3.1 溶解和分散特性

復(fù)合鹽層的理化性質(zhì)比較復(fù)雜，可能發(fā)生石鹽溶解、石膏溶解、膏泥巖水化膨脹及分散等．本研究利用頁巖滾動分散實驗方法，分析了77℃下中東地區(qū)AZ油田深度為2229 m的石膏巖（1#）和2772 m的鹽巖（2#），M油田深度為2571 m的鹽膏泥混層（3#）和2723 m的鹽膏巖（4#），吐哈油田深度為1210 m的鹽膏泥混層（5#），塔里木油田深度為3990 m的膏泥巖（6#），塔河油田含泥鹽巖露頭巖樣（7#）以及勝利油田深度為2979 m鹽膏泥混層（8#），共8塊鹽膏層巖樣的溶解與分散特性．圖2復(fù)合鹽層巖樣滾動回收率結(jié)果表明，巖樣在清水中滾動16 h后回收率均較低（0%～15.1%），表明鹽巖地層巖石遇水極易溶解或水化分散，在鉆井液設(shè)計中需重點考慮鉆井液抑制鹽膏溶解及膏泥巖水化分散能力．

圖2 復(fù)合鹽層巖樣的滾動回收率Fig.2 Hot rolling recovery of compound salt formation samples.

1.3.2 膏泥巖膨脹特性

石膏吸水膨脹也可能造成鹽膏層井壁失穩(wěn)．選取不同油田的膏泥巖（石膏質(zhì)量分數(shù)為23%～98%），利用NP-1頁巖膨脹儀測定其在清水中的線性膨脹量．結(jié)果表明，膏泥巖8 h膨脹率為4.9%～12.1%，存在明顯的吸水膨脹現(xiàn)象．為確定引起膏泥巖水化膨脹的關(guān)鍵因素是石膏還是黏土礦物，將泥巖與石膏按照不同比例混合制備巖樣，測定其線性膨脹率．結(jié)果表明，隨著石膏質(zhì)量分數(shù)的增加，膏泥混合巖樣的膨脹量大幅降低．因此，石膏吸水膨脹效應(yīng)比泥巖水化膨脹弱，更應(yīng)該重視抑制復(fù)合鹽層中泥巖的水化膨脹．

1.4 復(fù)合巖層界面力學(xué)性質(zhì)

界面處的組構(gòu)特征和力學(xué)特性直接影響著宏觀井壁巖石的變形或破損特性．對于復(fù)合介質(zhì)，由于界面是一種由多尺度、多晶粒構(gòu)成的非均質(zhì)、各向異性的復(fù)合材料，不同材料之間的力學(xué)屬性不匹配將造成界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中．因此，破損極有可能在不同巖石的界面處產(chǎn)生［13-16］．李銀平等［17］利用多個地區(qū)的復(fù)合鹽層巖樣，進行了壓縮試驗、直剪試驗以及間接拉伸試驗，結(jié)果表明，復(fù)合鹽層界面具有較強的黏結(jié)力和較高的抗剪切強度及抗拉強度，不易產(chǎn)生相互滑動和錯動，不是一個弱面．彭瑞東等［18］開展的層狀鹽巖中裂紋擴展規(guī)律實驗也表明，含界面鹽巖在載荷作用下開裂破壞時的裂紋擴展紋路通常不是沿著鹽泥界面，而是在鹽、泥內(nèi)部擴展，進一步說明復(fù)合鹽層的界面具有較強的黏結(jié)力，不易發(fā)生破壞．

1.5 復(fù)合鹽層井壁失穩(wěn)機理綜合分析

復(fù)合鹽層孔隙及微裂縫發(fā)育，為鉆井液侵入地層提供了通道．鉆井液濾液侵入引起膏泥巖水化膨脹和分散，近井壁地帶孔隙壓力增大，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；而作為膠結(jié)物的鹽膏溶解，會使井壁失去膠結(jié)支撐而發(fā)生垮塌．鹽巖的蠕變等會引起縮徑等問題，需要足夠高密度的鉆井液支撐井壁．但當(dāng)鉆井液的密度偏高時，又致使鉆井液沿著微孔隙和裂縫侵入地層，甚至?xí)沽芽p進一步擴展或出現(xiàn)新的裂縫，加劇了井壁失穩(wěn)．由于地層微裂縫發(fā)育，使用高密度鉆井液還可能誘發(fā)井漏，導(dǎo)致井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力降低，對井壁支撐不足，進而井壁失穩(wěn)，造成惡性循環(huán)．

