袁青松，汪 超，劉艷杰，李中明，朱德勝

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001； 2.河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司，河南 鄭州 450001； 3.地下清潔能源勘查開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 鄭州 450001)

井壁失穩(wěn)一直是鉆井過程中常常遇到的難題之一，易導(dǎo)致井壁發(fā)生坍塌掉塊、井眼擴徑、縮徑、卡鉆、固井質(zhì)量低等井下復(fù)雜和事故，直接造成鉆井周期長和低經(jīng)濟效益[1-4]。大量的資料顯示，鉆井過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大多數(shù)發(fā)生在泥頁巖井段，影響井壁穩(wěn)定性的因素很多，主要集中在力學和物理、化學方面。

中牟頁巖氣區(qū)塊位于河南省開封市中部，屬第二輪國土資源部投標區(qū)塊之一，主要鉆遇泥頁巖層位為石炭系-二疊系山西組-太原組。該區(qū)塊勘查程度較低，目前僅實施了1口直井(MY1井)，在該井鉆遇山西組-太原組過程中出現(xiàn)井眼坍塌掉塊、卡鉆、井眼縮徑、井徑擴大率大等井下復(fù)雜情況，為了弄清構(gòu)成井壁失穩(wěn)的主要影響因素，本文利用牟頁1井(MY1井)鉆井巖心及測井資料，從中牟區(qū)塊山西組-太原組泥頁巖巖石基礎(chǔ)物性、巖石礦物組成、巖石微觀結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力多方面進行分析，研討造成井壁失穩(wěn)要素，為區(qū)塊下一步安全鉆井施工提供指導(dǎo)。

1 井壁穩(wěn)定性影響因素分析

鉆井過程中常遇到的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象主要包括破碎性失穩(wěn)、塑性失穩(wěn)、泥頁巖失穩(wěn)，其中泥頁巖井壁失穩(wěn)占到了90%以上。造成泥頁巖井壁失穩(wěn)的緣由有很多，當前國內(nèi)外研究重點主要集中在井壁力學穩(wěn)定研究及泥頁巖物理-化學穩(wěn)定性研究。

造成井壁失穩(wěn)的泥頁巖主要有2種：第一種是含蒙皂石粘土礦物的泥頁巖，該類泥頁巖埋藏較淺，膠結(jié)程度低，成巖性差，遇水后容易發(fā)生水化膨脹，造成井眼縮徑現(xiàn)象；第二種是伊利石、伊蒙混層、綠蒙混層含量較高的泥頁巖，該類泥頁巖在泥頁巖分類中定義為硬脆性泥頁巖，此種泥頁巖，在鉆開井眼后掉塊現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導(dǎo)致井眼擴徑、埋鉆、卡鉆等事故。

泥頁巖井壁失穩(wěn)主要分為2類情況。第一類為井壁剪切破壞，剪切破壞主要是因為鉆開井眼后，打破了井眼本身的力學平衡，假如此時井筒中的鉆井液密度值不夠，將無法支撐地層本身巖石強度和應(yīng)力集中造成的破壞，導(dǎo)致井眼發(fā)生井徑擴大和縮徑現(xiàn)象。井徑擴大現(xiàn)象通常發(fā)生在硬脆性泥頁巖段，井眼縮徑通常發(fā)生在易水化膨脹的軟泥頁巖段，井眼擴徑對完井后的測井及固井危害極大，尤其在實施頁巖氣鉆井，后期需要進行大型水力壓裂，測井及固井質(zhì)量好壞直接影響頁巖氣井儲層評價及壓裂施工規(guī)模。第二類為拉伸破壞，井壁拉伸破壞主要是因為井筒內(nèi)鉆井液密度過高，靜液柱壓力超過了巖石的抗張強度，造成井漏事故。本文主要從泥頁巖物理化學特性、巖石力學、地應(yīng)力場分布多方面分析造成井壁失穩(wěn)的原因，通過對各影響因素的綜合分析，針對性地制定應(yīng)對措施，以解決中牟頁巖氣區(qū)塊井壁鉆井泥頁巖層井壁失穩(wěn)難題。

1.1 泥頁巖類型分析

泥頁巖種類很多，一般由蒙脫石、伊利石、綠泥石、伊蒙混層三類晶質(zhì)的粘土礦物等，石英、長石、方解石三類非粘土礦物(等)以及非晶體粘土礦物(如蛋白石等)組成[5]。其中晶體礦物和非晶體礦物為井壁失穩(wěn)的主要因素，根據(jù)晶質(zhì)礦物組成將泥頁巖分為硬脆性泥頁巖和軟泥頁巖，一般井下復(fù)雜事故均發(fā)生在硬脆性泥頁巖層中。

