东部某区块页岩井壁失稳实验研究

罗 超,刘向君，庄大林，雷 梦

（西南石油大学，四川成都610500）

·石油与钻掘工程·

东部某区块页岩井壁失稳实验研究

罗 超*,刘向君，庄大林，雷 梦

（西南石油大学，四川成都610500）

东部区块是国家油气发展的重点勘探区块，该区块某地层段经常因井壁失稳造成井下事故，从而影响该地区油气勘探开发进度。基于实验室室内岩石力学评价方法对该区块页岩的矿物组成、微观结构及在流体浸泡作用下力学性质变化等分别进行了实验研究；并对该区块页岩进行了物性、力学状态等方面进行了深入分析研究。建立了井下岩芯的稳定性的评价分析体系，并对现如今该地区使用的2种钻井液进行优选。实验结果表明：井下某一组段岩芯微裂缝和溶洞发育，泥浆易浸入，导致页岩理化性质发生变化的同时，力学性质也发生变化。研究发现，随着浸泡时间增加，页岩硬度变弱；成膜钻井液体系比抗高温钻井液体系影响小。

硬脆性；页岩；井壁稳定；钻井液浸泡

1 概述

井壁稳定问题是钻井工程经常遇到的难题。近年来，随着勘探领域的扩展，各种复杂地层、井下复杂情况都不可忽略，特别是近年来得到相当重视的页岩。这其中90%以上的井壁事故都是页岩地层[1-4]。我国通过近5年的钻井实践，对页岩气钻进优劣有了初步的了解和认识，但对页岩气地层的井壁失稳机理认识还不够深入，时常因为页岩气井的井壁失稳而延误钻时，所以钻井技术要求相应的提高，需要进一步深入研究页岩力学性质、岩样特性，弄清井壁失稳机理及影响因素，才能加快页岩气勘探开发过程。

东部地区是近年来我国着力发展的新区块，在这一区块地层钻井过程中出现很多井下事故以及井下复杂情况，特别是井下某地层段的井下复杂情况占90%以上[5]。井壁失稳会造成钻井工期延长，钻进成本升高。同时还影响后期作业的稳定性以及安全性。因此，针对东部地区这一地层页岩失稳问题，本文通过井下岩芯的室内试验，对该地区页岩失稳机理进行分析研究。

2 页岩组构及理化性质分析

影响井壁失稳的因素主要有内在因素，如，地质力学因素和地层岩石的综合性质及使用钻井液的综合性质和钻井工程等外在因素。除去钻井工程因素，针对井壁稳定问题的研究最终归结到一套井壁稳定力学模型上，模型中参数即是这些因素的体现。下面首先对页岩的结构、矿物组成及含量进行分析。

2.1 矿物组成分析

为了研究页岩的矿物组成，首先对井下岩芯进行X射线衍射实验，实验结果见表1、表2。从表中可得出该区块页岩矿物主要成分以粘土矿物为主，平均含量高达46.51%。其次较多成分为石英和方解石。

粘土矿物中主要为伊利石，平均含量为40.84%，伊/蒙混层含量也较多，为38.17%，含少量高岭石和绿泥石。单从成分组成可知，该页岩地层中强烈膨胀性矿物蒙脱石含量为零，但是伊蒙混层的含量偏高，因此该地层应该表现出一定的膨胀性，因此，在钻井过程中井壁岩石将出现缩径等现象。

图1 井下某地层段页岩矿物组成

图2 井下某地层段页岩粘土矿物组成

2.2 页岩微观结构

对井下页岩岩样切片，选取新鲜断面进行扫描实验。从扫描电镜照片上看：来自不同取样点的页岩压实程度高、结构紧密，微裂缝和溶洞都较为发育（图3）。裂缝和溶洞的发育给水侵提供了良好的通道。

图3 页岩电镜扫描结果

3 页岩力学特征研究

页岩的力学特征是影响井壁稳定的关键参数特征，特别是实际钻井过程中，钻井液与地层岩石之间的物化作用导致地层失稳现象也是很重要的因素。因此很有必要研究钻井液对岩石力学特征的影响，分析不同浸泡钻井液的破坏机理，有利于钻井液优选[6]。因此本文针对南堡地区现用钻井液的浸泡前后硬度实验和三轴实验，来分析钻井液对页岩的影响。

3.1 页岩硬度分析

岩石硬度是反映岩石软硬、钻井难易程度的重要指标。如果钻井液能在保持井壁稳定的前提下，快速降低岩石硬度提高破岩效率，即可大幅度提高钻井速度，从而降低钻井速度，加快勘探开发过程。岩石硬度测定方法多种多样，本文拟采用史式硬度测定方法。将圆柱岩样放入硬度仪，由一定形状压头压入并破碎岩石，用载荷除以表面积的数值表示试件的硬度值。

岩样制备：首先制作压入硬度实验岩样，将岩芯加工为Ø25mm×10mm小圆柱体。保证试件两端光滑、平行（平行度小于0.01mm）且和中轴线垂直（角度偏差不大于0.05°）。

将岩样进行硬度试验之后，由岩样前后破裂图（图4、图5），岩样表面由硬度仪压头造成的破坏点附近有微裂缝发育，整个岩样沿一条主裂缝断裂破坏，展现高脆性特点。根据压入硬度曲线图（图6、图7），在2种流体浸泡[7]下，随着浸泡时间的增加，岩石硬度变小，同时表现出塑性特点，在浸泡钻井液之后随着时间增加，因塑性的变化，导致页岩出现极限破坏时间增加，因此长时间的浸泡导致岩石变软而不易压碎。由此可以看出，在这套地层实际钻井过程中，会导致井壁岩石软化造成缩径等井壁失稳现象。因此该页岩地层防止井壁失稳的关键在于防止钻井液浸入地层。

