王平全，鄧嘉丁，白 楊，王建龍，青勝蘭

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司，四川 廣漢 618300)

0 引 言

井壁穩(wěn)定是鉆井面臨的主要問題之一，影響井壁穩(wěn)定的因素主要為地質(zhì)力學(xué)因素(原地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度)、地層因素(組分、結(jié)構(gòu)、地層產(chǎn)狀等)、工程因素(井眼軌跡、鉆井液等)。其中，鉆井液對地層巖石強(qiáng)度的影響需重點考慮[1-14]。鄂爾多斯盆地延長組頁巖地層具有弱膨脹強(qiáng)分散、微裂縫和微孔發(fā)育、低孔低滲、毛細(xì)效應(yīng)突出、掉塊坍塌突出等問題[15-30]。針對上述問題，運用巖石三軸抗壓實驗對不同鉆井液浸泡的鄂爾多斯盆地延長組頁巖坍塌壓力增量進(jìn)行了研究，通過實驗和現(xiàn)場應(yīng)用證明，該方法適用于評價鄂爾多斯盆地延長組頁巖坍塌壓力變化。

1 巖樣采集及基礎(chǔ)物性分析

露頭巖心采集點位于陜西省延長市延長縣張家灘，巖性致密，裂縫、頁理發(fā)育，為一套深湖相—半深湖相暗色頁巖，分布穩(wěn)定，具有區(qū)域可比性。電性曲線突出，表現(xiàn)為高電阻、高伽馬、低電位特征。

延長組巖樣黏土礦物總量為10.5%～61.6%，石英含量為17.6%～72.3%，白云石含量較低，為0.0～5.0%。鉆井過程中，硬脆性頁巖地層與鉆井濾液相互作用，初步判斷會出現(xiàn)一定的水化作用。

延長組頁巖壓實程度高、結(jié)構(gòu)緊密；微裂縫發(fā)育，自然狀態(tài)下微裂縫開度可達(dá)5 μm。微裂縫的發(fā)育將破壞巖石的完整性，弱化原巖的力學(xué)性能，同時，為鉆井液進(jìn)入地層提供通道。在鉆井正壓差以及毛管力的作用下，濾液沿裂縫或微裂縫侵入地層，一方面將可能誘發(fā)水力劈裂作用，加劇井壁巖石破碎，另一方面也提高了鉆井液與地層中黏土礦物和有機(jī)質(zhì)的作用幾率及作用程度，導(dǎo)致地層強(qiáng)度降低，加劇井壁失穩(wěn)。

2 頁巖原始強(qiáng)度特性

根據(jù)所采集延長組露頭巖樣基礎(chǔ)物性分析結(jié)果，在平行和垂直層理2個方向選取合適的巖心在不同圍壓下進(jìn)行三軸壓縮實驗。取心角度為0 °，即取心方向與層理方向一致，測量圍壓為0.0、17.5、35.0 MPa下的彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度。三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 原巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖1可知：延長組頁巖地層非常致密，在單軸和不同圍壓下，應(yīng)力應(yīng)變曲線中的孔隙、裂隙壓密階段并不明顯，軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎呈線性增加，并當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時，巖心內(nèi)部迅速形成宏觀斷面，發(fā)生脆性破壞而失去承載能力；在單軸條件下，即圍壓為0.0 MPa時，巖石均為張性劈裂破壞；當(dāng)圍壓為17.5 MPa和35.0 MPa時，巖心以剪切破壞為主。

3 不同鉆井液浸泡對頁巖的影響研究

通過巖石三軸抗壓實驗，研究不同鉆井液浸泡對巖石抗壓強(qiáng)度的影響。三軸抗壓實驗可獲得巖石在特定條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究巖石的變形和破壞規(guī)律，并求得巖石的三軸抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)楊氏彈性模量和靜態(tài)泊松比等量化表征巖石抗破壞能力的基礎(chǔ)巖石強(qiáng)度參數(shù)。

3.1 清水浸泡實驗

使用清水浸泡延長組頁巖露頭平行層理面巖心，浸泡溫度為80 ℃，浸泡環(huán)境壓力為3.0 MPa，浸泡時間為48 h。清水浸泡后巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

由圖2可知：浸泡后的頁巖地層依然非常致密，在單軸和不同圍壓下，應(yīng)力應(yīng)變曲線中的孔隙、裂隙壓密階段并不明顯，軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎呈線性增加，并且當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時，巖心內(nèi)部迅速形成宏觀斷面，發(fā)生脆性破壞而失去承載能力；在單軸條件下，巖石均為張性柱狀劈裂破壞；當(dāng)圍壓為17.5 MPa和35.0 MPa時，巖心同時破裂破壞和剪切破壞；浸泡后，水侵層理面，弱化了層理面的強(qiáng)度，導(dǎo)致巖心在受壓后出現(xiàn)沿層理面橫向破壞的情況。