采取MY1井山西組和太原組泥頁巖巖心，利用X射線衍射對巖石礦物展開分析，分析結(jié)果顯示巖石礦物中主要礦物成分為石英和粘土礦物，其中石英含量平均45%，粘土礦物含量平均46%，長石含量3%～5%，黃鐵礦和碳酸鹽巖含量占少量。粘土礦物的主要成分為伊利石和伊蒙混層，伊蒙混層含量占大部分，綠泥石含量較低，不含蒙皂石和高嶺石，伊利石的平均含量達到了59%，高嶺石的含量平均值為13.8%，伊蒙混層含量平均為17%(見表1)。

表1 巖心X射線粘土礦物成分分析

對MY1井泥頁巖巖屑在100 ℃溫度條件下做清水滾動實驗，評價泥頁巖水化分散性能，實驗老化時間16 h，老化過后過40目篩網(wǎng)，取篩余物烘干至恒重，計算熱滾回收率(見表2)。同時利用專用儀器在高溫高壓條件下測定泥頁巖的膨脹率(見表3)。

表2 巖屑熱滾回收率

綜合以上實驗結(jié)果，從礦物組成和粘土礦物類型分析，粘土礦物成分較高，強膨脹性的粘土礦物蒙脫石含量較少，主要是弱膨脹性的伊利石、伊蒙混層等，伊蒙混層中蒙脫石的混層比也很低，清水熱滾實驗回收率都在90%左右，水化分散性弱，山西組、太原組泥頁巖高溫高壓膨脹率分別為10.491%和14.951%，具有一定的膨脹性，但整體屬于弱膨脹類型，綜合礦物組成、水化分散性及膨脹性實驗結(jié)果，硬脆性為MY1井山西組-太原組泥頁巖特征。

表3 巖屑高溫高壓膨脹率

1.2 物性分析

鉆井過程中鉆井液液柱壓力作用在井壁上，在鉆遇低孔隙度、低滲透率的泥頁巖地層時，因壓力傳遞相對緩慢，井壁附近地層孔隙壓力會在鉆井液作用下發(fā)生變化，近井地帶的地應(yīng)力場也會發(fā)生變化，地層有效強度變?nèi)?，井壁發(fā)生失穩(wěn)性剝落，不利于井壁穩(wěn)定[6-7]。

對MY1井巖心進行取樣，分析孔隙度和滲透率情況，實驗結(jié)果顯示泥頁巖的孔隙度0.3%～8.8%，平均值為2.7%，孔隙度大小分布區(qū)間為2.0%～3.0%，孔隙度總體表現(xiàn)較低。滲透率主要為0.0045×10-3～1.2135×10-3μm2，滲透率平均值為0.1328×10-3μm2，其中0.001×10-3～0.1×10-3μm2占主導(dǎo)地位，屬于特低孔隙度、特低滲透率的泥頁巖(圖1)。

1.3 巖石微觀結(jié)構(gòu)、理化特性分析

硬脆性頁巖理化特征能反映出其遇水后發(fā)生水化反應(yīng)能力的強弱，而巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造是影響巖石的力學性質(zhì)以及變形行為的內(nèi)部因素[8-9]。通常層理縫、微裂縫會普遍存在于硬脆性泥頁巖中，其中一部分裂縫結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致鉆井過程中掉塊、阻卡、坍塌等井下復(fù)雜情況和事故頻發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)，硬脆性泥頁巖中的微裂縫在毛細管作用下自吸水使得裂縫擴展連通是造成硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)的主要原因之一。

圖1 泥頁巖有效孔隙度和有效滲透率頻率分布圖

1.3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電鏡觀察MY1井太原組泥頁巖微觀結(jié)構(gòu)，可以觀察到發(fā)育較多的溶蝕孔、粒間孔及大量有機孔縫和微裂縫，其中粘土礦物粒間孔達到1.9 μm，有機孔縫基本在0.18～0.3 μm，如圖2所示。在鉆井過程中鉆井液在液柱壓力及毛細管力作用下易滲透進入這些微孔隙和裂縫，在地層內(nèi)部形成膨脹應(yīng)力，逐漸弱化地層結(jié)構(gòu)，造成井壁機械剝落失穩(wěn)。

