王星媛 ， 米光勇 ， 王強(qiáng)

（1.油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實驗室，四川廣漢 618300；2.川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300；3.西南油氣田分公司川西北氣礦，四川江油 621700）

四川盆地川西南部地區(qū)存在嚴(yán)重井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，垮塌卡鉆復(fù)雜頻繁發(fā)生，平均每口井發(fā)生1～2次卡鉆后側(cè)鉆，卡鉆處理復(fù)雜時間占總復(fù)雜時間的30.61%～40.47%。其中沙灣組、峨眉山玄武巖井段復(fù)雜處理時間占總復(fù)雜時間的14.15%～22.37%，為川西南部地區(qū)主要垮塌卡鉆層段。川西南部地區(qū)玄武巖屬于火成巖，巖體硬度不小于6級，按結(jié)構(gòu)劃分為粒狀玄武巖、隱晶型玄武巖、杏仁狀玄武巖等，該類巖層鉆進(jìn)時常發(fā)生井下垮塌掉塊，造成卡鉆、阻卡甚至側(cè)鉆[1-7]。針對沙灣組、峨眉山玄武巖井壁失穩(wěn)技術(shù)難點(diǎn)，通過巖石特性分析及現(xiàn)場工況分析，對該段井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，并對該井段鉆井液防塌技術(shù)進(jìn)行了探討分析[8]。

1 沙灣組巖石特性分析

1.1 裂縫分析

沙灣組泥巖微裂縫極為發(fā)育，且無充填或半充填裂縫發(fā)育較多，裂縫面之間力學(xué)強(qiáng)度弱。沙灣組泥巖巖屑黏土晶片發(fā)育良好，主要為蒙脫石或者是伊蒙混層礦物，具有較強(qiáng)的水敏性。采用超井深體式顯微鏡及SEM電鏡掃描對裂縫進(jìn)行觀察及分析，發(fā)現(xiàn)沙灣組泥巖巖屑微裂縫較為發(fā)育，部分裂縫為無充填或半充填，部分裂縫為閉合裂縫（見圖1），鉆井液易侵入弱化膠結(jié)強(qiáng)度。

圖1 沙灣組泥巖巖屑（5014 m）電子掃描電鏡照片

1.2 水敏性分析

通過48 h浸泡實驗和電鏡掃描分析，對沙灣組泥巖孔隙形態(tài)、礦物類型、微裂縫及水敏性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2和圖3。由此可知，沙灣組巖屑微裂縫、弱理面十分發(fā)育，巖石中存在大量蒙脫石向伊利石過渡的礦物，呈半蜂窩狀、棉絮狀，這些礦物屬于蒙脫石或者伊蒙混層，具有強(qiáng)水敏性[9-13]。根據(jù)D001-X1井沙灣組巖屑泡水（48 h）前后，發(fā)現(xiàn)川西南部地區(qū)沙灣組泥巖巖屑在浸泡48 h后膠結(jié)物全部溶解，泥巖基質(zhì)分散、巖體強(qiáng)度嚴(yán)重弱化、失去承壓能力。

2 峨眉山玄武巖巖石特性分析

2.1 基體抗壓強(qiáng)度

選取Z井、H井峨眉山玄武巖開展室內(nèi)三軸力學(xué)實驗，其中Z井峨眉山玄武巖微裂縫較為發(fā)育，裂縫縱橫交錯，H井峨眉山玄武巖巖樣表面較完善，發(fā)育有少數(shù)閉合縫（見表1）。

表1 Z井、H井峨眉山玄武巖巖樣三軸巖石力學(xué)實驗

由表1可知，H井峨眉山玄武巖巖石抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到288.8 MPa，說明峨眉山玄武巖在無裂縫情況下基體本身具有較強(qiáng)的抗壓能力，而Z井峨眉山玄武巖抗壓強(qiáng)度普遍較低，最高為91.4 MPa，最小為36.6 MPa，為H井峨眉山玄武巖抗壓強(qiáng)度的13%，因此微裂縫密度及發(fā)育程度對峨眉山玄武巖力學(xué)強(qiáng)度有一定程度的影響。