圖2 清水浸泡后巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 不同鉆井液浸泡實驗

頁巖與流體接觸后，其強(qiáng)度會受到影響，不同種類的流體對頁巖強(qiáng)度的影響是不同的。當(dāng)頁巖與鉆井液接觸時，一般存在表面水化、離子水化和滲透現(xiàn)象，這些都會降低坍塌壓力。因此，頁巖地層所使用的鉆井液需提高抑制性和封堵性，以保證井壁穩(wěn)定。使用現(xiàn)場用水基鉆井液、油基鉆井液、兩性離子鉆井液和有土甲酸鉀鉆井液等4種鉆井液對延長組露頭巖心進(jìn)行浸泡，浸泡環(huán)境壓力為3.0 MPa，溫度為80 ℃，時間為48 h。不同鉆井液浸泡后的力學(xué)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同鉆井液浸泡下巖心強(qiáng)度變化情況

由表1可知：經(jīng)鉆井液浸泡后，巖心的強(qiáng)度和內(nèi)聚力都有所下降，且浸泡對巖石的內(nèi)聚力影響較大，即巖心的力學(xué)強(qiáng)度均有一定程度的降低，浸泡后的巖心出現(xiàn)多條張性破裂縫，也印證了這一點；經(jīng)油基鉆井液浸泡后的巖心單軸、三軸抗壓強(qiáng)度與內(nèi)聚力降低幅度最小，其次為有土甲酸鉀鉆井液、兩性陽離子鉆井液，水基鉆井液浸泡后的巖心單軸、三軸抗壓強(qiáng)度與內(nèi)聚力降低幅度最大，說明油基鉆井液抑制頁巖水化的能力最強(qiáng)，但由于油基鉆井液成本太高，現(xiàn)場施工時根據(jù)條件可選擇有土甲酸鉀鉆井液。

3.3 頁巖地層坍塌壓力計算

地下一定深處的原地應(yīng)力一般用3個主應(yīng)力描述，即垂向應(yīng)力和水平方向2個主應(yīng)力。鉆井過程擾動并破壞了地層應(yīng)力的自然平衡狀態(tài)，使井周出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此，井壁穩(wěn)定評價可以簡化為平面應(yīng)變問題來分析。在不考慮水化應(yīng)力，只考慮水化對巖石強(qiáng)度的降低作用的條件下，要保證井眼不垮塌，井筒內(nèi)當(dāng)量鉆井液密度必須提高。當(dāng)量鉆井液密度增量至少由3個部分構(gòu)成：①支撐強(qiáng)度變低后由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的坍塌壓力增量；②支撐強(qiáng)度變低后由孔隙壓力作用產(chǎn)生的坍塌壓力增量；③支撐地層自身強(qiáng)度降低(弱面強(qiáng)度降低)產(chǎn)生的坍塌壓力增量。

對于結(jié)構(gòu)面欠發(fā)育地層，若不考慮①、②兩個部分的影響，則受鉆井液浸泡后的最低鉆井液密度增量(坍塌壓力增量)可表示為：

(1)

式中：Δρmc為受鉆井液浸泡后的最低鉆井液密度增量(坍塌壓力增量)，g/cm3；H為地層深度，m；Co為浸泡后巖心內(nèi)聚力，MPa；Ko為浸泡后巖心滲透率，μm2；Ci為浸泡前巖心內(nèi)聚力，MPa；Ki為浸泡前巖心滲透率，μm2。

以延長組頁巖原始力學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)式(1)計算受鉆井液浸泡后的坍塌壓力增量：經(jīng)油基鉆井液、有土甲酸鉀鉆井液、兩性陽離子鉆井液、水基鉆井液浸泡后，巖心的坍塌壓力增量分別為0.31、0.38、0.42、0.50 g/cm3。

以原巖的坍塌壓力密度為參照，鉆井液浸泡后均導(dǎo)致地層坍塌壓力升高。與水基鉆井液相比，兩性陽離子鉆井液、有土甲酸鉀鉆井液浸泡后的地層坍塌壓力均較低；油基鉆井液效果最好，地層坍塌壓力增量最小，但其成本太高，不適合現(xiàn)場鉆井施工。有土甲酸鉀鉆井液效果較好，地層地層坍塌壓力增量較低?？梢?，在鉆井液中加入一定量的甲酸鉀后，可有效控制頁巖地層坍塌壓力的增加。因此，充分利用抑制型處理劑甲酸鉀抑制水化作用的原理，可有效控制頁巖地層坍塌壓力的增加，為頁巖井壁穩(wěn)定提供強(qiáng)有力的安全保障。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

