库车山前地区复杂地层性能测试与钻井液对策

牛晓，方俊伟（中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

岳前升，白超峰（长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

库车山前地区属天山山前冲积扇和山前冲积平原，是中石化西北油田分公司重点油气勘探和开发区域之一。该区主要钻遇地层有西域组、库车组、康村组、吉迪克组、苏维依组、库姆格列木群、巴什基奇克组、巴西盖组、舒善河组。其中吉迪克组以上为正常压力地层；吉迪克组盐膏泥发育；苏维依组压力梯度异常；舒善河组泥岩活性较强，井壁失稳问题比较突出。库车山前井区储层埋藏深、钻遇地层复杂，钻井过程中存在机械钻速低、钻井周期长、井下复杂事故频发等难题［1～5］。通过对该地区复杂地层矿物成分进行X射线衍射、扫描电镜、膨胀性和分散性等测试分析，研究了该区复杂地层理化性能，为钻井液技术措施选择提供依据。

1 样品获取

目前在库车山前构造带探井主要有大沽1井、大沽2井、大沽3井、库1井和库2井等。研究所用样品主要是这些已钻井出现的掉块或钻屑（见表1）。

表1 样品来源及明细

2 测试方法

2.1 全岩矿物和黏土矿物分析

选用型号为D／max－2200多晶X－射线衍射仪。每种矿物晶体都有其特定的X－射线衍射图谱，试样中某种矿物的质量分数与其衍射峰的强度成正相关关系。沉积岩中黏土矿物总量和常见非黏土矿物质量分数采用 K 值法计算［6，7］：

式中：Xi为试样中i矿物的质量分数，%；Ki为i矿物的参比强度；Ii为i矿物某衍射峰的强度；Icor为刚玉某衍射峰的强度。

2.2 扫描电镜分析

选用型号为KYKY－2800扫描电子显微镜，加速电压20kV，观察3000～6000倍下黏土矿物集合体形态特征［8］。

2.3 膨胀率

将样品粉碎，干燥，过100目筛；称取10g，在5MPa压制10min成为圆柱形；在80℃、3.5MPa条件下，采用高温高压智能型膨胀性测定仪测其在一定流体中的膨胀率。

2.4 分散性

将泥岩钻屑或掉块过6～10目筛；在120℃、16h滚动老化后用40目筛子回收，并计算其在清水中的回收率。

3 结果分析

3.1 全岩矿物和黏土矿物分析

岩样的全岩矿物和黏土矿物分析结果见表2和表3。从表2可以看出，所有岩石样品中均含有一定量的方解石；吉迪克组、苏维依组和巴什基奇克组都含有石膏，其中吉迪克组石膏质量分数最高为19.6%。从表3可以看出，黏土矿物中以伊利石、伊－蒙混层和绿泥石为主，蒙脱石在伊－蒙混层中的质量分数比绿－蒙混层低，虽然埋藏较深，仍具有一定的水化膨胀和分散能力。

表2 库车凹陷样品全岩矿物

表3 库车凹陷样品黏土矿物种类与质量含量

3.2 扫描电镜分析

舒善河组、吉迪克组、苏维依组和巴什基奇克组扫描电镜（SEM）结果比较相似，岩样比较致密，颗粒充填片状泥质。吉迪克组部分颗粒和微孔隙被盐膏物所充填（见图1～4）。

图1 4＃样品（舒善河组）SEM图

图2 6＃样品（吉迪克组）SEM图

图3 7＃样品（苏维依组）SEM图

图4 8＃样品（巴什基奇克组）SEM图

图5 3＃样品（库姆格列木群）膨胀率随时间的变化

图6 4＃样品（舒善河组）膨胀率随时间的变化

3.3 泥岩膨胀性

评价了大古3井库姆格列木群、舒善河组和库2井吉迪克组样品的高温高压膨胀性（见图5～7）。在1～2h后岩样膨胀率基本达到稳定，舒善河组泥岩膨胀性要高于库姆格列木群，与库2井吉迪克组相当。

