CFD某油田碳质泥岩层钻井坍塌原因分析及对策研究

苏延辉，耿学礼，郑晓斌，李文良，黄毓祥，史斌，张静

CFD某油田碳质泥岩层钻井坍塌原因分析及对策研究

苏延辉，耿学礼，郑晓斌，李文良，黄毓祥，史斌，张静

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

CFD某油田2h井水平段着陆前钻遇碳质泥岩层发生坍塌，影响钻井时效，为满足该油田后续钻井需求，针对性开展坍塌原因分析和对策研究。综合分析钻井液性能与井壁坍塌的关联性、坍塌掉块的层理结构和黏土矿物组分，确定钻井液密度低、封堵性能和抑制性能不足是碳质泥岩层坍塌的主要因素。从力学对策方面，基于强度各向异性模型建立了井斜与坍塌压力的关系曲线，为钻井液密度的选择提供指导。从化学对策方面，通过抑制剂和封堵剂的优选，加入体积分数分别为1%聚胺抑制剂+5%细目碳酸钙+1%纳米封堵材料后的钻井液岩屑回收率达91.39%，高温高压失水降低22.41%，坍塌掉块的点荷载强度降低率从优化前的32.45%降至13.6%。研究结果为解决实物资料少及现场亟需钻井防塌措施提供参考。

碳质泥岩； 钻井液； 坍塌； 抑制； 封堵

由于受钻井液密度、防塌性能和地层适用性等多因素影响，硬脆性泥页岩在钻井过程中的井壁坍塌一直以来都是石油钻井面临的一大难题[1⁃3]。渤海油田东营组下段至沙河街组普遍存在硬脆性泥岩，受较高的地应力作用，层理、裂缝、微裂隙等弱结构面普遍存在，导致井壁容易坍塌破坏[4⁃6]。解决井壁坍塌主要从力学、化学、力化耦合等方面进行，力学通常应用于常规弹性模型对坍塌压力的预测，化学措施的前提是围绕坍塌样品进行机理分析。由于数据和样品的缺失及计算模型和研究手段的限制，一般坍塌井坍塌及防塌的研究面临诸多挑战[7⁃8]。

CFD⁃2h井在水平段着陆前钻遇硬脆性的碳质泥岩时遭遇严重坍塌事故，导致钻具被填埋，而相邻的定向井CFD⁃7井在钻遇该类地层时顺利完钻，未出现坍塌事故。针对这一现象亟需开展该地层钻井过程中的坍塌机理研究，制定相应的钻井液防塌对策，为后续的钻井作业措施优化提供指导。面对该油田坍塌层除掉块外无其他实物资料，以及利用常规力学模型计算坍塌压力与实际不符合的情况，本文从钻井资料入手，结合掉块的微观特性对坍塌原因进行分析，从力学和化学两个角度开展钻井液防塌措施研究。

1 坍塌机理分析

1.1 CFD⁃2h井坍塌过程分析

CFD⁃2h井四开作业着陆中完后，倒划眼测井、通井时在碳质泥岩段发生地层垮塌事故，处理过程中钻具断落井底，被迫更改井身结构，进行五开作业。五开作业再次钻遇碳质泥岩段，且多次蹩停顶驱，起下钻遇阻，稠浆清扫后，振动筛返出较多碳质泥岩掉块。两次处理坍塌共计耗时12.5 d，占该井总复杂情况处理工时的3/4以上。

CFD⁃2h井在碳质泥岩段发生严重坍塌，但相邻的定向井CFD⁃7井在该地层却钻井顺利。对比两口井的各项参数，CFD⁃2h井（井斜77.24°，方位102.81°）钻井液密度从CFD⁃7井（井斜24.61°，方位141.49°）的1.30 g/cm3提至1.50 g/cm3，钾离子质量浓度从28 000 mg/L提至50 000 mg/L，氯离子质量浓度从96 000 mg/L提至135 000 mg/L。与CFD⁃7井对比，CFD⁃2h井在该层位井斜更大，虽然采用提高钻井液密度，提高钾离子和氯离子含量等常规处理措施，但仍未解决碳质泥岩段严重坍塌问题。

1.2 碳质泥岩黏土矿物分析

对该油田沙河街组层位碳质泥岩的掉块进行黏土矿物分析，以进一步了解其坍塌机理（见表1）。从表1中的全岩分析结果看，黏土矿物质量占总组分质量的26.42%～63.77%，平均为48.71%，黏土中不含蒙脱石，主要成分以高岭石、伊利石、伊蒙混层为主，伊蒙混层中蒙脱石平均占比为25%，主要为伊利石。碳质泥岩整体呈现硬脆性状态，因发育有一定含量的伊蒙混层，具有一定的水化膨胀性。