1.3.2 CT掃描實驗

選取MY1井太原組泥頁巖巖心，浸泡在水中，進行不同時間局部CT掃描實驗，來觀察不同時間內(nèi)的微觀變化，實驗結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出看似沒有裂縫的巖樣在浸泡很短時間內(nèi)迅速形成裂縫開啟，隨著時間的變化，裂縫越來越寬，且裂縫數(shù)量也越來越多，表明頁巖層理縫非常發(fā)育，且極易開啟，遇水后裂縫開啟速度較快。

1.4 頁巖力學特征

巖石力學特征是井壁穩(wěn)定性的另一個重要影響因素，巖石的抗壓強度特性、抗剪強度特性、抗張強度特性、硬度及巖石的脆性從不同角度反映了巖石變形和破壞特征。

對MY1井山西組-太原組巖心進行取樣并開展三軸巖石力學實驗(見表4)，實驗結(jié)果顯示泥頁巖具有較高的抗壓強度(99.65～108.04 MPa)和較強的彈性變形特點，彈性模量較高(27.50～36.83 GPa)，泊松比較低(0.15～0.18)，根據(jù)頁巖脆性指數(shù)計算[9]結(jié)果脆性指數(shù)平均為51.6%，根據(jù)Rickman(2008)脆性系數(shù)判斷[11]區(qū)塊頁巖脆性很強，易發(fā)生脆性劈裂破壞。

圖2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3 巖樣浸泡在水中不同時間局部CT掃描變化

1.5 地應(yīng)力分析

當鉆頭鉆進至泥頁巖層時，打破了巖石原來的穩(wěn)定狀態(tài)，井周開始出現(xiàn)應(yīng)力集中。通常情況下，地應(yīng)力是非均勻的，地應(yīng)力相對大小和差異也反映了地層非均質(zhì)性。水平主應(yīng)力比值越大，能夠提供的泥漿的安全密度窗口越窄，井壁穩(wěn)定性越差。井壁破裂壓力和坍塌壓力的大小與地應(yīng)力的值有關(guān)[12]，為弄清區(qū)塊地應(yīng)力與井壁穩(wěn)定性相關(guān)性對MY1井展開地應(yīng)力方向和大小研究。

表4 巖心三軸力學實驗結(jié)果

1.5.1 地應(yīng)力方向

一般通過FMI成像測井來測得地應(yīng)力的方向，在FMI成像測井圖像上，井眼崩落方向即為地應(yīng)力方位。通過分析MY1井泥頁巖段FMI圖像可以看到清晰的鉆井誘導(dǎo)縫和井壁崩落特征。崩落主要發(fā)生在北北西-南南東方位，鉆井誘導(dǎo)縫的方位為北東-南西向(圖4)，基本確定中牟區(qū)塊MY1井最大水平主應(yīng)力方向為北東-南西70°。

1.5.2 地應(yīng)力大小

利用偶極子聲波測井數(shù)據(jù)，采用多孔彈性模型，計算本井主應(yīng)力大小，計算結(jié)果顯示山西組-太原組地層三向主應(yīng)力狀態(tài)為σH>σv>σh，最小水平主應(yīng)力介于45～65 MPa，最大水平主應(yīng)力介于56～77 MPa，水平二向應(yīng)力差異平均為13 MPa，二向應(yīng)力差異為26%，說明地層具有較強非均質(zhì)性。結(jié)合莫爾-庫倫準則，在此地應(yīng)力狀態(tài)下，井斜角越大，坍塌壓力越小，當井斜角保持不變時，較小的井眼方位角能夠有效降低坍塌壓力，井壁穩(wěn)定性越好[4]。

2 井壁穩(wěn)定防塌技術(shù)對策

通過上述研究分析可知中牟區(qū)塊山西組-太原組泥頁巖井壁失穩(wěn)機理主要為：

(1)微裂縫在泥頁巖表面大量分布，泥漿濾液很容易經(jīng)過這些發(fā)育的微觀裂縫向泥頁巖內(nèi)部滲入，因此它是導(dǎo)致泥頁巖垮塌、掉塊的直接原因。

(2)泥頁巖中伊利石、伊蒙混層、高嶺石等不易膨脹的粘土礦物含量占比高，基本不含易水化膨脹的蒙脫石，因此膨脹率不是很高，盡管如此，當泥頁巖內(nèi)部被泥漿濾液侵入后，這些粘土礦物產(chǎn)生的水化膨脹作用仍會造成泥頁巖內(nèi)部不均勻受力，從而加快了泥漿濾液對泥頁巖的侵入，促進了泥頁巖表面微觀裂縫張開，因此，可以說這些粘土礦物的存在是硬脆性泥頁巖垮塌的內(nèi)部因素。

