复杂地层防塌钻井液体系优化研究

豆宁辉, 王志远, 刘殿琛

(1中国石油大学·华东 2中国石化石油工程技术研究院 3中国石油川庆钻探公司钻采工程技术研究院)

Y区块位于富含油气的Masila盆地西部，面积为1 801 km2，地表以第三系的灰岩和泥岩为主，地表高差较大(700～1 000 m)，发育着六套储层，主要地层岩性为河道砂及滨岸砂岩、浅海相碳酸盐岩及砂岩和基底裂缝花岗岩-变质岩，由于地层复杂，在钻井过程中出现坍塌、漏失、井壁失稳等复杂情况，通过分析Y区块已钻井资料发现其垮塌的地层主要为Harshiyat、Saar和Nayfa组。其中，Judayaah-1井和Rabaa-1井在Harshiyat地层井径扩大率分别达35%和38%，划眼或处理垮塌的复杂损失时间为26 h；Henin-1井在Saar和Nayfa组井径扩大率最高达40%，划眼或处理垮塌的复杂损失时间为33 h。因此，亟需解决井壁失稳的难题，以降低发生井下故障的概率，促进该油田的勘探开发[1-4]。

1 井壁失稳机理分析

1.1 井壁失稳综合分析

经过分析总结Y区块复杂井段井壁失稳的资料，发现复杂岩性段井壁失稳主要存在以下规律,见表1所示。

表1 Y区块复杂井段井壁失稳综合分析表

1.2 矿物组成及微观结构

1.2.1 矿物组成分析

根据行业标准SY/T 5163-2010，利用TTRIII型多功能X射线衍射仪对RABAA-1井易失稳井段Saar地层的岩样进行了分析。RABAA-1井易失稳井段岩石主要为泥质灰岩、灰泥岩、泥岩与灰岩夹层。黏土矿物以伊利石、绿泥石、高岭石、伊/蒙间层发育，缺失蒙脱石、绿/蒙间层矿物为特点，且伊/蒙混层相对含量较高，平均约为56%。

1.2.2 微观结构分析

根据行业标准SY/T5162-1997，利用TESCAN-VEGA-3LMU型扫描电子显微镜对Judeyaah-1井垮塌井段泥岩岩心进行电镜扫描，结果见图1。

由图1可以看出，上部Harshiyat组地层黏土矿物含量高，微观扫描显示高岭石、绿泥石发育，黏土矿物以片状、粒状存在。同时，受构造挤压脱水过程中导致裂隙的存在，该类岩石易水化分散、膨胀，钻井过程易泥包，阻卡。

1.3 水化性质分析

由于Y区块无法获得地层岩心或露头岩心，因此采用国内物性相似的泥岩开展钻井液水化对岩石力学特性的影响规律的探索实验研究。根据现场钻井液配方进行了室内配制，对上述岩心开展不同围压下的强度实验，具体结果见表2。

通过岩心浸泡实验可以发现，钻井液对泥岩结构的影响具有时间效应，微观体现在泥岩中的某些活性矿物与钻井液中某些离子发生化学反应的过程，宏观体现在泥岩的层理面或微裂隙在钻井液滤液的作用下随时间发生动态运移或钻井液滤液溶蚀层理面或微裂隙中的填充物导致层理面发生扩张。通过对比发现，水化降低了泥岩的抗压强度，浸泡时间对粘聚力的影响大于对内摩擦角的影响；浸泡时间越长，岩石的抗压强度越低。

经过室内实验分析，Y区块井壁失稳主要是由于黏土矿物伊/蒙混层相对含量较高，黏土矿物以片状、粒状存在，易水化分散、膨胀，降低了岩石的抗压强度，引起了钻井过程中塌、漏以及井壁失稳等复杂情况。

2 防塌钻井液优化及性能评价

2.1 防塌钻井液设计思路

综合考虑岩石力学和钻井液对井壁稳定的影响、以及成本和现场出发，要求控制井径扩大率≤ 15%时，且井壁稳定25 d，适于Y区块复杂井段的防塌钻井液关键性能为：密度为1.25 g/cm3，岩石内聚力≥7.1 MPa。

