泾河油田页岩油储层井壁失稳机理研究

冯永超,李大雷

(中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院,河南郑州 450006)

鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组长7段已探明十亿吨级页岩油大油田[1-3],其中中国石化华北油气分公司在该区页岩油总资源量7.46×108t,夹层型页岩油1.83×108t,页岩型页岩油资源量5.63×108t,资源潜力巨大。长7段页岩油储层页岩发育水平层理,且多存在含砂夹层,微裂缝发育,极易沿层理、裂缝剥落,钻井过程中井壁失稳严重[4-6],坍塌掉块多,钻井过程中遇阻遇卡频繁,机械钻速低,影响钻井周期,严重制约了该地区的勘探开发进程。本文针对鄂尔多斯盆地南部长7段页岩地层钻井过程中的井壁失稳技术难题,开展页岩地层矿物组分、微观结构和理化性能分析,揭示井壁失稳机理[7-9],为今后该区长7段页岩油安全、高效钻进提供技术保障[10-14]。

1 页岩矿物组分及微观结构

1.1 岩心观察

对彬X井三叠系延长组长7段(1 435～1 439 m)开展钻井取心,岩心观察可见,岩性以黑色纹层状页岩为主,夹杂大量砂岩夹层,泥页岩层理明显,顺层理裂缝、夹层发育,裂缝肉眼可见,泥页岩极易沿从层理形成的弱结构面剥落。

1.2 X射线衍射矿物分析

取彬X井、泾河4井、泾河9井长7段页岩岩心,利用X-射线衍射仪进行全岩及黏土矿物相对含量分析,结果如表1所示:页岩黏土含量为33%～45%,黏土矿物主要成分为伊/蒙混层和伊利石,伊/蒙混层含量为38%～52%,伊利石含量为30%～34%。钻井液滤液侵入易引起伊/蒙混层水化膨胀分散,削弱地层胶结力,不同黏土矿物膨胀应力不同,导致地层内部应力失去平衡,降低了地层强度,发生井壁坍塌[15]。

表1 泾河油田长7段页岩矿物组成分析

1.3 页岩微观结构

1.3.1 扫描电镜观察

取彬X井长7段1 437.88 m处页岩岩心开展扫描电镜分析,岩石表面层理结构明显,微裂缝与矿物排列和层理方向有关,发育收缩型裂缝,由有机质排烃收缩形成,多沿有机质边缘分布(图1a～1c);钻井液滤液沿层理、微裂缝进入地层,为泥页岩水化提供了水分。

1.3.2 薄片分析

取彬X井长7段1 437.50 m处页岩岩屑开展铸体薄片分析,结果如图1d～1f所示,页岩中发育了大量的微裂缝,根据微裂缝在薄片上的表现形式和产出状态,可分为3类:1)近似平行或平行于层理的微裂缝;2)任意产状穿过层理的微裂缝,裂缝开度较大;3)充填微裂缝,主要是长石解理缝、石英裂纹缝。微裂缝、平行层理的存在给钻井液侵入提供了空间,易发生水化作用,从而导致井壁失稳。

1.3.3 CT扫描

利用CT扫描页岩原始岩心柱,清水浸泡后的页岩岩心柱、三轴压裂后的岩心柱可见,原始岩心柱内本身存在天然裂缝,经过高温清水浸泡后,部分岩石内部开始出现裂缝,伴随裂缝扩展现象。经过三轴压裂的岩石破坏,其断裂破坏特征明显,均顺层理产生大裂纹,发生结构破坏(图1g～1i)。

综合铸体薄片和CT扫描,页岩油储层层理结构明显,且岩石水化和压裂变形破坏产生的裂缝方向多为顺层理或与层理呈小角度方向。

综上可知,长7段页岩地层层理、裂缝发育,在顺层理结构和夹层交接处发育裂缝,且岩石浸水和压裂裂缝扩展方向与层理结构相关。在钻井压差、毛管力以及化学势的作用下,水将沿微裂纹或裂缝侵入地层,一方面降低弱结构面间的作用力,削弱页岩的力学强度而导致井壁失稳;另一方面,钻井液滤液侵入将产生水力尖劈作用,导致地层破碎,诱发井壁失稳。

2 页岩理化性能

2.1 水化分散和膨胀性能

泥页岩的水化分散和膨胀性能是宏观评价泥页岩井壁稳定性的重要指标,选取彬X井页岩段岩屑在80 ℃条件下进行理化性能分析,结果如表2所示。根据实验结果,彬X井页岩样品本身的回收率达99.78%,在液体中的分散能力较弱,16 h膨胀率仅0～1.36%,膨胀性能较弱。