表1　坍塌段碳质泥岩全岩、黏土组成

1.3 坍塌原因分析

图1为碳质泥岩掉块图片。如图1所示，振动筛返出的坍塌掉块中存在大量剥落掉块，其中有相当数量的掉块存在片状平整面脱落痕迹，主要是因为钻井液密度不足而导致的垂向于泥页岩层理发育方向上的支撑力不够，而造成岩石应力剥落的现象。从力学角度分析，在CFD⁃2h井碳质泥岩段，钻井液密度较低是造成井壁坍塌的原因之一。

在钻开碳质泥岩地层后，钻井液滤液沿地层层理、裂隙进入碳质泥岩内部，一方面造成近井地带的含水饱和度升高，进而造成坍塌压力升高。另一方面由于伊/蒙混层、伊利石、高岭石等组分的水化能力存在差异，导致岩石内部各组分间水化程度不同，造成岩石内部的力学平衡发生变化，从而发生井壁失稳、坍塌。从化学角度分析，钻井液的封堵能力和抑制性能不足也是造成井壁坍塌的原因之一[9⁃11]。

2 力学对策研究

从造成碳质泥岩坍塌的力学因素考虑，需要研究井斜与坍塌压力的关系，以选择合适的钻井液密度。利用常规弹性模型的井壁稳定的软件对坍塌压力进行预测，CFD⁃2h井的最高坍塌压力仅为1.40 g/cm3，与实际作业有一定偏差。对于深部碳质泥岩及泥质灰岩地层，常规弹性模型已经不再适用，井眼垮塌呈现出明显的井斜、方位相关性。基于应力矩阵坐标系变换的方法，将井周应力变换到层理面坐标系下，采用三维应力状态下的破坏准则，建立强度各向异性的井壁稳定分析模型[12]，并绘制井斜与坍塌压力的关系图，如图2所示。

图1　碳质泥岩掉块图片

图2　基于强度各向异性模型的井斜与坍塌压力关系

由图2可知，对于CFD某油田碳质泥岩地层，当井斜在30°～45°时，坍塌压力当量密度在1.30 g/cm3以下，相对较低。当井斜超过该角度范围时，坍塌压力出现陡增现象，最大坍塌压力当量密度达到1.55 g/cm3。对于强度各向异性模型预测的坍塌压力，存在一个临界井斜角，超过该临界角时，坍塌压力急速增加，这与CFD⁃2h实际施工时钻井液密度的调整趋势相吻合，同时也解释了CFD⁃7井钻遇坍塌层稳定，而CFD⁃2h井在该井段频繁坍塌的原因。参照强度各向异性模型绘制井斜与坍塌压力的关系曲线，可为该油田后续钻井施工提供必要的密度支持。

3 化学对策研究

从造成碳质泥岩化学坍塌的原因上看，首先需要提高钻井液的抑制性，强化钻井液对易膨胀组分的抑制能力，其次是提高钻井液的封堵能力，利用合适的材料封堵岩石表面的微裂缝和孔隙，阻止钻井液的滤液侵入地层。

3.1 抑制性能优化

3.1.1抑制剂优选 增加钾离子含量和矿化度虽然可以提高钻井液的抑制性能，但钾离子含量过高则易造成地层硬化，同时矿化度对钻井液抑制性的提高也存在“天花板”效应，尤其是对硬脆性泥页岩未必能起到最好的作用。原有钻井液中的钾离子含量及矿化度均较高，滤液的活度处于较低水平，但对碳质泥岩的抑制并未实现较好效果。需优选一种聚合物类抑制剂，与无机盐协同作用，共同提高钻井液的抑制性能。

优选一种在渤海油田广泛应用的聚胺类抑制剂YZ⁃1，其分子中的阳离子基团与钾离子大小类似，可以镶嵌在黏土矿物的晶格中，能够有效抑制黏土的水化膨胀，其中的阳离子基团在钻井液中释放过程缓慢，从而起到了长效作用。

3.1.2抑制性能优化结果 参照《SY-T 5613-2016 钻井液测试泥页岩理化性能试验方法》中泥页岩膨胀实验方法，使用清水、原钻井液、改进钻井液对沙河街组碳质泥岩进行泥岩线性膨胀实验和滚动回收率实验[13]，评价聚胺抑制剂的抑制性能，改进钻井液配方为（体积分数）：原钻井液+1%聚胺抑制剂YZ⁃1，实验结果见图3和表2。

图3　泥岩线性膨胀实验结果

由图3可得出，清水、原钻井液、改进后的钻井液16 h膨胀率分别是18.80%、9.12%、6.73%。由表2可知，清水对岩屑的回收率为25.14%，原钻井液对岩屑的回收率为80.83%，改进后的钻井液对岩屑的回收率为91.39%，改进后的钻井液抑制性能较原钻井液有较大幅度提升。