1)钻井液抑制性能优化。在原用KCl-聚合物钻井液配方的基础上引入氨基聚醇处理剂来提高钻井液的抑制性能。

2)钻井液封堵性能优化。本研究在原用钻井液配方中引入了应用较为广泛的水基成膜钻井液处理剂JYW-1来提高钻井液体系的封堵性能。

3)钻井液润湿特性优化。在现用钻井液中引入一种纳米润湿调节剂，来改善钻井液对地层岩石的润湿性能。

结合以上设计思路，根据实验分析，在现用配方钻井液中加入2%胺基聚醇即可取得良好的抑制性能，在钻井液中加入1.5%JYW-1即可取得良好的封堵效果。在钻井液中加入0.5%纳米润湿调节剂即可有效提高钻井液与岩石的接触润湿角，改善钻井液润湿性能[5-6]。

2.2 优化防塌钻井液体系性能评价

2.2.1 优化钻井液配方

依据该区块井壁失稳机理，在原用KCl-聚合物钻井液配方基础上，通过引入氨基聚醇、成膜剂和纳米润湿调节剂，优选出了适于在该区应用的防塌钻井液优化配方。

KCl-聚合物防塌钻井液优化配方为：2%膨润土+0.15%纯碱+0.15%烧碱+5%KCl+0.3%PAC-R+0.6%PAC-LV+0.2%PHPA+2%改性淀粉+0.3%黄原胶+1.5%磺化沥青+0.2%杀菌剂+0.5%消泡剂+2%氨基聚醇+1.5%成膜剂JYW-1+0.5%纳米润湿调节剂。

确定了钻井液优化配方后，针对此配方进行常规性能、抑制特性、润湿特性及其对泥页岩强度影响评价。

2.2.2 优化钻井液体系抑制性能评价

测试岩屑在钻井液中的线性膨胀率，是评价钻井液抑制泥页岩水化性能的重要方法，并将测试结果与现用配方钻井液作对比分析。

1)滚动回收率实验。分别取RABAA-1井和HENIN-1井易失稳井段四个地层的现场岩屑，按SY/T5613-2000标准测试其在优化钻井液中的滚动回收情况，将实验结果与清水、现用配方测试情况作对比分析。现用配方和优化配方滚动回收率实验结果及分析见表3所示。

表3 现用配方和优化配方滚动回收率测试对比

2)线性膨胀实验。取RABAA-1和HENIN-1井易失稳井段岩屑样品烘干后粉碎成粉末，按标准程序压制成人造岩心，测试岩屑在优化钻井液中的线性膨胀情况，并将测试结果与现用配方作对比分析。测试结果及对比见表4。

表4 岩屑在现用钻井液和优化钻井液中线性膨胀率表

实验结果显示，现场岩屑在现用钻井液中的线性膨胀率平均值约为9.2%，明显高于在优化后配方钻井液中的平均值6.9%，表明优化钻井液抑制页岩线性膨胀的能力明显优于现用配方钻井液。

2.2.3 优化钻井液润湿性能评价

本项试验应用JC2000D3接触角测量仪测试现用配方及优化配方钻井液滤液与地层岩石间的接触润湿角，分析各自润湿特性。实验结果显示，蒸馏水与岩石的润湿角为26.1°，是三种实验流体中最小的，说明该岩石具有强亲水性，蒸馏水很容易润湿岩石表面，再逐渐铺展开，沿岩石孔缝逐渐渗入到岩石内部。现用配方钻井液中含有一定量的阳离子聚合物，滤液与岩石润湿角较之蒸馏水作用时有一定的提高(33.7°)，但润湿角提升量相对并不明显。优化配方中引入了纳米润湿调节剂，其可显著提高岩石的亲油疏水性能，钻井液滤液在岩石表面的接触润湿角最大(51.9°)，此特点可减弱钻井液沿微裂缝侵入地层，降低因毛细管力作用而导致的裂缝扩展，促进井壁稳定。

2.2.4 优化钻井液强化井壁围岩强度效果评价

钻井液体系优化的主要目标是保持体系良好常规性能的同时，增强钻井液强化井壁强度能力，从而实现保持井壁稳定的目的。课题组通过岩石三轴强度试验，测试岩心(露头)经优化钻井液浸泡后的强度、粘聚力、内摩擦角等力学参数，分析岩心在优化钻井液作用下各力学参数的变化规律。同时结合考虑时间效应的线弹性多孔介质的流固热化耦合方程，评价优化钻井液提升地层坍塌压力的效果及其对井壁坍塌周期的影响[7]。