圖4 FMI井地應(yīng)力分析結(jié)果

(3)地層二向應(yīng)力差異大，地層非均質(zhì)性較強，當鉆開井眼后，原始地層垂向和水平方向應(yīng)力平衡關(guān)系被破壞，導(dǎo)致井壁易發(fā)生機械失穩(wěn)，順著最小水平主應(yīng)力方向發(fā)生物理性坍塌崩落。

針對中牟區(qū)塊泥頁巖井壁失穩(wěn)特征采取的主要技術(shù)對策有：控制鉆井液密度、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井技術(shù)參數(shù)提高井身質(zhì)量，研發(fā)出一套自由水含量低且具有強封堵性的鉆井液體系，減少泥漿濾液侵入地層，減緩壓力傳遞，保證井壁穩(wěn)定[13-14]。

2.1 合理控制鉆井液密度

鉆進過程中要保持合理的鉆井液密度，不要過大，大了會壓裂地層，也不要過小，小了會造成應(yīng)力釋放，使裂縫崩裂坍塌。對于硬脆性泥頁巖一旦發(fā)生坍塌掉塊后，最有效的防塌手段為提高鉆井液密度[15]，中牟區(qū)塊泥頁巖層屬于特低滲地層，高鉆井液密度不利于儲層保護，同時對氣測錄井產(chǎn)生干擾，易丟失氣層。根據(jù)中牟區(qū)塊MY1井實鉆資料，結(jié)合區(qū)域地層孔隙和坍塌壓力大小，采用近平衡鉆進，控制鉆井液漏斗粘度40～60 s，密度1.15～1.18 g/cm3，泥頁巖井段鉆井液的濾失量<5 mL，流變參數(shù)動切力2～5 Pa。

2.2 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)

在MY1井二開井身結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，轉(zhuǎn)為三開井身結(jié)構(gòu)。一開表層套管封隔新近系，該層系具有膠結(jié)程度低、易塌、易漏特征，減少上部地層裸露時間；二開技術(shù)套管封隔三疊系和尚溝組；三開生產(chǎn)套管下至奧陶系馬家溝組。采用單彎雙扶螺桿+減震器+鉆鋌復(fù)合鉆具組合控制井身質(zhì)量，井斜角控制在4°以內(nèi)，全角變化率<2°，井徑擴大率<10%，降低坍塌壓力，保證井壁穩(wěn)定性。泥頁巖層段控制鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，泥漿泵排量控制在25 L/s。

2.3 低自由水強封堵鉆井液體系研發(fā)

鉆井液進入地層有著不同的驅(qū)動方式，減少地層鉆井液濾液的進入量，控制泥頁巖表面發(fā)生水化作用以及毛細管滲吸效應(yīng)很關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，開展低自由水強封堵泥漿體系研究，體系研究思路為：(1)雖然頁巖膨脹性弱，但研發(fā)的鉆井液體系仍然必須具備較好的抑制性，能夠控制鉆井液侵入地層造成粘土膨脹，從而造成堵塞；(2)封堵能力強，能夠大幅度提高鉆井液泥餅的質(zhì)量，減少鉆井液濾液對微裂縫的侵入、降低壓力傳遞；(3)添加自由水絡(luò)合劑，降低鉆井液自由水含量，從而增加鉆井液濾液進入地層的阻力；(4)鉆井液體系中應(yīng)加入一定量的防水鎖劑，能有效降低鉆井液濾液的油水界面張力和氣液表面張力，盡可能降低侵入的濾液造成的水鎖效應(yīng)。

最終形成的鉆井液配方為：2%～3%膨潤土+0.2%NaOH+0.3%～0.5%LV-PAC(降失水劑)+0.5%～1%HXY(自由水絡(luò)合劑)+3%HDR(降濾失劑)+1%HAS(抑制劑)+3%HGW(強封堵劑)+2%HSM(封堵劑)+2%HBJ(封堵劑)+1%～2%HLB(潤滑劑)+3%～5%KCl+2%HAR-D(防水鎖劑)+重晶石加重。

2.3.1 砂床封堵實驗

低自由水鉆井液體系構(gòu)建的一個主要目的就是減少鉆井液濾液的侵入，提高鉆井液封堵能力以及地層承壓能力，因此室內(nèi)研究對構(gòu)建的低自由水鉆井液體系進行了模擬砂床實驗評價，為了評價該套鉆井液體系的封堵能力，室內(nèi)對60～80目砂床的封堵效果進行了評價(見圖5)，實驗結(jié)果顯示濾液侵入深度為2.2 cm，侵入深度較小，封堵能力較強。