2 復(fù)合鹽層鉆井液“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁技術(shù)對策

基于復(fù)合鹽層井壁失穩(wěn)機理分析，從強化封固井壁作用-抑制鹽膏溶解與膏泥水化-水活度平衡-有效應(yīng)力支撐“多元協(xié)同”作用角度，提出了鉆井液穩(wěn)定井壁技術(shù)對策．

1）由于復(fù)合鹽層可能發(fā)育有微孔隙和裂縫，首先需要加強鉆井液物理封堵孔縫和化學(xué)膠結(jié)固壁能力．可根據(jù)地層裂縫尺寸及結(jié)構(gòu)特征，優(yōu)化封堵劑種類與粒度級配，在井壁附近形成承壓封堵帶，阻緩壓力傳遞與濾液傳遞，減少因鉆井液侵入而引起的復(fù)合鹽層巖石力學(xué)和理化性質(zhì)的變化，為提高鉆井液密度支撐井壁從而防止鹽巖蠕變縮徑提供必要條件．

2）抑制鹽膏溶解和膏泥巖水化至關(guān)重要，需要合理選用鉆井液鹽水及水化抑制劑．以往的鹽巖層鉆井中，通常使用NaCl飽和鹽水來抑制鹽巖溶解［19］，但該鹽水對其他可溶性鹽的溶解抑制作用很小，導(dǎo)致地層中的鈣、鉀和鎂等無機鹽溶解．因此，需針對地層礦物組成特點，尤其是可溶性礦物，如鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽和鎂鹽，依據(jù)同離子效應(yīng)，選擇相應(yīng)的無機抑制鹽、膏溶解及膏泥巖水化．針對含強水敏性泥巖地層，必要時可配合使用聚胺等高效水化抑制劑．

3）針對致密的膏泥巖或泥頁巖夾層，由于地層滲透率低，泥頁巖與鉆井液間存在非理想半透膜．根據(jù)泥頁巖與鉆井液之間的半透膜誘導(dǎo)滲透壓計算公式，可通過降低鉆井液水活度，使化學(xué)滲透壓部分抵消井下水力壓差造成的壓力傳遞及濾液傳遞［20］，阻緩濾液侵入地層，從而提高井壁穩(wěn)定性．

無機/有機鹽是調(diào)節(jié)鉆井液水活度的主要處理劑．利用LabSwift-aw水活度測定儀，測試了不同質(zhì)量分數(shù)的氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl）、甲酸鈉（HCOONa）和甲酸鉀（HCOOK）鹽水的水活度．分別采用水化膨脹實驗和巖屑滾動回收率實驗，測試了不同水活度溶液中泥頁巖沿巖心軸線方向的膨脹率（圖3）和滾動回收率（圖4）．選用巖樣為勝利油田泥頁巖夾層，主要礦物組成及質(zhì)量分數(shù)分別為：黏土礦物（42%）、石英（36%）、斜長石（10%）、方解石（8%），其中，黏土礦物主要為伊/蒙間層（70%）和伊利石（25%）．圖3結(jié)果表明，泥頁巖水化膨脹率隨著水活度降低而顯著降低．由于K+的晶格固定作用，相同水活度下KCl和HCOOK溶液中巖樣膨脹率比NaCl和HCOONa更低，水活度為0.94時即可將膨脹率從11.5%降低至4.0%以下，而NaCl和HCOONa水活度需要降低至約0.80才能將巖樣的膨脹率降低至4.0%以下．圖4結(jié)果表明，隨著溶液水活度降低，泥頁巖滾動回收率顯著增加．KCl和HCOOK溶液水活度為0.95時即可將回收率從42.5%提高至90.0%以上，可有效抑制泥頁巖水化分散；NaCl和HCOONa溶液水活度約為0.86時泥頁巖回收率可提高至90%以上．因此，降低鉆井液水活度可有效抑制泥頁巖水化膨脹、分散，提高井壁穩(wěn)定性．但是，鉆井液的水活度并不是越低越好，過低的水活度會導(dǎo)致巖石發(fā)生去水化，強度降低．理論上，可將巖石膨脹率為0對應(yīng)的水活度設(shè)為維持井壁穩(wěn)定的鉆井液水活度值安全窗口下限aw1，當(dāng)水活度低于aw1時泥頁巖會發(fā)生去水化；可將地層巖石中水的活度值作為鉆井液水活度窗口上限，此時鉆井液與巖石中的水活度達到平衡，不存在化學(xué)滲透壓驅(qū)動力．在實際作業(yè)中，可結(jié)合鉆井設(shè)計及實際施工可接受的地層巖石的最高膨脹率Smax和最低滾動回收率Rmin指標(biāo)要求，確定對應(yīng)的鉆井液水活度值a＇w2或a″w2為水活度安全窗口上限，如圖5，aw1—a＇w2即為水活度安全窗口．

