何竹梅，賈萬根，宋碧濤，楊雪山，曹 敏

(1.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院，江蘇 揚州 225009；2.中國石化江蘇油田概預算中心，江蘇 揚州 225009；3.中國石化華東石油工程公司江蘇鉆井處，江蘇 揚州 225261)

天長深層泥頁巖井壁失穩(wěn)機理及防塌對策

何竹梅1，賈萬根2，宋碧濤1，楊雪山1，曹 敏3

(1.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院，江蘇 揚州 225009；2.中國石化江蘇油田概預算中心，江蘇 揚州 225009；3.中國石化華東石油工程公司江蘇鉆井處，江蘇 揚州 225261)

天長地區(qū)深層泥頁巖鉆井中發(fā)生井壁失穩(wěn)，造成起下鉆遇阻、長時間劃眼、電測阻卡、填井側(cè)鉆等復雜事故，大幅增加鉆探成本，影響鉆井速度和電測資料的獲取，延誤該區(qū)深層油氣藏勘探開發(fā)進程。為此，通過對已鉆井資料及坍塌層組構(gòu)特性分析，探討了阜寧組泥頁巖井壁失穩(wěn)機理，研究提出整體抑制、分級封堵、協(xié)同增效的鉆井液防塌對策。在室內(nèi)研究基礎上，采用聚胺、聚醚多元醇及納米封堵劑與江蘇油田常用復合金屬離子聚合物鉆井液體系復配，建立了強抑制強封堵聚醚醇胺鉆井液體系配方。室內(nèi)研究與現(xiàn)場應用表明，該體系能有效抑制天長地區(qū)深層阜寧組硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)，為深層硬脆性泥頁巖地層鉆井施工提供了鉆井液技術借鑒。

天長地區(qū) 泥頁巖 垮塌機理 強抑制封堵鉆井液 聚醚多元醇

2012年以來，江蘇油田在位于天長的汊澗、銅城等地區(qū)的金湖凹陷東陽次凹、銅城斷裂帶、楊村斷裂帶、西斜坡沈莊等斷塊上共鉆井50口，垂深1 534.8～3 212.41 m(平均垂深2 587.5 m)，井深1 800～3 530 m(平均井深2 760 m)。井深3 000 m以上的較深井3口，其中有2口井在阜寧組地層鉆井中發(fā)生了泥頁巖井壁垮塌，造成起下鉆阻卡、劃眼、憋泵、井垮、井漏、再劃眼的惡性循環(huán)。2013年鉆探的成X2井完鉆井深3 279 m，因井下垮塌，被迫填井側(cè)鉆兩次，報廢進尺3 128 m，損失時間約115 d；2015年鉆探的天X100井完鉆井深3 230 m，也因鉆遇阜寧組泥頁巖垮塌，造成填井側(cè)鉆2次，報廢進尺1 897 m，損失時間約36.6 d，復雜時效高達42.79%。為了降低天長地區(qū)深層鉆井復雜故障，提高鉆井速度，必須解決阜寧組泥頁巖井壁失穩(wěn)技術問題。

1 天長區(qū)塊阜寧組泥頁巖特性分析

針對天長區(qū)塊泥頁巖層段易坍塌掉塊等復雜情況，選取阜四段、阜三段和阜二段地層巖心進行測試分析。通過泥頁巖礦物組份分析、理化性能測試、電鏡掃描及巖石力學分析，綜合探討天長阜寧組泥頁巖井壁失穩(wěn)原因。分析結(jié)果見表1～2。

表1 天長E1f地層巖石X衍射定量分析

表2 天長地區(qū)各層段泥巖理化性能實驗數(shù)據(jù)

1.1 泥巖礦物組分

由表1可以看出，天長E1f地層粘土礦物含量30%～50%，E1f4粘土含量偏高，達50%，粘土含量隨層位的下降逐漸降低(51%↓29%)，非粘土礦物石英、長石、方解石與白云石含量較高，為裂縫發(fā)育的硬脆性泥頁巖。阜寧組巖石粘土礦物成分中伊蒙混層含量平均為73.6%，伊利石次之，平均含量18.8%；此外還含少量高嶺石與綠泥石。阜寧組二段和四段層間較高，為60%，說明阜寧組泥頁巖易水化膨脹。