圖5 鉆井液砂床封堵實驗

2.3.2 濾膜實驗評價

室內(nèi)使用納米濾膜作為泥巖表面封堵介質(zhì)在API/HTHP濾失量測定儀上分析了濾失量與時間的關(guān)系曲線，同時將MY1井采用的聚合物鉆井液體系作對比分析實驗，實驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 濾膜實驗

注：濾膜HTHP，100 ℃×3.5 MPa。

由表5中濾膜實驗數(shù)據(jù)可以看出，低自由水強封堵鉆井液體系的API和高溫高壓濾膜濾失量，分別從MY1井聚合物體系的12.8和14.9 mL，下降到7.8和9.0 mL，下降幅度達39%和40%，說明研發(fā)的鉆井液體系對微納米級孔喉具有較好的封堵能力，有利于井壁穩(wěn)定和儲層保護。

2.3.3 低滲巖心封堵實驗

室內(nèi)將空氣滲透率為79.5×10-3μm2的人造巖心用標準鹽水飽和后，在多功能高溫高壓巖心流動試驗儀上測定鉆井液在3.5 MPa、100 ℃、120 min條件下對低滲巖心微孔隙的封堵能力。實驗結(jié)果見表6，實驗數(shù)據(jù)表明清水在2.5 min即漏完，低自由水鉆井液體系0～120 min濾失量為0，說明低自由水鉆井液體系在低滲巖心中的封堵能力非常強，巖心表面形成的封堵層非常致密且承壓能力強,有利于預(yù)防減少井漏和井壁穩(wěn)定。

表6 低自由水強封堵鉆井液對低滲巖心的封堵實驗

2.3.4 CST毛細管吸水實驗

室內(nèi)研究了低自由水鉆井液體系與其他常用水基鉆井液在CST毛細管吸允儀器上的吸水實驗來考察鉆井液束縛水的能力，實驗結(jié)果如表7所示，實驗結(jié)果表明低自由水鉆井液體系由于束縛了大量的自由水，從而顯示毛細管吸水時間遠超過以往使用的聚合物體系，說明該體系對自由水的束縛效果較好，在鉆井過程中能夠很大程度上降低鉆井液濾液對地層的侵入。

表7 鉆井液體系吸水能力對比

2.3.5 儲層保護評價

基于研究對象為頁巖氣井，氣層保護也是重點。在室內(nèi)進行該套鉆井液體系儲層保護效果評估，實驗根據(jù)石油天然氣行業(yè)標準，巖心選用人工巖心做氣測滲透率恢復(fù)值，儲層保護效果評價結(jié)果如表8所示。

表8 低自由水強封堵鉆井液儲層保護效果

注：K0為原始巖心滲透率；K1為浸泡鉆井液后巖心滲透率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2017年在中牟區(qū)塊部署實施了第二口直井(ZDY2井)，該井完鉆井深2976 m，通過變換井身結(jié)構(gòu)以及調(diào)整鉆井參數(shù)，現(xiàn)場嚴格控制鉆井液密度，采用研發(fā)的鉆井液體系，在鉆進山西組-太原組井段基本無坍塌掉塊現(xiàn)象出現(xiàn)，整個鉆井過程順利，未出現(xiàn)因井壁穩(wěn)定性導(dǎo)致的復(fù)雜事故，目的層起下鉆均較為順暢，較好地解決了中牟頁巖氣區(qū)塊山西組-太原組泥頁巖層段井壁失穩(wěn)難題，保證了鉆井安全，較MY1井大幅度降低了施工成本。完井測井結(jié)果顯示目的層井徑擴大率6.26%，同時鉆井周期由鄰井67.91 d降至55.24 d，井斜角最大值1.8°(表9)，各項井身質(zhì)量指標均高于行業(yè)標準。

表9 2口井關(guān)鍵指標對比

4 結(jié)語

(1)通過對MY1井山西組-太原組泥頁巖各項物理、力學特征及地應(yīng)力場分析，中牟區(qū)塊泥頁巖的類型為硬脆性泥頁巖，巖石脆性程度較高，微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)育了較多的微裂縫，地層非均質(zhì)性較強，在鉆井過程中井壁易產(chǎn)生機械失穩(wěn)情況，屬于物理-力學型坍塌掉塊。

(2)通過對山西組-太原組泥頁巖井壁穩(wěn)定性影響因素分析，采取針對性技術(shù)對策，控制鉆井液密度，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)，針對性地研發(fā)鉆井液體系，較好地控制鉆井液自由水進入地層產(chǎn)生膨脹壓差，實踐結(jié)果表明該對策較好地解決了中牟區(qū)塊山西組-太原組泥頁巖井壁坍塌難題。