試驗井為X9井，該井地處陜西省延安市延川縣，地質(zhì)構(gòu)造為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡。試驗地層厚度為幾米至幾十米，由厚層深灰、灰黑色頁巖，灰綠色、深灰色泥質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)泥巖，粉、細(xì)砂巖的薄互層、韻律層組成。黏土礦物總量為50.6%～64.2%，石英含量為23.5%～29.1%，白云石含量較低，為0.0%～3.2%。

鄰井X9-1井使用的鉆井液為國內(nèi)常用的水基鉆井液，配方為4.00%膨潤土+0.20%碳酸鈣+6.00%磺化酚醛樹脂+6.00%磺化褐煤+3.00%乳化石蠟+5.00%磺化瀝青+8.00%聚丙烯酰胺鉀鹽+1.00%納米潤滑劑，加重劑為重晶石。在頁巖井段常發(fā)生井塌、井漏現(xiàn)象，多次加入大量封堵材料進(jìn)行堵漏作業(yè)，鉆井液密度急劇上升，導(dǎo)致液柱壓力大于地層壓力，壓破地層后又發(fā)生井漏，如此循環(huán)，鉆井成本大幅增加。對X9-1井水基鉆井液進(jìn)行了評價，經(jīng)其浸泡后的巖心單軸抗壓強(qiáng)度為41 MPa，三軸抗壓強(qiáng)度為175 MPa，內(nèi)聚力為10 MPa，坍塌壓力增量為0.50 g/cm3。根據(jù)上文研究結(jié)果，對該水基鉆井液各組分進(jìn)行了替換和篩選，更換為有土甲酸鉀鉆井液，配方為：4.00%膨潤土+0.20%碳酸鈣+18.00%甲酸鉀+0.05%氧化鈣+5.00%乳化石蠟+7.00%潤滑型聚合醇，加重劑為重晶石。經(jīng)測試，經(jīng)其浸泡后巖心單軸抗壓強(qiáng)度為59 MPa，三軸抗壓強(qiáng)度為185 MPa，內(nèi)聚力為15 MPa，坍塌壓力增量為0.38 g/cm3。與X9-1井所用水基鉆井液相比，巖心抗壓強(qiáng)度大幅增加，且坍塌壓力增量由之前的0.50 g/cm3降至0.38 g/cm3，抑制頁巖水化能力大大增強(qiáng)。將優(yōu)化后的鉆井液體系運用于X9井，使用效果見表2。

由表2可知：X9-1井使用水基鉆井液，在鉆進(jìn)過程中由于地層微裂縫發(fā)育，多次出現(xiàn)漏失情況，鉆井液濾液沿裂縫或微裂縫侵入地層。一方面將可能誘發(fā)水力劈裂作用，井壁地層巖石破碎，大量固相顆粒進(jìn)入鉆井液中；另一方面也提高了鉆井液與地層中黏土礦物和有機(jī)質(zhì)的作用幾率及作用程度，地層強(qiáng)度降低，大量加入隨鉆堵漏材料，導(dǎo)致鉆井液密度大幅提高，同時嚴(yán)重影響鉆井液性能，高溫高壓濾失量大于5 mL。X9井所用的鉆井液為優(yōu)化后的有土甲酸鉀鉆井液，性能總體穩(wěn)定，密度較小，在鉆井過程中無井漏現(xiàn)象發(fā)生，故未引入其他固相顆粒，整個鉆進(jìn)過程中鉆井液密度保持在1.03～1.05 g/cm3，高溫高壓濾失量始終保持在5 mL以內(nèi)。在整個鉆井施工中未發(fā)生井漏情況，故不需要進(jìn)行堵漏作業(yè)，X9井從開鉆到完井歷時70 d，較X9-1井鉆時降低25 d，大幅縮短了鉆井周期。

表2 鉆井液優(yōu)化前后性能情況

5 結(jié) 論

(1) 不同鉆井液浸泡對延長組裂縫發(fā)育頁巖地層坍塌壓力影響不同，其中，水基鉆井液導(dǎo)致的坍塌壓力增加量最大，油基鉆井液最小，兩性陽離子鉆井液和有土甲酸鉀鉆井液介于二者之間。

(2) 通過調(diào)節(jié)處理劑種類及加量，尤其是降濾失劑、抑制劑、封堵劑等，可降低鉆井液對裂縫發(fā)育頁巖地層坍塌壓力的影響。

(3) 通過分析鉆井液浸泡前后頁巖應(yīng)力應(yīng)變曲線變化情況，能夠更加詳細(xì)了解頁巖地層井壁不穩(wěn)定機(jī)理，從而從鉆井液密度、抑制性和黏結(jié)能力等方面為頁巖氣井防塌鉆井液設(shè)計提供技術(shù)參考。

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