圖1 天長區(qū)塊地層巖石電鏡掃描

(a)為TX100井E1f4巖心放大3 500倍電鏡照片；(b)為TX33-1井E1f3巖心放大4 000倍電鏡照片；(c)為T96-1井E1f2巖心放大4 000倍電鏡照片。

1.2 泥巖理化性能

由表2可以看出，天長區(qū)塊地層泥頁巖穩(wěn)定性阜二段較高，阜三段穩(wěn)定性一般，阜四段穩(wěn)定性較差。由電鏡掃描(圖1)可知，天長區(qū)塊地層巖石裂隙發(fā)育，多為1～3 μm，少量為幾十微米。由比吸水量實驗可得，TX100比吸水量為68.72 g/cm2，T33-3比吸水量為20.8 g/cm2，泥頁巖巖石吸水后強度降低，產(chǎn)生膨脹壓，引起力學性質(zhì)改變，不利于井壁穩(wěn)定。由于天長區(qū)塊地層泥頁巖粘土礦物較高，伊/蒙混層含量相對較高，又因地層裂隙發(fā)育，水分子可以沿毛細縫進入該地層，導致泥巖井壁失穩(wěn)嚴重。

1.3 巖石力學特性

由表3可知，TX33-1阜三段地層巖心內(nèi)聚力為17.24 MPa，內(nèi)摩擦角為37.71°，巖樣內(nèi)聚力不大，內(nèi)摩擦角過大，且隨著圍壓增加，抗壓強度提高巖石抗剪切強度較強；結(jié)合應力-應變圖可知巖石在三軸壓力下變形較大，巖石具有一定延展性，易垮塌。對于T33-3阜二段地層巖樣，內(nèi)摩擦角為20.65°，內(nèi)聚力為37.21 MPa，巖樣內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力均較大，說明巖石抗剪切強度較好，巖石自身力學性能相對較好。

表3 天長區(qū)塊地層巖石力學性能測試

2 天長區(qū)塊阜寧組井壁失穩(wěn)機理

由天長區(qū)塊阜寧組泥巖礦物組分與理化性能分析可知，泥頁巖中的粘土礦物以有序伊蒙混層為主，含量最高可達65%～90%，混層比60%；其次為伊利石，一般含量為9%～26%；此外還含少量高嶺石與綠泥石。非粘土礦物以石英為主，占10%～33%；其次為長石和碳酸鹽(方解石與白云石)?？梢?，泥頁巖的粘土含量和伊蒙混層數(shù)值均較高，表現(xiàn)出強水敏特性，尤其是天長Ef4地層水敏性極強，遇水極易造成水化膨脹、剝蝕掉塊；從電鏡照片可以看出，泥頁巖納微米級的溶孔和裂縫發(fā)育，遇水易產(chǎn)生毛細管力作用，濾液易進入巖石內(nèi)部，導致巖石強度下降，加劇水化作用；從巖石的力學性質(zhì)看出，巖石抗壓強度相對較好，因此水化膨脹性強是天長區(qū)塊泥頁巖井壁失穩(wěn)的主要內(nèi)在因素。

江蘇油田98%的井為定向斜井，施工時間長，濾液浸泡、鉆具攪動等原因是泥頁巖井壁失穩(wěn)的主要外在因素。

隨井深增加，泥頁巖水敏性逐漸減弱，脆性漸進增強，但從CEC、膨脹率、回收率、比吸水量的測量結(jié)果看，相對江蘇油田其他地區(qū)泥頁巖，天長地區(qū)的泥頁巖水敏性更強，微孔隙分布也多，巖石的抗壓強度增高，更易發(fā)生脆性剝蝕掉塊。

根據(jù)上述分析，鉆探天長地區(qū)阜寧組泥頁巖采用鉆井液必須從以下幾方面著手，以防止井壁失穩(wěn)：(1)確定合理的鉆井液密度，保證力學平衡；(2)采用納微米封堵劑，形成良好濾餅，控制較低鉆井液濾失量(HTHP濾失量<10 mL)；(3)增強鉆井液的抑制性，減緩泥頁巖水化膨脹；(4)良好的流變性，降低ECD和減少壓力激動。