2.2 杏仁狀-氣孔特質(zhì)

根據(jù)川西南部地區(qū)峨眉山玄武巖巖樣及D001-X4井、D001-X3井返出巖屑外觀和實際工況，可以判定其為杏仁狀-氣孔類玄武巖。其中，杏仁體多由強(qiáng)度較低的方解石、綠泥石等組成，與玄武巖本體硬度差別較大，鉆井過程中受地層應(yīng)力釋放、井下激動壓力及機(jī)械碰撞作用，杏仁體極易產(chǎn)生破碎，使玄武巖巖體產(chǎn)生大量裂縫，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。而玄武巖中所保留的氣孔形態(tài)，若發(fā)育程度及連通情況較好，極易在鉆井過程中發(fā)生自然漏失。

2.3 水敏性

室內(nèi)采用Z井巖心開展?jié)L動回收率測試分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，川西南部地區(qū)峨眉山玄武巖滾動回收率高達(dá)94.96%～97.52%，水敏性較弱，說明水化作用不是峨眉山玄武巖井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵性因素。

表2 Z井巖心滾動回收率測試分析

3 井壁失穩(wěn)工況分析

鉆井過程中井下發(fā)生應(yīng)力性垮塌主要有2方面原因，首先是巖石本體具有較好的孔、洞、縫發(fā)育，巖石強(qiáng)度較低、膠結(jié)差，容易受外力作用或鉆井液侵入產(chǎn)生2次貫穿縫，使巖石本體產(chǎn)生大量碎塊；其次在受到井下機(jī)械碰撞、鉆井液沖刷等作用下，碎塊脫落至環(huán)空內(nèi)，造成垮塌卡鉆。D001-X1井、D001-X3井、D001-X4井沙灣組、峨眉山玄武巖平均井徑擴(kuò)大率為4.29%～15.52%，最大井徑擴(kuò)大率為35.5%（見圖4）。根據(jù)D001-X1井、D001-X3井及D001-X4井現(xiàn)場工況（見表3）。沙灣組、峨眉山玄武巖容易發(fā)生井漏，施工1～7 d內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的井下垮塌卡鉆事故，具有沙灣組發(fā)生小～惡性漏失、峨眉山玄武巖邊鉆邊漏的工程特征。分析認(rèn)為，漏失容易造成鉆井液大量侵入地層內(nèi)部，堵漏施工容易造成井底壓力波動及機(jī)械碰撞[8]。因此，在鉆進(jìn)沙灣組后，應(yīng)適當(dāng)降低鉆井液密度，快速鉆穿沙灣組、峨眉山玄武巖，通過降低鉆井液濾失量、增強(qiáng)泥餅造壁性及泥餅黏彈性，進(jìn)一步減緩井下鉆具碰撞、應(yīng)力波動及鉆井液沖刷對易垮地層的影響。

表3 DXC構(gòu)造沙灣組-峨眉山玄武巖現(xiàn)場工況

圖4 D001-X1、D001-X3、D001-X4井實鉆井徑擴(kuò)大率

4 鉆井液應(yīng)對措施

4.1 強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制性鉆井液體系

根據(jù)沙灣組裂縫發(fā)育、水敏性強(qiáng)，峨眉山玄武巖杏仁狀-氣孔發(fā)育、應(yīng)力性垮塌的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)鉆井液體系封堵性、提高隨鉆堵漏能力、增強(qiáng)泥餅對井壁吸附性及其黏彈性，提高護(hù)壁能力，改善鉆井液流變性及潤滑性，以降低鉆井液進(jìn)入巖層程度并減緩井下激動壓力、機(jī)械碰撞、鉆井液沖刷對巖石本體的2次破壞。通過引入高效抑制劑CQ-SIA以延長沙灣組垮塌周期，篩選出適合用于沙灣組—峨眉山玄武巖的瀝青類防塌劑及聚合醇，通過“多元協(xié)同”效應(yīng)，使鉆井液在井壁上形成一層具有防滲透和防沖刷能力的封堵層。鉆井液基本性能見表4。配方如下。