图4 页岩压入硬度实验破坏前

图5 页岩压入硬度实验破坏后

3.2 页岩强度特性研究

选取井下页岩岩芯，将岩芯加工成Ø25mm×50mm圆柱体，并对岩芯做孔隙度、渗透率和声波测速，根据以上物理性质进行分组，保证岩芯一致性。将选取好的岩芯分别浸泡在KCl成膜钻井液、KCl抗高温钻井液中浸泡48h，在围压为30MPa下，进行三轴力学实验。

从图8能够看出，2种流体浸泡下的页岩比原岩弹性模量、抗压强度都有所下降，其中浸泡抗高温钻井液的页岩弹性模量和抗压强度都下降最大，而泊松比增加最大。可见，抗高温钻井液对此页岩的影响不论是从水化性能和力学强度都非常大。因此在此套地层进行钻井作业的时候要注意泥浆浸入地层。

泥浆的浸泡导致页岩力学强度减弱，同时也使页岩软化，不同流体浸泡后三轴实验的破坏形式主要是单剪切破坏（图9），少部分为多重剪切，其主要原因在于页岩本身的微裂缝发育、层理发育以及弱面的裂缝扩展，从而倾向于弱面破坏[8]。从图9看出，浸泡抗高温钻井液的岩芯裂纹扩展最多，浸泡成膜钻井液岩芯扩展较少。可见抗高温钻井液对地层岩石强度影响比成膜钻井液要强，因此在实际钻井过程中应选择成膜钻井液。

图6 浸泡抗高温钻井液页岩压入硬度曲线图

图7 浸泡成膜钻井液页岩压入硬度曲线图

图8 浸泡前后三轴数据

图9 不同流体浸泡压后破坏形式

4 结论

（1）东部地区页岩粘土含量比较高，而粘土矿物主要由伊利石和伊蒙混层构成，因此遇水后会出现由伊蒙混层造成的膨胀。从电镜资料看出，页岩中含有大量的微裂缝、溶洞，这些都为泥浆的进入都提供了孔道。因此在实际钻井活动中要注意泥浆的水侵。

（2）随着岩石浸泡2种钻井液时间增加，岩石的硬度变小，同时极限破坏时间变长，原因在于岩石中粘土矿物含量比较高，而浸泡抗高温钻井液比浸泡成膜钻井液对岩石影响大，硬度变化大。

（3）从井下页岩力学特征研究发现，在2种钻井液的浸泡作用下，岩石硬度、抗压强度、弹性模量都出现减弱趋向，而泊松比有增加趋势。研究发现，浸泡抗高温钻井液的页岩趋势变化较大。因此在钻井活动中以井壁稳定为前提，成膜钻井液体系比抗高温钻井液体系效果好，同时应注意防止泥浆水侵。

[1]刘向君，罗平亚.测井在井壁稳定性研究中的应用及发展[J].天然气工业，1999(6):33-35.

[2]王正良，佘跃惠，李淑廉，等.双南等地区防塌钻井液体系的研究与应用[J].石油钻采工艺，1998(3):41-43.

[3]王倩，周英操，唐玉林，等.泥页岩井壁稳定影响因素分析[J].岩石力学与工程学报，2012(1):171-179.

[4]蔚宝华，王治中，郭彬.泥页岩地层井壁失稳理论研究及其进展[J].钻采工艺，2007(3):16-20.

[5]王荐，卢淑芹，朱宽亮，等.南堡油田保持中深层泥页岩井壁稳定钻井液研究[J].海洋石油，2012(1):92-96.

[6]汪传磊，李皋，严俊涛，等.川南硬脆性页岩井壁失稳机理实验研究[J].科学技术与工程，2012(30):8012-8015.

[7]梁大川.泥页岩水化机理研究现状[J].钻井液与完井液，1997 (6):31-33.

[8]李庆辉，陈勉，金衍.含气页岩破坏模式及力学特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012(S2):3763-3771.

Experimental Research of Shale Wellbore Stability in an EastArea

Luo Chao,Liu Xiang-jun,Zhuang Da-lin,Lei Meng
(State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500,China)

The area is the main oil and gas exploration and development blocks of China.The underground accidents were often caused by the wellbore instability in some Formation,which always influences oilfield development progress.Based on the rock mechanics evaluation method,the mineral composition,microstructure and mechanical properties and those items under immersion fluid are obtained by experiments about the shale from the area.The mechanical properties,physical properties and mechanics properties of the core are deeply analyzed for this block.Then,the evaluation analysis system about the stability of the underground core is established,which could be used for the preferred drilling fluid in this area.Experimental results are shown that the micro fissure and caverns are well developed on the cores from that formation of the area.The mud easily penetrated into the shale,which changed the physical properties,chemical properties and mechanical properties of the shale.The research also finds that the shale hardness become worse with longer the mud immersing.The film forming drilling fluid system is much better than the Anti-high temperature drilling fluid system.

hard brittle；shale；wellbore stability；mud soak

TE28

A

1004-5716(2015)11-0026-04

2014-11-20

2015-03-25

罗超（1987-），男（汉族），四川江油人，西南石油大学石油工程测井在读硕士研究生，研究方向：井壁稳定。