3 強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液

根據(jù)天長地區(qū)地層特點及3 000多米深探井實際情況,采用整體抑制、分級封堵、協(xié)同增效的體系研究思路，在室內(nèi)進行了體系配方的調(diào)整研究，在上部井段的復合金屬離子聚合物潤滑防塌鉆井液基礎上，加入聚醚醇多功能處理劑、聚胺抑制劑、一定級配的暫堵劑以及納米封堵劑，使體系具有良好的流變性能和更強的抑制性及封堵降濾失性。試驗得出了強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液的最佳配方：上部井漿+0.5%PA-2+2%Gseal+1%LYD+2%KD-20+1%RHJ-3+2%QS-4+0.1%NH-1+0.2%XPJ-2+2%JMC-40,并對強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液進行了性能評價。

3.1 常規(guī)性能評價

強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液流變性能和抗溫性能見表4。

表4 強抑制封堵聚醚醇鉆井液流變性能和抗溫性能

注：1#為成X3井上部井漿；2#為強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液。

由表4數(shù)據(jù)可見：在上部井漿中加入聚醚醇、泥頁巖抑制劑、各種級別的封堵劑等材料后，體系粘度有所提升，但流動性良好，同時，老化后體系的動切力和初終切、動塑比有了提高，高溫高壓濾失量顯著降低，表明體系的懸浮攜巖能力和封堵降濾失性明顯提高。總之，轉(zhuǎn)化后的體系綜合基礎性能更加理想。

3.2 強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液抑制性評價

(1)頁巖滾動回收率實驗。稱取天長地區(qū)TX100井E1f4(井深2 000～2 383 m)6～10目的巖屑50 g，分別加入清水、上部井漿、強抑制封堵聚醚醇鉆井液中，在120 ℃下熱滾16 h后測定回收率，結(jié)果見表5。可見，轉(zhuǎn)化后的體系比上部井漿的抑制泥巖分散能力明顯提高。

表5 體系抑制性(滾動回收率)評價結(jié)果

注：0#為清水；1#為上部井漿；2#為強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液。

(2)膨脹率實驗。取天長地區(qū)TX100井E1f4(井深2 000～2 383 m)過100目的巖屑10 g，在4 MPa壓力下壓制5 min，壓制成巖心柱，然后在80 ℃條件下，分別測試其在清水、上部井漿和強抑制封堵聚醚醇鉆井液中的膨脹率，實驗結(jié)果見表6。強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液膨脹率為2.48%，遠小于清水和上部井漿的膨脹率(分別為18.00%和6.10%)，說明強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液具有較好的抑制性。

表6 體系抑制膨脹率評價結(jié)果

注：0#為清水；1#為上部井漿；2#為強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液

3.3 封堵降濾失性能

采用OFI滲透封堵儀開展PPT封堵性評價實驗，結(jié)果見表7。實驗結(jié)果表明：上部井漿加入聚醚醇和各級封堵劑后，體系的濾失量和濾失速率均明顯降低，達到強封堵效果。

表7 PPT封堵性測試結(jié)果

注：1#為上部井漿；2#為強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液。

3.4 生物毒性

按上述配方室內(nèi)配制強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液，采用發(fā)光細菌法(GB/T 15441-1995)對樣品進行了生物毒性測試，其生物毒性檢測結(jié)果為：EC50=27 040 mg/L，評價為無毒，符合環(huán)境保護要求。

3.5 實驗結(jié)果分析及結(jié)論

由以上實驗結(jié)果得知,強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液具有以下特點:(1)性能指標良好;(2)抗溫達120 ℃;(3)抑制粘土分散能力強；(4)濾液防膨能力強；(5)封堵降濾失效果好。

4 現(xiàn)場應用

4.1 工程地質(zhì)簡況

成X3井是位于天長市銅城鎮(zhèn)的金湖凹陷東陽次凹成3斷塊上一口勘探評價井，實際垂深3 190.31 m，完鉆井深3 290 m，完鉆層位E1f1，3個靶點，最大井斜24.7°，水平位移569.95 m，主探成3塊E2d、E1f含油氣情況。該井一開使用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深83 m，下入φ339.7 mm表層套管至井深81.88 m；二開使用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深704 m，下入φ244.5 mm技術套管至井深702.07 m；三開使用φ216 mm鉆頭鉆至井深3 290 m，裸眼完鉆。