圖3 泥頁巖膨脹率隨溶液水活度的變化Fig.3(Color online)Variations of shale swelling rate with the water activity of solutions.

圖4 泥頁巖滾動回收率隨溶液水活度的變化Fig.4(Color online)Variations of shale rolling recovery with the water activity of solutions.

圖5 鉆井液水活度安全窗口設(shè)計示意圖Fig.5(Color online)Schematic diagram for design of safe water activity window of drilling fluids.The left axis is shale swelling rate and the right axis is shale rolling recovery.

4）合理密度的鉆井液的液柱壓力支撐是維持井壁力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵．復(fù)合鹽層孔隙和裂縫發(fā)育，如果鉆井液封堵能力較差，簡單地依靠提高鉆井液密度來維持井壁的力學(xué)穩(wěn)定性，可能加劇壓力傳遞和濾液侵入，甚至誘發(fā)井漏，降低鉆井液液柱壓力．因此，合理控制鉆井液密度實現(xiàn)對井壁有效應(yīng)力支撐的前提是保證鉆井液的封堵能力．此外，在窄安全密度窗口條件下，優(yōu)化鉆井液流變性和沉降穩(wěn)定性，更精確地控制井筒壓力，也對維持井壁穩(wěn)定起到重要作用．

3 應(yīng)用實例

中東地區(qū)M油田復(fù)合鹽層厚度超過800 m，鹽、膏和泥互層多，地層壓力當(dāng)量密度高達2.2 g/cm3以上，鉆井過程中頻繁發(fā)生縮徑、擴徑、坍塌、卡鉆和漏失等復(fù)雜情況．運用“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁鉆井液技術(shù)，選用彈性封堵材料和剛性封堵材料復(fù)配，提高鉆井液封固井壁以及隨鉆防漏作用；根據(jù)地層鹽巖礦物類型，選用飽和NaCl鹽水配合少量CaCl2（＜10 g/L）抑制鹽膏溶解；利用KCl抑制黏土水化，進一步加入甲酸鹽降低水活度，同時可減少固相加重劑的用量，避免重晶石沉降造成鉆井液密度變化．利用優(yōu)化出的高密度飽和鹽水鉆井液成功鉆穿大段復(fù)合鹽層，未發(fā)生井壁失穩(wěn)．鉆井液配方為：膨潤土基漿、15 g/L瀝青封堵劑、80 g/L碳酸鈣、30 g/L改性淀粉、40 g/L磺甲基酚醛樹脂、1 g/L聚陰離子纖維素、復(fù)合鹽（NaCl、CaCl2、KCl和甲酸鹽）、5 g/L鹽結(jié)晶抑制劑、80 g/L潤滑劑、10 g/L降黏劑和重晶石．主要性能參數(shù)：鉆井液密度為2.20～2.28 g/cm3，漏斗黏度計測得的流出時間（漏斗黏度）為50～54 s，塑性黏度為45～51 mPa·s，動切力為9～11 Pa，靜切力（10 s）為2.5～6.0 Pa，靜切力（10 min）為7.5～10.0 Pa，API（American Petroleum Institute）濾失量為2.8～3.0 mL．

