泥頁巖地層油基鉆井液封堵防塌技術(shù)研究及應(yīng)用分析

陳忠宇

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司鉆井工程技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江大慶163000）

油氣勘探開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)復(fù)雜的工程，如何實(shí)現(xiàn)井壁的穩(wěn)定是提升鉆井速度的關(guān)鍵所在，而泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性問題又是其中最關(guān)鍵的部分。在已統(tǒng)計(jì)的井塌事故中，超過9成發(fā)生在泥頁巖地層，其中又有三分之二為硬性泥頁巖[1]。根據(jù)實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和理論研究成果，發(fā)現(xiàn)在泥頁巖中存在著大量的微裂縫，這些裂縫使得井壁的穩(wěn)定性下降，采用高質(zhì)量濾餅和更高性能的鉆井液可以有效提升井壁的穩(wěn)定性，提高鉆井速度和穩(wěn)定性。近年來，泥頁巖的油田勘探開發(fā)的規(guī)模不斷加大，面臨的開發(fā)狀況也越來越多，也給勘探開發(fā)團(tuán)隊(duì)帶來了更多的考驗(yàn)，如超長(zhǎng)水平井段的開發(fā)等等。為了平衡多方面的因素，鉆井液仍然在當(dāng)前的油井開發(fā)中占據(jù)著重要的位置[2]。以北美的頁巖油氣開發(fā)為例，油基鉆井液在水平井段的利用率達(dá)到了近七成，其他類型的鉆井液總量和累計(jì)占三層左右，在我國，泥頁巖開發(fā)中也以油基鉆井液為主。

1 古龍區(qū)塊泥頁巖儲(chǔ)層分析

掃描電子顯微鏡是觀察物質(zhì)微觀形態(tài)和微觀組成的工具，通過對(duì)巖石的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察，明確頁巖表面的形態(tài)，同時(shí)了解頁巖空隙的大小，空隙內(nèi)填充物的成分、大小以及含量等等。見圖1。

從電鏡的觀察照片可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊的巖樣中存在大量的裂縫和層理，并且裂縫的尺度大小以微米級(jí)和納米級(jí)居多，其中約有40%的孔縫在500nm以內(nèi)，約有50%的孔縫在0.5～10μm之間，觀察發(fā)現(xiàn)，頁巖中存在的孔隙最小直徑為2nm，最小裂縫的寬度7nm，孔隙和裂縫天然地成為了鉆井液深入的途徑。同時(shí)，在頁巖的表面，存在著大量的樹葉狀的蒙脫石和蜂窩狀的伊蒙混層，在顆粒表面和顆粒之間的縫隙里，依附著立方體狀伊利石，這表明粘土中含有大量的礦物質(zhì)，礦物質(zhì)的主要成分為伊蒙混層、高嶺石。巖樣內(nèi)部的電子顯微鏡圖片可見大量的方解石和白云石顆粒[3]。方解石和白云石脆性較大，這就導(dǎo)致了該區(qū)的巖樣難以承受較大的壓力。所以，在對(duì)該區(qū)域進(jìn)行勘探和開發(fā)時(shí)，需要進(jìn)行有效的封堵、降低鉆井液失水，保障鉆探開發(fā)的安全。

2 油基鉆井液體系封堵劑篩選

在經(jīng)過大量的試驗(yàn)后，最終確定了油基鉆井液中各原料的占比：柴油+2%～4%主乳化劑+1%～2%輔乳化劑+0.2%～0.4%潤(rùn)濕劑+3%油基增粘劑+3%油基降濾失劑+2%氧化鈣+20%氯化鈣水溶液。

說明：配方中油水比為(80～85)∶( 20～15)；氯化鈣水溶液濃度根據(jù)儲(chǔ)層礦化度進(jìn)行調(diào)整，一般取20%～40%；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境溫度的差異，使用柴油的標(biāo)號(hào)也需要更換，一般在秋冬季節(jié)選用-35＃柴油，在春夏季節(jié)采用0＃柴油。