4.2 鉆井液施工情況

一開主要鉆遇表層粘土及淺灰色砂礫層，采用5%的膨潤土漿；二開井段主要鉆遇松散且易造漿的砂泥巖地層，采用聚合物抑制性鉆井液；三開井段主要鉆遇砂泥巖互層，上部是易縮徑的棕色泥巖層，下部為易垮塌的灰黑色泥巖層，因此該井段在上部井段仍采用聚合物抑制性鉆井液，下部轉(zhuǎn)化為強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液。

(1)704～1 600 m井段。該井段施工重點是降低膨潤土含量,為轉(zhuǎn)化體系做準備。由于該地層極易造漿,鉆進中以“細水長流”方式補充足量包被劑Coater和主聚物PMHA-Ⅱ混合膠液，配加降濾失劑NH4-HPAN，大、中、小分子聚合物合理搭配，提高鉆井液的包被抑制性和攜帶能力，同時加強四級固控設備的使用，結(jié)合人工清砂，及時清除被攜至地面的鉆屑，有效降低固相含量，控制膨潤土含量40～45 g/L,為下步體系轉(zhuǎn)化奠定了基礎。

(2)1 600～3 290 m井段。重點是將聚合物抑制性鉆井液順利轉(zhuǎn)成強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液，根據(jù)邊轉(zhuǎn)化邊處理的原則，具體措施：先向循環(huán)漿中加入200 kgXPJ-2，然后一次補充2 t JMC-40，隨后再補充200 kg XPJ-2，轉(zhuǎn)換前后性能未發(fā)生明顯變化，每100 m補充JMC-40 200 kg，補充50 kg NH-1，保證使其含量分別達到2%和0.1%～0.2%。鉆到E2d1底部時，一次加入低熒光防塌KD-20 1 t，正常鉆進前兩個班按500 kg/班補充，使含量達到2%，之后每班補充200 kg(或根據(jù)進尺)，保證鉆井液具有良好的潤滑、防塌抑制性能。鉆至E2d1中下部及時將密度調(diào)整至1.18 g/cm3，以平衡地層壓力。同時定期配加防塌降濾失劑PA-2、QS-4等，增強鉆井液的封堵性能，協(xié)同防塌。

進入易垮塌的E1f地層，鉆進中繼續(xù)補充主聚物和降濾失劑，保持鉆井液具有良好的抑制性、降濾失性和流變性能。根據(jù)井下摩阻情況，定期補充JMC-40，配加適量極壓減摩劑JM-2，保持鉆井液具有良好的潤滑防卡性能。每班補充防塌劑KD-20，確保含量不低于2%，配合使用1%LYD、2%QS-4和2%納米封堵劑Greenseal，協(xié)同提高泥餅的致密性，本井段API濾失量控制在3.4 mL左右，HTHP濾失量控制在8.0 mL左右。同時，鉆進E1f4密度也隨之提高至設計上限1.23 g/cm3，鉆進時仍有少量掉塊返出。鉆達E1f2后，更換取心鉆具時，井下出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。根據(jù)該區(qū)坍塌機理分析，E1f強水敏泥頁巖吸水膨脹，導致膨脹壓升高，需要提高鉆井液密度來平衡，先上調(diào)密度至1.26 g/cm3，再次上調(diào)至1.35 g/cm3，同時協(xié)同使用多種防塌劑(改性瀝青FH-96，乳化瀝青RHJ-3、OSAM-K等)與封堵劑(QS-4、Greenseal、LYD等)，井下漸漸恢復正常。鉆到井深2 800 m后及時加入SMP-2、SPNH等抗溫處理劑，提高鉆井液抗溫性能，保持體系良好的流變性。轉(zhuǎn)化后體系性能保持在:粘度45～60 s，API濾失量為3.5 mL左右，塑性粘度20 mPa·s左右，動切力6～12 Pa，靜切力為1～3/5～11 Pa/Pa,HTHP濾失量7～8 mL，確保鉆達設計井深，取全所有電測資料，實現(xiàn)地質(zhì)目標。

