塔中西部二叠系井壁失稳原因分析及对策

明瑞卿，张时中，王越之

(长江大学，湖北 武汉 430100)



塔中西部二叠系井壁失稳原因分析及对策

明瑞卿，张时中，王越之

(长江大学，湖北 武汉 430100)

在塔中西部钻探过程中，多口井二叠系地层出现了不同程度的井壁失稳现象，严重影响了区块钻井时效和经济效益。对塔中西部二叠系地层泥岩黏土矿物组分、扫描电镜成像、泥岩理化性能及现场钻井液体系使用情况进行研究，认为二叠系地层井壁失稳的重要原因是钻井液体系的选择失误。对现场实际使用的4种钻井液体系防塌性能和常用的抑制剂组合的性能进行了评价，优选了满足塔中西部二叠系井壁稳定要求的KCL-聚合物钻井液推荐配方。

井壁稳定；二叠系；钻井液；岩石力学；塔中西部

引 言

1 二叠系井壁失稳原因分析

1.1 地层泥岩黏土矿物成分分析

针对塔中西部二叠系不稳定井段，选取ZG14-3h井3 576 m和ZG29井3 926 m处岩心，进行X射线衍射矿物成分分析(表1)。由表1可知，二叠系地层黏土矿物含量较高，为20%～40%，是该地层

表1 黏土矿物含量X射线衍射结果

发生井壁失稳的主要原因之一。同时，水敏性矿物伊(蒙)混层含量较高，相对含量在50%以上，易引起地层岩石水化分散，从而造成井壁坍塌[5-9]。在二开钻进中，由于二叠系泥岩长时间浸泡在钻井液中，极易发生井壁失稳现象。

1.2 扫描电镜成像分析

选取ZG29井二叠系3 926 m处岩心进行电镜扫描(图1)。

由图1可知，岩心中存在较大的微孔、晶间孔、层面缝与层理缝，在压差作用下，这些裂缝是钻井液漏失的主要通道，造成泥岩局部水化和剥落掉块等问题，是导致二叠系井壁失稳的原因之一。

1.3 泥岩理化性能分析

利用NP-01线性膨胀仪，测定塔中西部二叠系地层钻屑膨胀性滚动回收率(表2)。由表2可知，线性膨胀率为9.62%～13.74%，表现出较强的吸水膨胀性。此外，二叠系岩屑在清水中滚动回收率不足25%，表现出强分散性。

研究会以为国民经济建设和经济体制改革服务为目标，面向社会经济系统工程问题，组织自然科学、工程技术工作者和哲学、社会科学工作者一道，创新和运用定量与定性相结合、人脑与电脑相结合等系统工程理论、方法，形成了一批科研成果，为推动政府、部门与企业决策的民主化、科学化、制度化提供智力支持，为科学决策贡献了力量。

图1 二叠系岩心电镜扫描图像

表2 钻屑在自来水中的滚动回收率和线性膨胀率

1.4 现场钻井液体系使用情况分析

如表3所示，现场在二叠系钻进过程中使用的4种钻井液体系发生井壁失稳的比例都较大。其中，仅KCl-聚合物钻井液体系井壁失稳比例低于50%，使用CP全阳离子钻井液体系发生井壁失稳比例高达100%。

表3 现场钻井液使用情况对比

综合以上分析，认为二叠系钻井施工中钻井液体系的选择失误是井壁失稳的重要原因。

2 钻井液评价与分析

2.1 钻井液体系防塌性评价

对塔中西部二叠系钻井施工中实际使用的4种钻井液体系进行钻屑线性膨胀率和滚动回收率实验(表4)。

表4 钻屑在4种钻井液中的线性膨胀率和滚动回收率

由表4可知，4种钻井液中KCl-聚合物钻屑线性膨胀率最低，防膨性最好，滚动回收率最高，其次为KCl-聚磺体系钻井液，2种钻井液对二叠系地层泥岩水化有相对较强的抑制性。

2.2 防塌抑制剂组合筛选

根据多元协调理论[10]，采用有机物抑制剂、无机盐(KCl)和MMH正电胶(铝镁氢氧化物)复合，钻井液抑制性会有较大提升。选取了5种有机物抑制剂(KPAM、IND、NMI-4、80A51、CPA)和KCl、MMH组成复合抑制剂。研究了复合抑制剂对钻屑的线性膨胀性和滚动回收率(表5)。由表5可知，0.4%KPAM+3%KCL+2%MMH复合抑制剂膨胀率最低，防膨性最好。

表5 复合抑制剂对钻屑的线性膨胀性和滚动回收率

2.3 二叠系防塌钻井液优化配方

针对二叠系地层特点，根据采用多元协调理论，对钻井液配方进行优化：4%膨润土+0.2%NaOH+(0.6%～0.9%)KPAM+(0.5%～0.8%)HV-CMC+(1.5%～2.0%)Redul+(3%～4%)SMP-1+(3%～4%)JNJS-220 +(4%～5%)KCl+(2%～3%)PGSS-1+(2%～3%)TVRF-1+3%SY-A01+(3%～4%)FT-342+加重剂。

该钻井液流变性、滤失性、润滑性均满足安全快速钻井的要求(表6)，对二叠系地层泥岩水化有较强的抑制性，对高渗透性的岩心有较强封堵性，有效降低了滤液渗透，提高了井壁有效支撑应力。

表6 钻井液基本性能(140℃，12h)

3 现场应用

推荐的钻井液体系在塔中西部应用15井次，较邻井的相同井段，机械钻速平均提高了35%，现场井壁失稳比率平均降低了71%，大大改善了该区块二叠系的钻井工况。

以中古157井为例。中古157井二叠系地层为3 290 ～4 030 m。在二开井段使用推荐的钻井液体系700 m3，排量为34 L/s，钻井液密度为1.25 g/cm3。在二叠系钻井过程中，未出现井壁失稳现象，平均机械钻速达到了6.71 m/h。邻井中古151井，在二叠系钻井施工中，在3 300、3 570、3 893 m处出现了3次井壁失稳，平均机械钻速仅为3.81 m/h。相比于邻井中古151井，中古157井平均机械钻速提高了42%，未出现井壁失稳，二叠系提速和防失稳效果明显。

4 结 论

(1) 塔中西部二叠系地层钻井施工中井壁失稳原因是：黏土矿物成分含量较高，极易水化分散和膨胀；地层砂泥岩混杂软硬交错；钻井液体系选择失误。其中钻井液体系选择失误是主要原因。

(2) 通过对现场钻井液进行评价，优选了适合的抑制剂组合和防塌钻井液配方。

(3) 通过抑制剂的多元复配，钻井液抑制性明显增强，有利于抑制地层泥岩水化，钻井提速和防失稳效果显著。

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编辑 孟凡勤

20150211；改回日期：20150327

中国石油天然气股份公司钻井科研项目“塔中西部三叠系钻头泥包和二叠系井壁稳定技术研究”(121013050107)

明瑞卿(1989-)，男，2013年毕业于长江大学石油工程专业，现为该校油气井工程专业在读硕士研究生，主要从事钻井工艺与技术研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.036

TE242

A

1006-6535(2015)03-0138-03