3.4 泥岩分散性

图7 5＃样品（吉迪克组）膨胀率随时间的变化

评价了大古3井库姆格列木群、舒善河组和库2井吉迪克组样品的清水回收率。如表4所示，舒善河组泥岩回收率最低（为8.24%），其次为吉迪克组，巴什基奇克组泥岩回收率最高（为40.18%）。清水回收率越低意味着分散性越强。

表4 钻屑分散性试验结果

4 钻井液对策

库车山前地区钻井面临的主要技术挑战有以下几方面：吉迪克组大套盐膏泥造成蠕变缩径问题；苏维依组、库姆格列木群和巴什基奇克组的高压盐水层和高压气层造成的多压力系统并存难题；舒善河组的水敏性地层井壁垮塌失稳问题；井深造成的钻井液抗温性问题。因此，钻井液技术对策主要有以下几方面：对于吉迪克组盐膏泥共存问题，应采用高密度强抑制性盐水基抗钙钻井液，以高密度盐水钻井液来抑制盐膏层的蠕变和溶解速率，并增强钻井液的抗钙侵能力；苏维依组至巴什基奇克组应采用高密度强封堵钻井液技术来应对多压力系统地层；舒善河组应采用强抑制性钻井液。钻井液与地下岩石相互作用包括力学和化学两方面，力学方面主要指钻井液液柱对地层的支撑作用，化学作用指钻井液对地层岩石的水化和封堵作用。从库车山前复杂地层岩样理化性能测试结果来看，高伊利石化泥岩井下主要表现以掉块为主。因此，钻井液在防塌性能上应以力学为主，即选择适宜的钻井液密度；同时注重提高钻井液的封堵能力，尤其是微细小孔隙和微裂缝的封堵能力以保证钻井液液柱压力能有效支撑井壁。

5 结论与认识

1）库车山前复杂地层测试表明，岩样含有一定量的黏土矿物，黏土矿物以伊利石或伊－蒙混层为主，蒙脱石在伊－蒙混层中的混层比较绿－蒙混层低；岩样胶结较致密，微孔隙有一定程度的发育，多被磷片状泥质充填颗粒充填片状泥质，片状伊－蒙混层矿物较发育；舒善河组泥岩较巴什基奇克组泥岩钻屑活性要强，其清水回收率更低而膨胀率则更高；吉迪克组盐膏层发育。

2）吉迪克组大套盐膏层溶解与蠕变和深部高压地层井控问题是库车山前构造带钻井液遇到的主要技术挑战，钻井液技术措施应以提高钻井液的抑制性、封堵性和高密度条件下的流变性为主，以应对盐膏层溶解和蠕变、舒善河组活性泥岩垮塌和下部高压地层安全钻井。

［1］牛晓，沈青云，于培志，等 .阳离子悬乳液钻井液在塔河油田定向井的应用 ［J］.钻井液与完井液，2011，28（1）：81～83.

［2］牛晓，王悦坚，刘庆来，等 .秋南1井高密度钻井液应用技术 ［J］.钻井液与完井液，2008，25（5）：32～34.

［3］侯冰，陈勉，卢虎，等 .库车山前下第三系漏失原因分析及堵漏方法 ［J］.石油钻采工艺，2009，31（4）：40～44.

［4］曾联波，王贵文 .塔里木盆地库车山前构造带地应力分布特征 ［J］.石油勘探与开发，2005，32（3）：59～60.

［5］张福祥，王新海，李元斌，等.库车山前裂缝性砂岩气层裂缝对地层渗透率的贡献率 ［J］.石油天然气学报（江汉石油学院学报），2011，33（6）：149～152.

［6］SY／T 6210—1996，沉积岩中粘土矿物总量和常见非粘土矿物X射线衍射定量分析方法 ［S］.

［7］SY／T 5163—1995，沉积岩粘土矿物相对含量X射线衍射分析方法 ［S］.

［8］GB／T 17361—1998，沉积岩中自生粘土矿物扫描电子显微镜及X射线能谱鉴定方法 ［S］.