塔里木盆地富满油田二叠系玄武岩井壁稳定技术研究及应用

孙爱生， 段永贤， 徐 杨， 何思龙， 郭秋田， 申 彪

1中国石油塔里木油田分公司 2中国石油川庆钻探公司工程有限公司新疆分公司

0 前言

随着石油工业科技的发展和勘探力度的不断加深，近几年超深井的数量在不断增加。其中，塔里木盆地富满油田超深井地层跨度大，从第四系到震旦系，二叠系玄武岩分布尤其广泛,有富源Ⅲ、跃满、富源等9个区块，满深1井的重大油气发现，推动了富满油田东部新区勘探评价进程。但是该区块二叠系埋藏有大段的火山活动形成的玄武岩，其厚度差异大、分布广。在开发初期，由于对其岩性特征认识不清，导致多口井钻进时发生卡钻、通井困难、阻卡严重等故障复杂，增加了钻井周期，影响了钻井的时效，提高了钻井的成本，阻碍了油气勘探开发的进度。分析研究塔里木盆地富满油田二叠系玄武岩井壁失稳机理，解决玄武岩井壁失稳现象，是目前急需解决的主要任务之一。

1 玄武岩井壁失稳机理研究

通过对玄武岩结构特征、地层地震相态特征、理化特性、地应力以及坍塌压力开展研究，找到玄武岩段井壁失稳的机理，为下步解决玄武岩井壁失稳提供理论依据。

1.1 玄武岩结构特征和薄片分析

对富满油田钻进过程中钻遇的玄武岩(见图1)用偏光显微镜进行岩石薄片鉴定分析可知：玄武岩基质具间粒结构，由斜长石微晶、它形粒状辉石、磁铁矿、玄武玻璃等组成，斜长石微晶呈自行长棒状杂乱交织分布，其形成的间架孔隙中充填着它形粒状辉石及磁铁矿和褐色玄武玻璃，形成间粒结构，岩片中见少量细小(2%±)的杏仁体，被绿泥石填充，晶粒存在被溶蚀表面黏土化现象，原生、次生裂缝及溶孔发育，见图2。根据结构特征和薄片分析，一旦发生玄武岩井壁失稳，必然有大的掉块产生，导致卡钻。

图1 满深区块钻遇的玄武岩掉块

图2 玄武岩薄片分析图片

1.2 玄武岩段地震相态特征

根据塔里木盆地富满油田地震相态特征可知，二叠系玄武岩段地震相带主要是空白相、平行相和杂乱相。空白相代表地层有孔隙或者缝洞存在;平行相代表地层压实平稳、岩石分布均匀；杂乱相则处于空白相和平行相之间。根据地震解释以及现场实钻结果：平行相易发生井壁失稳；空白相易发生井漏；杂乱相井壁失稳和井漏都有可能发生。因此可以根据玄武岩段地层相态特征，及时预判出井下是否容易发生井壁失稳。富满油田二叠系玄武岩平行相地震相带如图3所示。

图3 玄武岩平行相地震相带

1.3 玄武岩理化特性

富满油田玄武岩岩屑物理化学性质实验结果见表1。根据表1可以得出，玄武岩段玄武质泥质岩成分以泥岩为主，遇水易膨胀和分散。对玄武岩岩屑进行热滚回收率实验，由表1和图3可知：清水热滚后的玄武岩岩屑强度明显降低，岩屑分散；加入6%的KCl后的岩屑，强度保持不变，岩屑形状保持不变，岩屑回收率较高，岩屑不分散。以上结论说明：加入适量KCl，能明显保持玄武岩的强度。

表1 玄武岩理化性质实验结果表

图4 玄武岩热滚回收率结果图

1.4 玄武岩段地应力

取邻井岩心进行地应力实验及计算，应用声发射凯塞尔效应法测定地应力，测量三个水平增量岩样和平行垂向岩样方向的Kaiser点处正应力，求出水平最大和最小主应力和垂向地应力，结果如表2，玄武岩段水平地应力比值较大，范围在1.1～1.2之间变化，说明玄武岩段各向异性较强，导致井壁应力分布不均匀，引发井壁失稳。因此，适当提高钻井液密度，可以有效提高玄武岩地层的井壁稳定性。

表2 地应力计算结果表

1.5 玄武岩段地层坍塌压力

利用Mohr-coulomb准则，假设只有最大和最小主应力对岩石破坏有影响，分析井下岩石的应力状态，计算岩石的坍塌压力，并和设计坍塌压力及实际钻井液密度做对比，如图5所示。结合实际钻井情况，可以得出，塔里木满深区块的二叠系玄武岩坍塌压力较高，如果使用的钻井液密度不合适，则易造成井壁失稳等事故复杂发生。

图5 塔里木满佳尔区块二叠系坍塌压力对比图

根据以五个方面的分析可知：通过提高钻井液携岩性可以有效避免大的掉块下落产生卡钻；优选合适的钻井液密度，可有效防止井壁坍塌；强化钻井液的封堵性、适当提高钻井液密度，有利于井壁稳定；严格控制钻井液滤失量、提高钻井液的抑制性，可以提高适当提高玄武岩的稳定性。

2 提高玄武岩井壁稳定技术措施

根据第一节得出的结论，从强化封堵性及抑制性、控制滤失量、优选密度、提高钻井液携岩能力以及控制工程参数几个方面提出提高玄武岩井壁稳定的技术措施。

2.1 强化钻井液封堵性

通过引入乳化沥青、超细钙，填充孔隙的同时形成薄而韧的滤饼，不仅可稳定井壁，还可以降低压力的传递和滤失量，推荐配方如下：井浆+(2%～3%)乳化沥青+ (0.5%～1%)随钻堵漏剂+ (3%～5%)超细钙。在正压差作用下，随钻堵漏剂及超细钙填充裂缝孔隙，然后乳化沥青在井壁周围形成沥青膜，阻止自由水及钻井液对井壁的冲刷，保持井壁稳定。裂隙封堵机理如图6所示。