為了油基鉆井液的性能，需要在鉆井液中添加各種封堵材料，優(yōu)化鉆井液中的固相顆粒的合理配比，材料添加和固相顆粒配比的基礎(chǔ)是明確泥頁巖孔縫的大小，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，不斷進(jìn)行封堵劑種類的調(diào)整，顆粒比例的確認(rèn)，最終得到了鉆井液配方的組成。

從表1的性能對(duì)照表中可以看出，在加入了各種油基封堵材料以后，并沒有對(duì)鉆井液的流動(dòng)性產(chǎn)生較大的影響，且進(jìn)一步提升了鉆井液的動(dòng)塑比，高溫高壓失水和砂床侵入厚度降低明顯，破乳電壓也有升高趨勢(shì)，在維持鉆井液流變性穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，采取多種措施封堵頁巖的孔縫，提升泥頁巖井壁的穩(wěn)定。

3 高封堵油基鉆井液在古龍區(qū)塊A井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在對(duì)古龍區(qū)塊進(jìn)行地質(zhì)勘探以后，測(cè)量了孔隙壓力，分析了靜態(tài)資料，對(duì)該地層的壓力系數(shù)進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)預(yù)測(cè)壓力梯度的區(qū)間為1.63～2.55MPa/100m。在鉆進(jìn)過程中，進(jìn)行了多次的試驗(yàn)，得到了鉆井液的密度窗口為1.55～1.728/cm3。根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，在允許的密度窗口內(nèi)，盡量選擇較大的密度進(jìn)行鉆進(jìn)，可以最大限度地發(fā)揮鉆井液的封堵能力，同時(shí)也能夠最大限度地平衡地層壓力。A井鉆井液性能見表2。

表2 A井鉆井液性能表

該井使用高封堵油基鉆井液的井段為：2261～4810m，水平段長(zhǎng)2050m，鉆井周期18.16d，在整個(gè)井段區(qū)間內(nèi)井壁穩(wěn)定性良好，該數(shù)據(jù)為古龍區(qū)的泥頁巖鉆探開發(fā)提供了支撐和參考。

4 裂縫性泥頁巖地層防塌誤區(qū)及強(qiáng)封堵防塌對(duì)策

當(dāng)?shù)貙拥膶永砗土芽p持續(xù)發(fā)育時(shí)，會(huì)提升鉆井液侵入的速度，增加了孔隙的壓力。在鉆井液的持續(xù)浸泡下，泥頁巖會(huì)被軟化，造成強(qiáng)度的降低，在這些因素的綜合作用下，地層的坍塌機(jī)理將會(huì)變得更加多樣，坍塌壓力也會(huì)迅速的提升。盲目的提升鉆井液密度，雖然能夠在短時(shí)間內(nèi)保證井壁的穩(wěn)定性，但是隨著時(shí)間的增加，坍塌壓力會(huì)持續(xù)增大，會(huì)造成穩(wěn)定井壁的難度急劇上升，陷入惡性循環(huán)。在鉆井液溫度過大的情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)井漏現(xiàn)象，對(duì)油氣層造成污染[4]。

4.1 井田裂縫性泥頁巖地層井塌分析及處理誤區(qū)

石千峰組、石盒子組等裂縫發(fā)育，其崩塌程度最大，井徑擴(kuò)展率達(dá)22%以上。并且在鉆井的過程中經(jīng)常發(fā)生卡鉆事件，導(dǎo)致需要很長(zhǎng)的時(shí)間和成本進(jìn)行維護(hù)，嚴(yán)重影響了鉆井效率，也大大提升了鉆井的成本

（1）礦物組分及理化性能分析。石千峰和石盒子組中含量最高的成分是石英，含量次之的是粘土礦物，比例達(dá)到28%～39%；在粘土礦物中，伊利石和伊蒙混層的含量最高。泥巖水化程度為弱分散、中等偏強(qiáng)膨脹。