烏茲別克斯坦H-S油田存在大段鹽膏泥混層，以鹽巖為主，含少量石膏和黏土，總厚度約400 m．在大斜度井鉆井過程中存在縮徑、坍塌和阻卡等問題．基于井壁失穩(wěn)原因分析，設(shè)計了欠飽和鹽水鉆井液．4口井的現(xiàn)場作業(yè)中，井徑規(guī)則，返出的鉆屑顆粒不黏連．其中，A02井起鉆安裝頂驅(qū)，裸眼浸泡時間超過7 d，下鉆仍然順利．與該油田之前5口井使用的聚合物鉆井液相比，單位深度鉆井成本降低53%．鉆井液配方為：鹽上段鉆井液、2 g/L聚丙烯酰胺鉀鹽、2 g/L聚陰離子纖維素、30 g/L磺化酚醛樹脂、30 g/L改性淀粉降濾失劑、20 g/L磺化瀝青、40 g/L碳酸鈣、10 g/L潤滑劑和200 g/L NaCl．主要性能參數(shù)：鉆井液密度為1.25～1.38 g/cm3，漏斗黏度為48～59 s，動切力為5.5～8.0 Pa，API濾失量為3.6～4.2 mL．

針對新疆地區(qū)不同油田鹽膏層的特點，設(shè)計了欠飽和鹽水鉆井液．以準噶爾盆地某探井為例，該井存在厚度為500 m的復(fù)合鹽層，上部層段使用聚合醇-聚磺鉆井液．由于鹽巖溶解及膏泥巖水化造成“糖葫蘆”井眼、坍塌掉塊及卡鉆等復(fù)雜情況，增加防塌劑用量并提高鉆井液密度仍無法解決．將該鉆井液轉(zhuǎn)換為欠飽和鹽水鉆井液，加入瀝青封堵劑和合適濁點的聚合醇強化鉆井液封堵井壁能力，為合理提高鉆井液密度支撐井壁提供保障；使用抗鹽降濾失劑控制濾失量；使用高濃度NaCl和KCl抑制鹽巖溶解及膏泥巖水化．轉(zhuǎn)換后的井徑擴大率從20%以上降至11%以下，未發(fā)生坍塌掉塊及卡鉆等，順利完鉆．鉆井液配方為：膨潤土漿、30 g/L瀝青封堵劑、30 g/L聚合醇、1.5 g/L增黏降濾失劑、40 g/L磺化褐煤樹脂、5 g/L聚陰離子纖維素、60 g/L KCl、250 g/L NaCl和2 g/L鹽結(jié)晶抑制劑．主要性能參數(shù)：鉆井液密度為1.4 g/cm3，漏斗黏度為90～110 s，動切力為10～15 Pa，API濾失量為2～3 mL．

以上實例應(yīng)用進一步驗證了復(fù)合鹽地層鉆井液“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁技術(shù)中，強化封固井壁作用是控制合理的鉆井液密度實現(xiàn)對井壁有效應(yīng)力支撐的前提，優(yōu)選鹽水種類，優(yōu)化鹽水濃度進而調(diào)控鉆井液水活度來抑制鹽膏溶解和泥巖水化是維持井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵手段．

結(jié)語

對國內(nèi)外多個油田復(fù)合鹽層巖樣的礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及界面力學(xué)性質(zhì)分析表明，地層孔隙和微裂縫發(fā)育、鹽巖蠕變和溶解、膏泥巖水化是造成復(fù)合鹽層井壁失穩(wěn)的根本原因．提出了強化鉆井液封固井壁作用-抑制鹽膏溶解與膏泥水化-水活度平衡-有效應(yīng)力支撐“多元協(xié)同”鉆井液穩(wěn)定井壁技術(shù)對策，明確了降低水活度抑制泥巖水化膨脹和分散的作用效果，提出了鉆井液水活度安全窗口的設(shè)計依據(jù)．在多個油田的現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)可有效提高復(fù)合鹽層井壁穩(wěn)定性，大幅減少了縮徑、擴徑、坍塌掉塊及卡鉆等井下復(fù)雜事故，提高了鉆井作業(yè)效率．