表2 滚筒回收率实验结果

表3 页岩岩心膨胀实验结果

页岩圆柱体岩心在高温水浴箱(95 ℃)中浸泡48 h,取出后测量其轴向和径向膨胀情况,结果表明,高温清水浸泡后的岩心在径向和轴向上少量膨胀。究其原因,轴向与层里的夹角会影响膨胀性,轴向与层理夹角为90°时膨胀量比夹角为0时大,因为夹角为90°时层理多,水化从岩石轴向侵入岩石内部,更容易达到岩石中心和遍布岩石各处,水化更充分。轴向与层理角度为0时,径向膨胀比轴向大;轴向与层理角度为90°时,轴向膨胀比径向大,因为层理方向胶结作用较弱,水化现象在此处变化最明显,水化引起的膨胀在垂直层理、夹层等弱结构面方向变化最大。

2.2 阳离子交换容量

阳离子交换容量(CEC)表示黏土矿物表面可交换的阳离子数量,反映了岩样吸水能力的强弱,其阳离子交换容量越大越有利于泥页岩表面水化[16]。选取彬X井、泾河4井、泾河9井页岩岩心进行实验测试。结果表明,页岩油储层段的阳离子交换容量为2.5～4.0 mmol/g,呈硬脆性弱分散特征(表4)。

表4 页岩阳离子交换容量

综合泥页岩回收率实验、膨胀性实验、阳离子交换容量实验等,鄂尔多斯盆地南部长7段页岩油储层段岩石属于弱水敏硬脆性页岩,储层岩石的水化能力虽然较弱,但因为地层层理结构明显、夹层多,导致水化影响区域较大;岩块水化膨胀率较小(0.5%以下),但是垂直层理方向易变形并产生新的微裂缝,水化作用降低了岩石结构和强度,需要钻井液具有一定的抑制能力。

2.3 页岩水溶性盐

储层中各类盐及含量会影响钻井液性能,在设计优化钻井液时必须考虑地层中的含盐特征。水溶性盐总量通过蒸发岩粉溶液来测量,利用离子色谱仪分析岩粉溶液中的各种离子含量[17-19],实验结果如表5所示:各个井页岩段的含盐种类和总含量相近,总含量为0.4%～0.5%。其中SO42-含量最高,达到了366 mg/L,Ca2+、CO32-含量其次,以交换性Ca2+为主。钻井液会遇到一定的Ca2+污染需及时除去,防止造成黏切及失水超标。

表5 页岩水溶性盐分析数据

3 页岩压力剖面建立

为了保持井壁稳定,结合岩石力学实验与测井资料,拟合了动静态岩石力学参数之间的关系,得到岩石力学参数剖面。根据密度测井资料计算垂向地应力,并改进Newberry地应力计算模型,开展水平地应力计算,从而得到长7段页岩地层三压力剖面及地层安全密度窗口。计算结果可知:彬X井的破裂压力和坍塌压力梯度差值较小,为保证地层安全,钻井液密度为1.12～1.15 g/cm3,地层层理结构明显,为保证钻井安全的平均理想钻井液密度为1.13 g/cm3。以彬X井的页岩油储层段进行计算分析,根据实验、测井得到的实际地层参数(表6)对失稳压力及其控制因素进行计算分析。

表6 彬X井页岩油储层段物性参数

假设最小地应力方向为井斜方位角为0时的方向,岩石本体剪切和滑动失稳破坏时井斜角为0～90°,井斜方位角为0～360°时刻画不同地应力方向页岩坍塌压力当量密度分布云图。如图2所示,沿着最小地应力方向钻井时,30°～40°井斜角出现了井壁最稳定的区域。水平井布置在与最小地应力呈20°～35°时井壁较稳定。

图2 综合失稳破坏井坍塌压力当量密度与水平段方位和井斜角关系

通过分析钻井方向、井斜角、井斜方位角、层理产状等因素对坍塌压力的影响,得出以最小地应力为正北方向,小地层倾角和低地层倾向的情况下,以最小地应力方向钻井井眼稳定性最高。

4 结论

1)泾河油田长7段页岩油储层段属于弱水敏硬脆性页岩,井壁失稳机理主要是水沿微裂纹或裂缝侵入地层,造成岩石弱结构面破坏以及水化引起岩石结构强度降低。其中,层里面水化降低了弱结构面间的作用力,削弱页岩的力学强度而导致井壁失稳,同时钻井液滤液侵入层理微裂缝将产生水力尖劈作用,导致地层破碎,诱发井壁失稳。

2)长7段页岩中的黏土含量可达45%,伊/蒙互层含量高,不同黏土矿物膨胀速率不同,产生的膨胀应力不同,导致地层内部应力失去平衡,降低地层强度,发生井壁坍塌等井下复杂情况。

3)长7段页岩中钙镁离子含量较高,钻井液会遇到一定的钙镁离子污染,若除去不及时则引起黏切及失水超标,导致井壁失稳。钻井液需保持较低的失水能力、一定的水化抑制能力和抗盐污染性能、较强的封堵能力,理想钻井液密度1.13 g/cm3;并且配合多粒径级配实现层理有效充填裂缝有效封堵、活度平衡阻止钻井液中自由水向岩层运移。