图6 裂隙封堵机理示意图

2.2 严格控制钻井液滤失量

通过1.3节玄武岩的理化特性实验可知，玄武岩在被滤液污染后，其强度会明显降低，易发生破碎。合理有效的控制滤失量，可以保持玄武岩的岩石强度，避免发生井壁失稳。根据该区块钻探经验，中压失水控制在3 mL以内，高温高压失水控制在9 mL以内，可以提高井壁的稳定。

2.3 强化钻井液的抑制性

根据1.3节理化特性实验可知，在相同滤失量条件下，控制好K+的含量，可以保护玄武岩的强度，维持其稳定不变，其主要原理如图7所示。利用钾离子的交换吸附，使得黏土扩散双电层变薄，电动电势降低，阻止玄武岩中的黏土颗粒水化膨胀，保持井壁稳定，一般情况下建议：Cl-浓度大于50 000 mg/L；K+浓度大于20 000 mg/L。

图7 钾离子抑制黏土膨胀原理图

2.4 优选钻井液密度

(1)最低密度优选。根据地质设计以及实钻经验，结合地层三压力系数，可以得出某一区块的最低密度，避免井壁发生坍塌。满深油田建议钻井液密度大于1.23 g/cm3。

(2)优选钻井液密度。根据地质设计以及实钻经验，结合地层三压力系数，得出最高密度上限，根据井下工况，优选密度，以提高井壁支撑力，提高井壁稳定。在强化钻井液封堵性、抑制性和控制钻井液的滤失后，如果井壁还有失稳的迹象，则提高钻井液密度来提高物理支撑，避免井壁支撑力不够带来的恶性失稳。提密度过晚，则平衡地层的钻井液密度值越高，在确保井下安全情况下，尽早判断，尽早优选密度值。以MS地区2口邻井为例，井1发生失稳后，当钻井液密度从1.30 g/cm3提高到1.50 g/cm3，最后井壁垮塌才得的有效的抑制，井2密度保持1.44 g/cm3，顺利钻穿玄武岩。

2.5 提高钻井液的携砂性

利用Mathcad软件计算MS区块某井调整前和调整后可以运移的岩屑粒径范围，横坐标为岩屑的粒径，纵坐标为岩屑的运移速度。图8、图9显示，调整以前岩屑运移最大粒径为27 mm，通过加入0.1%的黄原胶，其携带岩屑的最大粒径为3.9 mm。

注：玄武岩密度3.3 g/cm3；钻井液密度1.3 g/cm3；塑性黏度22 Pa，动切力8 Pa，井径444.5 mm，钻具外径139.7 mm，排量37 L/s。

注：玄武岩密度3.3 g/cm3；钻井液密度1.5 g/cm3；塑性黏度45 Pa，动切力19 Pa，井径444.5 mm，钻具外径139.7 mm，排量37 L/s。

因此，通过提高钻井液携砂性，不仅大的掉块可以及时向上运移，岩屑的运移效率也大大提高，有效避免了井底的重复破碎以及大尺寸玄武岩掉块引起的卡钻风险。

3 现场应用效果

AM区块AM3井钻到4 390 m钻遇玄武岩，钻至4 523 m期间，多次发生垮塌、蹩钻、上提困难，钻进期间摩阻较大，多次发生转盘蹩停，岩屑代表性不好，通过调整钻井液性能参数、强化钻井液封堵性、抑制性、控制滤失量，优选密度，玄武岩段井壁失稳得到了有效的控制。

3.1 岩屑代表性

图10为调整前捞取的岩屑。从图中可以看出，岩屑比较杂，存在掉块，玄武岩颗粒粒径较小，且磨圆度较高，说明在井底被重复破碎，代表性不好；图11为调整后捞取的岩屑，从图中可以看出，岩屑代表性较好，岩屑的粒径较大，同时岩屑的切削面较为新鲜，说明是井底的新鲜岩屑。

图10 黏度50 s密度1.30 g/cm3时返出岩屑照片

图11 黏度100 s密度1.50 g/cm3时返出岩屑照片

3.2 井径的变化

取4 506 m到4 558 m之间的井径变化数据如图12所示。井深4 526 m前钻井液未做调整，井径扩大率较大，最大井径为533.4mm，调整后，井径逐步恢复正常，说明调整后井壁失稳得到了有效的控制，应用效果很好。

图12 AM3井4 506～4 558 m井径柱状图

3.3 时效分析

统计调整前5 d和调整后5 d的钻井时效并作图，如图13所示。通过分析可得：调整前进尺时间98.44%，其中纯钻时间51.35%、总起下钻时间31.25%、划眼时间4.17%、循环时间9.38%；调整后进尺时间100%，无起下钻、划眼和循环，调整后的时效明显提高。

图13 MS3井4 506 m到4 558 m钻井时效图

4 结论

(1)通过地层地震相态特征分析，可以有效提前预判是否会发生井壁失稳，以便于在进入井壁失稳段前充分调整好钻井液各项性能。

(2)玄武岩钻进期间，应密切注意岩屑变化和各项工程参数变化，如果判断发生井壁失稳，立即停钻并及时上提到安全井段，并调整钻井液性能，尤其要尽早优选钻井液密度，确保井下安全。

(3)玄武岩段钻进要充分发挥好稠浆的作用，及时将井底大的掉块带出，降低卡钻风险。