（2）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過三軸壓縮實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：石千峰和石盒子組的巖芯主要是劈裂型，應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不大于1.5%，地層強(qiáng)度比鄰近地層低，壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力較差[5]，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。該區(qū)域的脆性巖石一旦出現(xiàn)了應(yīng)力聚集現(xiàn)象，則就會(huì)加速裂縫的擴(kuò)展，形成更大的裂縫，造成巖石強(qiáng)度下降，承載能力喪失[6]。

（3）典型井井塌處理誤區(qū)。以Y1 井為例，該井二開設(shè)計(jì)鉆井液密度不大于1.14g/cm，但是在鉆井過程中，頻繁出現(xiàn)掉塊問題，憋鉆問題也頻繁出現(xiàn)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間劃眼。為了抑制井塌事故，現(xiàn)場(chǎng)不斷提升鉆井液密度，但是坍塌現(xiàn)象卻越來越嚴(yán)重，當(dāng)鉆井液的密度提升到1.24g/cm3時(shí)，井漏和井塌現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)，井下的條件也變得更加復(fù)雜[7]，該井鉆井液密度以及井徑曲線見圖2。盲目地提高鉆井液密度也會(huì)影響到儲(chǔ)層的特征。要實(shí)現(xiàn)科學(xué)正確的處理井塌問題，就需對(duì)垮塌原理進(jìn)行深入探究，科學(xué)的認(rèn)識(shí)到裂縫發(fā)育對(duì)穩(wěn)定性造成的危害。

圖2 Y1井裂縫性地層提高鉆井液密度防塌效果分析

4.2 裂縫發(fā)育等破碎性地層井塌機(jī)理

再以Y2 井為研究對(duì)象，對(duì)地層進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)該地層為常壓地層，設(shè)計(jì)方案中鉆井液密度不大于1.14g/cm3，在鉆井過程中，由于出現(xiàn)井塌，密度逐漸提升到1.18g/cm3，但是防塌效果并沒有得到提升，石千峰組、石盒子組等地層井徑擴(kuò)大率普遍達(dá)到20%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鉆井液的侵入會(huì)導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低，在一周的時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)度降低了20%，并且裂縫處的孔隙壓力密度上升了5%，達(dá)到了1.05g/cm3，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了坍塌壓力變化圖。從圖3中可以看出，裂縫發(fā)育的石千峰和石盒子組等地層揭開初期，由于裂縫中鉆井液液柱壓力較大，能夠短時(shí)間內(nèi)維持穩(wěn)定，隨著時(shí)間的增加，鉆井液會(huì)沿著裂縫滲入，導(dǎo)致地層被浸泡，導(dǎo)致坍塌壓力逐漸增加，在經(jīng)過一段時(shí)間后，坍塌壓力就會(huì)高于液柱壓力，井壁的穩(wěn)定性就難以維持。當(dāng)進(jìn)一步提升鉆井液密度，就會(huì)導(dǎo)致裂縫的寬度加大，鉆井液滲入就會(huì)變得更加簡(jiǎn)單，從而形成了一種惡性循環(huán)，加速了井壁的坍塌。從上述的研究分析，在進(jìn)行裂縫封堵時(shí)，其中一個(gè)關(guān)鍵的注意事項(xiàng)就是盡量避免鉆井液的侵入。

圖3 Y2井裂縫性地層坍塌壓力動(dòng)態(tài)分析

4.3 裂縫性地層鉆井液封堵劑優(yōu)選

封堵劑的優(yōu)選方法和堵漏劑的優(yōu)選原理基本一致，核心都在實(shí)現(xiàn)不同顆粒級(jí)的合理搭配。在理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓力傳遞試驗(yàn)，評(píng)估磺化瀝青FT-1封堵劑存在的缺陷，然后另外選取微米彈性封堵劑SDFD、納米封堵劑SDGS 兩種封堵劑，通過實(shí)驗(yàn)確定3種封堵劑的最佳比例，形成最佳的鉆井液體系。

結(jié)合石千峰和石盒子組裂縫性泥頁巖埋深，通過保持上下游壓力差的值為4MPa，對(duì)比現(xiàn)用的鉆井液和本文研究的強(qiáng)封堵鉆井液在性能方面的差異，結(jié)果見圖4。

