准噶尔盆地中部4区块井壁失稳机理研究

李 蕾，王旭东，王 俊，杨龙波

(中石化胜利石油工程有限公司 钻井工艺研究院，山东 东营 257000)

新疆准噶尔盆地中部4区块位于中央坳陷昌吉凹陷东段，勘探面积2 891.7 km2。该区块在钻探过程中，普遍存在严重的井壁失稳、坍塌掉块所导致的卡钻等井下复杂情况的问题，严重影响了钻井工程进度和工程安全，增加了钻井成本[1-2]。统计了准中4区块已完钻井出现的复杂情况，平均卡钻次数为2.75次，多位于头屯河组，该地层岩性为细砂岩、粉砂岩和泥质砂岩不等厚互层，属硬脆性、弱胶结地层。本文在分析该区块已钻完井卡钻复杂情况发生特点的基础上，利用X射线衍射、岩石铸体薄片鉴定和电镜扫描等分析测试手段，对该区块失稳井段岩样的结构和理化性能进行了系统分析，深入地研究了该区块井壁失稳机理。

1 地层岩石组分分析

1.1 X射线衍射分析

利用D/max-ⅢA X-射线衍射仪分析了准噶尔盆地中部4区块董7井、董701井和董11井主要垮塌井段头屯河组岩样的全岩矿物组分和黏土矿物相对含量，如表1所示。

表1 X-射线衍射矿物组分分析结果

由表1的测试结果可知，准中4区块头屯河组地层为硬脆性泥页岩，以黏土矿物、石英、钾长石和斜长石为主，其中黏土矿物中伊/蒙混层含量最高，蒙脱石以与间层黏土矿物伴生的形式存在。伊蒙混层吸水膨胀，由于伊利石和蒙脱石膨胀程度不同，造成其周围的泥页岩受力不均，致使井壁垮塌。

1.2 岩石铸体薄片鉴定

岩石铸体薄片鉴定是研究岩石中真实孔隙大小分布的一种方法，在偏光显微镜下对铸体薄片可以进行岩石颗粒接触方式、颗粒粒度、显微构造以及碎屑颗粒识别等方面的观察和鉴定[3]。选取准中4区块董8井4 153 m处屯头河组典型岩心样品进行岩石铸体薄片鉴定，如图1所示。

由图1可知，该层位地层薄片岩性分为四部分，图1(a)的岩性为含泥质极细-细粒岩屑长石砂岩，碎屑颗粒以极细、细砂为主，细砂略多于极细砂，少量中砂，砂质成分主要为石英、长石、变质岩屑，少量火成岩屑和泥质岩屑，见隐晶碳酸盐质砂屑等盆屑，颗粒间主要充填泥质，鳞片结构，和碎屑颗粒顺层定向分布；图1(b)的岩性为粉砂质泥岩，泥质鳞片结构，粉砂质主要见石英和长石，部分被泥质和隐晶灰质环边，呈表鲕状，部分同样被泥质和隐晶灰质环边；图1(c)的岩性为泥质极细-细粒岩屑长石砂岩，泥质含量相对较高，鳞片结构，集中呈团块状分布，其余同图A岩性；图1 (d)的岩性为含泥质极细粒岩屑长石砂岩，砂质成分以极细砂为主，少量粗粉砂，成分主要为石英、长石、变质岩屑，少量火成岩屑和泥质岩屑，颗粒间主要充填泥质，鳞片结构，较均匀分布。该区块头屯河组泥质含量高，易发生水化膨胀及分散，且同时存在黏土矿物岩屑的无序分布，使水化作用加剧，在构造应力的作用下，井壁失稳加剧。

1.3 扫描电镜成像分析

扫描电子显微镜在观察黏土矿物的微观形貌时，能够看到真实、自然的形态特征，此外，还能提供孔隙内充填物的矿物类型、产状、含量和孔隙结构等资料[5]。因此，利用S-4800冷场扫描电镜针对准中4区块容易出现垮塌、井壁失稳的头屯河组，选取董7井、董701井和董11井典型岩心样品进行了扫描电镜分析，扫描结果如图2～图4所示。

从图4可知，准中4区块头屯河组岩样微裂缝和微孔隙发育，这为钻井液滤液侵入提供了通道，为泥页岩水化提供了水分空间；同时，可明显观察到蜂窝状的伊蒙混层以及纤维状的伊利石贴附于颗粒表面或填充于粒间孔隙中，表明黏土矿物发育。从扫描电镜可以看出，该区块头屯河组岩样裂隙及黏土矿物发育，水敏性较强。

2 理化性能分析

2.1 水化膨胀性能分析

选取准中4区块董7井和董11井头屯河组典型岩样，将取得的岩样粉碎过100目，分别测试其在去离子水中的8 h页岩膨胀率，测试结果如表2所示。

由表2的测试结果可知，该区块头屯河组岩样的页岩膨胀率较低，其水化膨胀能力较弱，说明该地层由于埋藏深，黏土矿物主要以非膨胀性的伊利石为主，地层岩样的可膨胀性下降，属于硬脆性泥页岩。

