超深井段井壁失稳机理研究

王志龙，杨龙龙，罗 跃，尹 达，梁红军，李 磊

（1.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023；2.中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒841000）

为满足国内的油气需求，开发深部地层的油气资源日趋重要。国内某油田在深部地层的钻探过程中井壁失稳问题时有发生，钻井过程中发生过卡钻、钻井液漏失等事故。另外，膏盐岩蠕变性强、缩径严重等影响到钻井周期和井眼质量。因此，研究和分析深部地层的坍塌机理，解决钻井过程中的复杂情况，对于优质高效地完成钻井作业十分必要［1－7］。

1 现场情况

某油田开发的深部地层的相应区块已钻的10口井的各类复杂情况统计如图1所示。

图1 各类复杂情况发生频率分布图Fig.1 Distribution of all kinds of complicated situation occurrence frequency

由图1可以看出，该区块10口井钻井过程中发生钻井复杂情况共计270起，其中阻、卡175起，占总复杂情况的64.81%；井漏70起，占总复杂情况的25.93%；溢流8起，占总复杂情况的2.96%；憋泵、憋扭矩6起，占总复杂情况的2.22%；其它事故11起，占总复杂情况的4.07%。这说明阻、卡和井漏是该深部地层区块钻井面临的最突出的问题。

2 岩性分析

2.1 X－射线衍射分析

依据SY／T 5163－2010《沉积岩粘土矿物相对含量X－射线衍射分析方法》对现场岩石进行X－射线衍射分析，结果见表1。

由表1可看出：深部地层中粘土矿物含量的变化范围较大，在10%～50%之间；伊／蒙间层主要在40%～60%之间；伊利石和绿泥石的含量在20%～30%之间。深部地层中大量的粘土矿物即使少量水化也可能引起井壁不稳定。

2.2 电镜扫描分析（图2）

由图2a可看出，岩石结构致密，表面有少量氯化钠结晶。由图2b可看出，部分颗粒表面覆盖一层泥质薄膜，粒间充填白云石。这表明，分析岩样孔隙不发育，多数为微小孔隙，连通性不好，部分岩石上有NaCl的结晶和沉积。

2.3 铸体薄片分析（图3）

由图3可知：6 900～6 903m岩性描述为：岩石内颗粒包括陆源碎屑、砂屑等，基质包括泥质、白云石、方解石等，微细孔隙少量，未见可测孔隙；见1条溶蚀缝被泥质等充填；6 854m岩性描述：岩石内碎屑颗粒分选中等，颗粒间多被泥铁质及部分方解石充填，部分颗粒间充填黑色沥青质，其面积约占10%左右，局部见部分溶蚀孔，溶蚀缝呈不规则串珠状分布。

表1 现场岩石X－射线衍射分析数据Tab.1 X－Ray diffraction analysis data of field rock

图2 现场岩石的SEM照片Fig.2 SEM Photos of field rock

微裂缝发育增加了粘土水化后地层坍塌的可能性。

图3 薄片分析照片Fig.3 Photos of thin－layer analysis

3 现场钻井液性能测试

3.1 钻井液性能

钻井液性能见表2，温度对油基钻井液乳化稳定性的影响见表3。

表3 温度对油基钻井液乳化稳定性的影响Tab.3 Effect of temperature on the stability of the oil－base drilling fluid emulsification

由表2、表3可知，现场泥浆流变性能良好，热滚后乳化稳定性增强。

3.2 钻井液性能调节

钻井液性能调节数据见表4。

由表4可知，在现场泥浆的基础上进行加重，随密度的增大，钻井液的黏度、API滤失量、高温高压滤失量都呈递增趋势，但性能仍在较好的范围。说明钻井液密度可根据需要较方便地调节。

表2 钻井液性能Tab.2 Drilling fluid performance

表4 钻井液性能调节数据Tab.4 Debugging data of drilling fluid performance

3.3 现场钻井液的回收率（表5）

表5 现场钻井液的回收率／%Tab.5 Recovery of field drilling fluid／%

实验岩样为石膏岩样品（石膏含量约为65%）。由表5可看出，油基钻井液体系的平均回收率明显高于水基钻井液体系。这是因为油能阻止石膏岩溶解的缘故。

3.4 钻井液的膨胀抑制性能（表6）

由表6可知，油基钻井液的膨胀抑制性能明显优于水基钻井液，对石膏岩的溶解也有更好的抑制作用。

表6 钻井液的膨胀抑制性能／%Tab.6 Inflation inhibition performance of drilling fluid／%

3.5 封堵实验

封堵实验中钻井液在岩心表面形成滤饼，然后用清水代替钻井液进行测试，记录滤失量，以判断封堵效果，结果见表7。

表7 封堵滤失量Tab.7 Blocking filtration volume

由表7可知：在钻井液中加入封堵剂对降低滤失量有一定的作用，清水驱替表明其承压能力也有所改善，但封堵剂的加入对流变性产生了一定的影响。现场使用应根据实际情况采取封堵措施。

4 结论

（1）深部地层岩性以砂岩和泥页岩为主，砂岩为脆性岩石，当使用泥浆密度偏低时，井壁岩石发生剪切破坏，引起井壁失稳、掉块甚至坍塌。

（2）粘土矿物X－射线衍射分析表明：深部地层泥页岩样品中泥质含量为30%～50%，其中水敏性矿物40%～63%；砂岩及泥质砂岩中泥质含量2%～30%，其中水敏性矿物14%～68%；褐色含泥砾中砂岩中泥质含量30%～50%，其中水敏性矿物60%～65%。水敏性矿物含量高导致的水化膨胀甚至坍塌是井壁不稳的重要原因之一。

（3）对于深部地层的泥页岩，由于上部岩层的压力巨大，对地层粘土矿物会产生一定的去表面水化的作用，地层打开后粘土矿物与水接触，使用水基泥浆时表面水化不可避免（高浓度的盐水只能抑制和阻止渗透水化），引起井壁的不稳定。

（4）泥岩及砂岩的裂缝发育会增大地层坍塌的可能性。

（5）现场钻井液的流变性能良好；封堵措施有利于滤失量控制和提高井壁的承压能力；油基钻井液在提高深部地层稳定性方面有以下优势：抑制粘土水化特别是表面水化，抑制粘土水化引起的井壁失稳问题；有利于膏盐层的稳定；更好地控制滤失量及泥饼质量。

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