表2　岩屑滚动回收率实验结果

3.2 封堵性能优化

为有效提高钻井液的封堵性能，在原钻井液的基础上，增加了不同粒径组合的细目碳酸钙（FD⁃1）作为封堵材料，同时优选了自主研发的柔性纳米封堵材料FD⁃2与FD⁃1配合使用，形成致密的封堵层，实现对碳质泥岩的有效封堵，降低钻井液滤液侵入地层。通过动态失水实验[14]，评价优化前后钻井液对低渗岩心的封堵性能，低渗岩心参数：孔隙度9.4%，渗透率8.63 mD；实验温度130 ℃，实验压差3.5 MPa，实验速度梯度150 s-1。改进钻井液配方为：原钻井液+5%FD⁃1+1%FD⁃2，实验结果见图4。由图4可以看出，改进后的钻井液对低渗岩心的动态失水体积与原钻井液体积相比，125 min的总失水从0.58 mL降低至0.45 mL，降幅达到22.41%，改进后的钻井液与原钻井液相比具有较好的封堵性能。

3.3 防塌性能综合评价

通过对原钻井液抑制性能和封堵性能的研究，优化后的钻井液配方为：原钻井液+1%聚胺抑制剂YZ⁃1+5%FD⁃1+1%FD⁃2，对其进行防塌性能的综合评价。传统上测试岩石强度变化检验钻井液防塌性能最直观的方法，但在实际钻井中极少在坍塌层取芯，而坍塌层掉块相对于录井岩屑来说，受钻井液污染较轻，因此选取坍塌层掉块，进行点荷载强度测试是接近岩心实验的方法。

图4　钻井液对低渗岩心的动态失水结果

选取大小合适的碳质泥岩掉块，测试在模拟地层条件下被不同钻井液浸泡后的破坏荷载，再换算成点荷载强度，以评价钻井液的防塌性能，实验结果见表3。

表3　掉块点荷载实验结果

点载荷计算公式为：

从表3可以看出，使用海水浸泡后的碳质泥岩掉块的点荷载强度较未浸泡掉块相比降低54.34%，原钻井液浸泡后的掉块与未浸泡掉块相比点荷载强度降低32.45%，改进后的钻井液浸泡后的掉块点荷载强度与未浸泡掉块相比降低仅13.60%，改进后的钻井液具有较强的防塌能力。

4 结 论

（1）在分析该油田碳质泥岩坍塌原因的基础上，结合现有资料，基于强度各向异性模型绘制了井斜与坍塌压力的关系曲线。通过引入聚胺类抑制剂YZ⁃1、刚性封堵剂FD⁃1和柔性纳米封堵剂FD⁃2，对原钻井液进行了防塌性能优化。

（2）坍塌掉块点荷载抗压强度评价试验，验证了改进后的钻井液具有良好的防塌能力，研究成果为该油田后续的钻井施工提供了优化方向，也探索出一种简便且时效性强的解决井壁坍塌难题的思路。

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Analysis of Drilling Collapse and Countermeasures Study for Carbonaceous Mudstone in CFD Oilfield

Su Yanhui， Geng Xueli， Zheng Xiaobin， Li Wenliang， Huang Yuxiang， Shi Bin， Zhang Jing

（Drilling & Production Co.，CNOOC Energy Technology & Services Limited， Tianjin 300452， China）

Serious well collapse in the 2h well horizontal section of a CFD oilfield took place during drilling in carbonaceous mudstone before landing. In order to satisfy the requirements of drilling the rest wells, the analysis of drilling collapse and the research on anticollapse countermeasures were carried out. By investigating the correlation between drilling fluid performance and wellbore collapse,bedding structure and clay minerals, the low drilling mud density, and the poor performance of plugging and anti⁃swelling were determined to the main factors leading to the well collapse. From the point of view of mechanical countermeasures, the relationship curve between well deviation and collapse pressure were established based on the strength anisotropy model, for the future selection of mud density. In view of chemical countermeasures, 1% inhibitor along with 5% calcium carbonate and 1% nano⁃materials as plugging agents were added in the drilling fluid. The results show that the cuttings roller recovery using optimized drilling fluid could reach to 91.39%, the dynamic HTHP filtrate loss performance be decreased by 22.41%. The point load strength of the optimized drilling fluid is only 13.60%, which is superior to the original one of 32.45%.The research results can provide reference for solving the problem of lack of physical data and urgent need of anti⁃sloughing measures.

Carbonaceous mudstone； Drilling fluid； Collapse； Inhibition； Plugging

TE254.3

A

10.3969/j.issn.1006⁃396X.2021.04.009

1006⁃396X（2021）04⁃0053⁃05

http://journal.lnpu.edu.cn

2021⁃05⁃20

2021⁃06⁃20

中海油能源发展股份有限公司重大科研专项“渤海油田增储上产配套技术研究与应用（Ⅰ期）”（HFZDZX⁃GJ2020⁃01）。

苏延辉（1982⁃），男，博士，高级工程师，从事储层保护、油田化学技术研究及应用方面研究；E⁃mail:suyh@cnooc.com.cn。

（编辑 王戬丽）