5 結(jié)論與認識

(1)天長地區(qū)深層泥頁巖地層粘土含量較高，裂隙發(fā)育，易水化膨脹，且石英等非粘土礦物含量較高，地層巖性為硬脆性；地層巖石力學性能較好，巖石抗剪強度較強。鉆井過程中由于泥頁巖水化膨脹導致的井壁坍塌掉塊是該區(qū)泥頁巖井壁失穩(wěn)的主要因素。

(2)采用Coater、PMHA-Ⅱ和有機胺作為抑制劑，NH4-HPAN/SMP-2、SPAN以及PA-2作為降濾失劑，KD-20、QS-4、OSAM-K、LYD和Greenseal作為封堵防塌劑，結(jié)合聚醚醇多功能處理劑，形成了強抑制封堵聚醚醇胺鉆井液。室內(nèi)實驗與現(xiàn)場應用表明，該鉆井液流變性好，攜巖能力高，封堵降濾失效果好，濾失量低，特別是HTHP濾失量較低，延長了井壁坍塌周期，可有效解決天長深層E1f泥頁巖井壁失穩(wěn)的技術難題。

[1] 許春田,馬成云,徐同臺,等.鉆井液封堵性對徐聞區(qū)塊潿三段井壁失穩(wěn)的影響[J].鉆井液與完井液,2016,33(1):52-56.

[2] 程遠方,漲鋒等.泥頁巖井壁坍塌周期分析[J].中國石油大學學報2007,31(1):63-66

[3] 梁大川,羅平亞.鉆井液處理劑及其體系對泥頁巖坍塌壓力的影響研究[J].鉆采工藝.2011,34(2):83-85.

[4] 許春田,劉建全,湯燕丹,等.裂隙發(fā)育硬脆性泥巖井壁失穩(wěn)機理及其解決措施[J].鉆井液與完井液,2013,30(3):13-16.

[5] 劉貴林,宋碧濤,黃進軍,等.聚醚多元醇對泥頁巖地層坍塌壓力影響實驗研究[J].復雜油氣藏,2013,6(3):64-66.

[6] 宋碧濤,劉子龍,薛蕓,等.聚醚多元醇鉆井液在蘇北盆地許33塊的應用[J].鉆井液與完井液,2014,31(2):92-94.

(編輯 謝 葵)

Instability mechanism of wellbore wall for deep shale in Tianchang area and anti-collapsing measures

He Zhumei1,Jia Wangen2,Song Bitao1,Yang Xueshan1,Cao Min3

(1.PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China; 2.TheBudgetCenterofJiangsuOilfield,SINOPEC,Yangzhou225009,China； 3.JiangsuDrillingDepartmentofEastChinaPetroleumEngineeringCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

The instability of wellbore wall during drilling of deep shale in Tianchang area can cause complex accidents such as stacking off,long time redressing,plugging during electronic logging,filling well and sidetracking,and so on.This not only increases the drilling cost,but also affects the drilling rate and the acquisition of logging data and delays the process of exploration and development for oil and gas reservoirs in this area.According to the data of drilled wells and the characteristic analysis of rock fabric in collapsed layers,the mechanism of wellbore wall instability was discussed in Funing Formation shale.And then the specific drilling fluid was proposed as anti-collapsing measures.The drilling fluid system with strong inhibition and sealing property was developed,in which the normal compound metallic ions drilling fluid was compounded with polyamine,polyalcohol polyol,and nano-blogging agent.The results of lab and field indicated that the new drilling fluid can effectively inhibit the instability of borehole wall in Tianchang area and provide a technical reference of drilling fluid technology for drilling in the deep and hard brittle shale.

Tianchang area;shale;collapsing mechanism;strong inhibition sealing drilling fluid;polyether polyol

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.01.013

2016-10-19；改回日期：2017-01-03。

何竹梅(1966—)，高級工程師，主要從事鉆井液技術研究與設計。電話：0514-87761367，E-mail:hezm.jsyt@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司科研項目“泥頁巖油氣井聚醚醇納米水基鉆井液研究”( P14093) 。

TE254.6

A