1)优化钻井液对岩石力学参数影响。将优化钻井液对岩石参数影响的测试结果与现用钻井液作用下结果做对比分析。优化钻井液作用岩石25 d后，岩石内聚力大于7.4 MPa，该值大于保持井壁稳定所需的岩石内聚力7.1 MPa，说明优化钻井液可以按设定现场要求保持井壁稳定。

2)优化钻井液降低地层失稳效果分析。如上述实验数据所示，岩心在钻井液浸泡下会发生水化效应，其抗压强度不断降低，弹性模量，泊松比等力学参数也随钻井液作用时间而变化。传统钻井液设计时，往往将井壁考虑成非渗透地层，或者仅考虑钻井液导致的孔隙压力传递，经常忽略因泥页岩水化作用引起的地层坍塌压力会随时间变化这一因素。实际上，地层井壁失稳存在坍塌周期，如钻井液密度设计时未合理考虑此特点，使用所设计的密度钻进时，井壁可能出现“假稳定”状态，即打开井眼较短时间内，井壁能保持稳定，随着钻井液作用时间的延长，井壁可能重新出现失稳。

3 井壁坍塌周期图版绘制

根据井壁围岩应力动态分布模型，绘制优化钻井液作用下井壁坍塌周期图版，评价优化钻井液对降低地层坍塌压力效果。模型计算所用岩石力学参数为与区块易失稳地层岩性相似的四川露头，其他参数与前文绘制现用钻井液作用下井壁坍塌周期图版时所用参数相同。Rabaa-1井saar地层失稳井段，现场用钻井液密度值为1.25 g/cm3。绘制的现用、优化钻井液作用下井壁坍塌周期图版如图2所示[8]。

从图2可看出，优化前钻井液(红线)和优化后(现用)钻井液(蓝线)作用下井壁坍塌压力都随钻井液作用时间的延长而增加，但现用钻井液导致地层坍塌压力的增量明显大于优化钻井液。该井段现场所用钻井液密度为1.25 g/cm3，现用钻井液在此密度下能保持井壁稳定约21 d，优化钻井液在1.25 g/cm3密度下可保持井壁稳定约28 d，满足理想坍塌周期25 d的要求，说明优化钻井液强化井壁围压强度的效果更好，其防止井壁失稳的效果优于现用钻井液。

图2 现用/优化钻井液作用下井壁坍塌周期图版(SARR地层)

对于给定地层，孔隙压力和井壁围岩力学参数等会随所用钻井液配方和性能的改变而变化。同一地层，不同的钻井液配方和性能，可计算出不同的钻井液安全密度窗口和地层坍塌周期。因此，测试失稳地层现场岩心在待用钻井液作用下的力学参数变化规律，才能更加准确的预测地层坍塌压力和临界坍塌周期。现场作业时，应根据钻井液可能作用于井壁的天数(如：打开井眼到固井时间)及钻井液的具体性能，选择合理的钻井液密度，防止井壁出现“假稳定”现象[9]。

选取该区块坍塌特别严重的井段1 700～1 940 m井径作为对比井段，该井段也是邻井出现严重井塌导致钻井复杂最多的井段，通过分析井径曲线，易塌井段实验井井径扩大率小于8%，而对比井井径扩大率则达到100%。由于井壁稳定，钻井液性能优良，钻井起下钻过程顺利，泵压、排量，接单根正常，完钻后起钻顺利，在没有通井的情况下进行测井，没有发生阻卡现象，测完井后下套管、固井顺利，节约了成本和时间。

4 结论与建议

1)综合分析Y区块现场施工情况、地层岩石理化性能、地应力、孔隙压力、钻井液影响等因素，得出该区块井壁失稳的主要机理为硬脆性泥页岩水化剥落破坏，应注重提高钻井液的抑制和封堵性能。

2)针对Y区块主要失稳地层Saar组绘制了坍塌周期图版，优化后的防塌钻井液体系比现场用的钻井液具有更强的防塌抑制性能，膨胀率降低了2.3%，回收率提高了10%～30%，坍塌周期延长了7 d，且流变性更好控制，满足现场需求。

3)通过现场应用表明最大井径扩大率均小于8%，无井壁坍塌等复杂现象出现，钻完井过程顺利，节约了成本和时间。