表2 页岩膨胀率测试结果

2.2 水化分散性能分析

泥页岩的水化分散性能与井壁失稳直接相关，它是宏观评价泥页岩井壁稳定性的重要指标之一，利用分散实验可以了解岩样的水化分散性能，也可以作为钻井液对页岩的抑制性评价手段[5]。同样选取准中4区块董7井和董11井头屯河组典型岩样，粉碎取2～5 mm岩样，测试其在清水中的岩屑滚动回收率，评价头屯河组岩屑水化分散性能，测试结果如表3所示。

由表3的测试结果可知，董7井岩样岩屑滚动回收率较低，表明该井深处岩样水化分散性很强，这是由于黏土矿物相对含量较高(29%)，且伊利石含量较高，伊利石在外来流体作用下易发生水化分散；董11井岩样岩屑滚动回收率相对较高，表明该井深处岩样水化分散性较弱，这是由于该地层黏土矿物相对含量较低(18%)，水化分散作用相对较弱。因此，结合水化膨胀性能结果可知，准中4区块头屯河组地层具有易水化分散弱膨胀的特点。

表3 岩屑回收率测试结果

2.3 比亲水量测试

大量的实践、实验研究结果表明，泥页岩地层失稳的主要原因之一是泥页岩水化效应造成的，因此，泥页岩水敏性评价对泥页岩井壁稳定性的预测和诊断分析至关重要。以往传统的利用总吸水量作为泥页岩水敏性的直接评价指标，没有考虑泥页岩比表面积，因而其界面物理化学含义不太明确，与泥页岩水化效应关联也不够确切[6]，因此，泥页岩比亲水量研究对井壁稳定机理研究具有十分重要的意义。

泥页岩比亲水量即每平方厘米表面积上吸附水的克数[6]，其表达式如下：

Sw=(1 cm2)×hw×ρ

(1)

式中：Sw为比亲水量，g/cm2；hw为水化膜厚度，cm；ρ为吸附水密度，g/cm3。

由式(1)可知，当吸附水密度取近似值1.0 g/cm3，比亲水量在数值上相当于泥页岩表面水化膜厚度，即Sw≈hw，是衡量泥页岩水化变形以及强度变化的本质特征指标[7]。

选取准中4区块董7井和董11井头屯河组典型岩样，测试其比表面积和比亲水量，测试结果如表4所示。

由表4测试结果可以看出，准中4区块头屯河组比亲水量较高，泥页岩水化膜较厚，表明其水化短程斥力较大，水化能较高，易产生掉块、垮塌导致的井壁失稳。

表4 比表面积和比亲水量测试结果

2.4 岩心五敏试验

岩石敏感性，是指岩石的物性参数随环境条件(温度、压力)和流动条件(流速、酸、碱、盐、水等)而变化的性质[8]。本文中的岩心五敏试验包括：岩心速敏试验、岩心水敏试验、岩心盐敏试验、岩心碱敏试验和岩心酸敏试验。岩石是由固体骨架颗粒和粒间孔隙构成的，如果外界条件改变时，骨架颗粒的尺寸和排列方式发生了变化，影响了地层的原生平衡状态，就会对地层的稳定性造成影响，发生井壁失稳[9]。选取该区块典型地层岩样进行五敏试验，评价结果如图5所示。

从图5可知，准噶尔盆地中部4区块属于强水敏性、中强碱敏性和盐敏性、弱速敏性和酸敏性地层。因此，在钻完井过程中应加强钻井液的抑制性，以减少对井壁的冲刷和浸泡，有利于井壁稳定。

3 毛细管作用失稳

准噶尔中部4区块头屯河组地层中存在许多孔隙和微细裂缝，并且层理发育性强，这些层理、微裂缝及泥页岩粒间裂隙为钻井液滤液侵入提供了条件。当井眼被钻开后，在压差作用下，钻井液滤液迅速侵入层理和微细缝，不但导致存在于碎屑矿物粒间裂隙处的黏土矿物发生水化作用，使粒间联接力降低，同时也降低了裂缝弱面的表面摩擦强度，在外力作用下，不断产生剥蚀掉块；而且滤液将层理和微细裂缝润湿后，会产生较大的正向毛细管压力，在此压力驱动下，水向层理和裂缝的深部运移，虽然不会迅速发生膨胀和变软，但往往加剧泥页岩的水化和分散，扩大泥页岩水化面积，降低了泥页岩的结合强度和层理面之间的结合力，使原处于闭合状态的微细裂缝开启，使原微开的裂缝扩张，进一步造成井壁失稳[10]。

4 工程因素的影响

4.1 携岩效率的影响

准噶尔盆地中部4区块头屯河组地层坍塌压力高，施工中井壁易出现掉块，并且掉块尺寸大，致密坚硬，钻头不易破碎，也不易携带出井眼。如果不能在井底将其破碎并携带出，极易在大尺寸钻具处发生卡钻。

4.2 起下钻不当的影响

准噶尔盆地中部4区块储层埋藏深，地层压力高，使用的钻井液密度大，施工中产生的循环压耗大，如开泵过猛，起下钻速度过快，易造成井底激动压力大，瞬间改变了岩石的平衡状态，造成井壁失稳。

4.3 井深质量的影响

某些井井身质量差，定向过程中造成井眼方位变化大，狗腿度过大，易造成应力集中，加剧井塌的发生[11]。

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