圖4 基于壓力傳遞實(shí)驗(yàn)的裂縫性地層鉆井液封堵性評(píng)價(jià)

（1）在現(xiàn)場(chǎng)使用常規(guī)的鉆井液，由于裂縫的存在和壓差作用，封堵劑逐漸地深入到裂縫中，初步形成了一定的封堵并減緩了壓力的傳遞，在前10h，可以有效地抑制地層壓力的提升速度。但是由于鉆井液中沒有彈性顆粒，難以保證封堵強(qiáng)度，隨著時(shí)間的推移，壓力的傳遞路徑會(huì)逐漸暢通，到了20h以后，壓力已經(jīng)上升到井筒壓力，此時(shí)封堵作用完全失效，在實(shí)驗(yàn)后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察，巖體的裂縫寬度明顯增加。

（2）在鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用強(qiáng)封堵鉆井液，首先由于裂縫和壓差的存在，納米封堵劑SDGS 逐漸滲入到裂縫中，首先實(shí)現(xiàn)了初步的封堵，然后封堵劑SDFD中的彈性顆粒會(huì)在裂縫中形成支架，進(jìn)一步加強(qiáng)了封堵的能力，有效地隔斷了壓力的傳遞，使得地層的壓力不會(huì)持續(xù)增加，在實(shí)驗(yàn)后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察，巖體的裂縫寬度無明顯增加(見圖5)，表明該封堵液的性能明顯升高。當(dāng)前，該封堵液體系已經(jīng)開始在井田逐步推廣。

圖5 采用優(yōu)選復(fù)配的強(qiáng)封堵鉆井液壓力傳遞實(shí)驗(yàn)前(左)后(右)照片

5 建議

（1）對(duì)于在地層中存在裂縫，鉆井液可以從裂縫中自然地滲透到地層中，并且井筒液壓柱壓差會(huì)加速鉆井液滲入，一方面，地層在鉆井液的浸泡下，強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯下降，另一方面，裂縫的孔隙會(huì)明顯提升，在這些因素的綜合作用下，地層的坍塌機(jī)理將會(huì)變得更加多樣，坍塌壓力也會(huì)迅速提升。

（2）對(duì)于在某油田治理中出現(xiàn)的鉆井液的密度越高、坍塌情況越嚴(yán)重的現(xiàn)象，其根本原因在于沒有對(duì)垮塌原理進(jìn)行深入探究，沒有科學(xué)的認(rèn)識(shí)到裂縫發(fā)育對(duì)穩(wěn)定性造成的危害。

（3）本文介紹了“以堵為主，抑制水化，合理密度”為原則的裂隙頁巖的防治措施。通過將壓力轉(zhuǎn)移試驗(yàn)與評(píng)估相結(jié)合的方法，優(yōu)選出了一種具有較好效果的強(qiáng)封堵鉆井液配方，并在氣田中得到了成功的應(yīng)用。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)泥頁巖的特點(diǎn)和鉆井工藝的需要，鉆井液具有良好的流動(dòng)性、良好的封堵抗崩能力。具有較小的過濾能力，潤(rùn)滑性能好，能有效地阻止巖漿的水化和膨脹率，使井壁具有較好的穩(wěn)定性。是當(dāng)前較為理想的泥頁巖地層鉆探方案。

（2）在基本的油基鉆井液中，合理地進(jìn)行封堵材料的添加，既可以有效地進(jìn)行頁巖裂縫的封堵，同時(shí)能夠有效地避免鉆井液滲入，避免了頁巖地層的軟化和坍塌壓力的上升，從源頭了保證了頁巖鉆井的井壁穩(wěn)定。

（3）鉆井工程密度窗口的選擇需要結(jié)合鄰井的實(shí)際施工情況和該區(qū)的勘探資料，密度窗口的選擇要有合理的依據(jù)，盡量選擇較大的密度進(jìn)行鉆進(jìn)，可以最大限度地發(fā)揮鉆井液的封堵能力，同時(shí)也能夠最大限度地平衡地層壓力。