（0.5%～2.0%）膨潤土 +（0.5%～1.5%）PAC-LV+（5%～6%）SMP-3+（2%～3%）JNJS-220+（0.3%～1.5%）NaOH+（1%～3%）FT+（0.1%～0.3%）聚合醇+（0.4%～1%）CQ-SIA +（6%～8%）WND+（5%～10%）有機(jī)鹽+3%超細(xì)碳酸鈣+重晶石

表4 強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制鉆井液體系的基本性能（150 ℃、16 h）

4.1.1 抑制性

通過高溫滾動回收率來評價強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制鉆井液的抑制性。實驗結(jié)果表明，該鉆井液體系在150℃、16 h下松林露頭泥頁巖和沙灣組巖屑的滾動回收率達(dá)到90.20%及99.98%，對沙灣組巖屑具有較強(qiáng)的抑制性。

4.1.2 封堵性

在150 ℃、3.5 MPa壓差下對該鉆井液進(jìn)行封堵性能進(jìn)行評價[11]，結(jié)果如表5所示。

表5 強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制鉆井液體系封堵性評價

由表5可知，強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制鉆井液高溫高壓濾失量為3.6 mL，高溫高壓滲透漏失量為4.8 mL，砂床高溫高壓濾失量為4.4 mL。通過砂床滲透失水實驗可以看出，其可以對微小縫隙、孔洞具有較好的封堵能力。

4.2 專項封堵段塞體系

為避免在沙灣組—峨眉山玄武巖起下鉆、短提等容易造成機(jī)械碰撞和激動壓力、抽吸壓力的過程中發(fā)生垮塌、卡鉆事故，針對沙灣組—峨眉山玄武巖的易垮塌特點(diǎn)，制定了專項封堵防塌技術(shù)。對溫敏性封堵材料包括瀝青類、石蠟類、聚合醇類、樹脂類封堵劑、隨鉆堵漏劑及超細(xì)碳酸鈣進(jìn)行配方篩選，通過PPA承壓封堵儀對配方進(jìn)行封堵性評價，根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆井液+1.5%乳化瀝青類封堵材料+0.5%聚合醇封堵劑，能進(jìn)一步提高鉆井液的封堵性，增強(qiáng)泥餅的韌性、致密性，對保證井下井壁穩(wěn)定性具有積極的作用，結(jié)果如表6所示。

表6 專項封堵段塞配方封堵性評價

根據(jù)川西南部地區(qū)沙灣組—峨眉山玄武巖段鉆進(jìn)實際工況分析，制定了專項封堵劑的施工工藝。①盡可能完全揭開峨眉山玄武巖，采用一次性專項封堵技術(shù)。實施前保持鉆頭在井底位置，向井內(nèi)注入10～15 m3專項封堵劑后再起鉆至塞面以上，循環(huán)鉆井液4～6 h。②在峨眉山玄武巖層分2次實施專項封堵技術(shù)。每鉆進(jìn)100～150 m注入10～15 m3專項封堵劑，將鉆頭起至塞面以上，循環(huán)鉆井液4～6 h。③沙灣組—峨眉山玄武巖每趟起鉆前，須先向井底注入5～10 m3專項封堵劑，再起鉆。

5 結(jié)論

1.川西南部沙灣組地層井壁失穩(wěn)主要由于黏土礦物水化膨脹，蒙脫石或伊蒙混層礦物含量高，具有較強(qiáng)的水敏性，且有明顯裂縫，鉆井液侵入后弱化膠結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。鉆井液體系應(yīng)具有快速封堵及強(qiáng)抑制能力，降低黏土礦物的水化膨脹率，降低鉆井液侵入地層能力，延長坍塌周期。

2.結(jié)合巖石失穩(wěn)機(jī)理分析及現(xiàn)場工況分析，優(yōu)選出一套適用于川西南部沙灣組-峨眉山玄武巖井段的強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵型鉆井液體系。該鉆井液的滾動回收率達(dá) 99.98%，F(xiàn)LHTHP為 3.6 mL，F(xiàn)L砂床為 4.4 mL。并設(shè)計了專項封堵段塞，制定了封堵段塞施工工藝。