破解塔里木盆地群庫恰克地區(qū)井壁失穩(wěn)難題的鉆井液技術(shù)

摘 要

摘要：塔里木盆地群庫恰克地區(qū)油氣產(chǎn)層主要位于石炭系和泥盆系，巖性復(fù)雜，已完鉆的幾口探井鉆進過程中共發(fā)生了200次井下復(fù)雜及鉆井事故，嚴重影響了鉆井工程進度、增加了鉆井成本
摘要：塔里木盆地群庫恰克地區(qū)油氣產(chǎn)層主要位于石炭系和泥盆系，巖性復(fù)雜，已完鉆的幾口探井鉆進過程中共發(fā)生了200次井下復(fù)雜及鉆井事故，嚴重影響了鉆井工程進度、增加了鉆井成本。采用X射線衍射儀、頁巖線性膨脹分析儀等對該地區(qū)失穩(wěn)井段的地層礦物組分及其理化性質(zhì)進行了分析測試，結(jié)合泥頁巖線膨脹率評價試驗、滾動回收率評價試驗、失穩(wěn)井段巖石黏土礦物和全巖礦物分析，找到了井壁失穩(wěn)的原因：①失穩(wěn)井段泥頁巖的礦物成分以伊利石為主，其次為伊/蒙間層、高嶺石和綠泥石，缺失蒙脫石，巖樣泥頁巖膨脹率低；②井壁不穩(wěn)定的原因主要是伊利石的分散作用；③現(xiàn)場所用水基鉆井液體系濾液進入地層是導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定的重要原因之一。據(jù)此認為：采用抑制能力和封堵能力強鉆井液是預(yù)防和減少該區(qū)塊井壁失穩(wěn)的重要措施，具體的技術(shù)對策包括：①篩選合適的防塌鉆井液處理劑及體系；②分地層設(shè)計和使用鉆井液體系?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，防塌鉆井液和分地層鉆井液設(shè)計較好地滿足了該地區(qū)鉆井工程的實際要求，降低了井下復(fù)雜和鉆井事故的發(fā)生概率，縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率，節(jié)約了鉆井成本，經(jīng)濟效益顯著。
關(guān)鍵詞：塔里木盆地；群庫恰克地區(qū)；石炭紀(jì)；二疊紀(jì)；井壁失穩(wěn)；技術(shù)對策；防塌鉆井液；分地層鉆井液
    井壁失穩(wěn)是石油鉆井過程中普遍存在并一直困擾業(yè)界的一個大問題，是國內(nèi)外鉆井界一直努力攻關(guān)的重要內(nèi)容[1～10]。
    塔里木盆地群庫恰克地區(qū)巖性復(fù)雜，古近系阿爾塔什組發(fā)育一套巨厚層白色石膏夾淺灰色泥巖及膏質(zhì)泥巖，膏質(zhì)泥巖表現(xiàn)為“軟泥巖”特征，易發(fā)生蠕變卡鉆；石炭系含礫狀砂巖、石灰?guī)r，志留系含石英砂巖，可鉆性差；地層中含有高壓油氣層和高壓鹽水層。鉆井復(fù)雜及事故統(tǒng)計結(jié)果表明，群1、群5、群6、群601、群7這5口探井鉆進過程中合計發(fā)生各類復(fù)雜及事故200次，嚴重影響了鉆井工程安全和工程進度。亟待對此問題進行深入研究，找出破解井壁失穩(wěn)難題的方法。
1 井下復(fù)雜或鉆井事故統(tǒng)計分析
    研究中按井下復(fù)雜或鉆井事故發(fā)生類型、井段及層位進行了分類統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果(圖1、2、3)表明，各類井下復(fù)雜及鉆井事故表現(xiàn)出以下特點：①從鉆井復(fù)雜及事故發(fā)生類型看，卡鉆(上提遇卡和下鉆遇阻)為主要鉆井復(fù)雜，上述5口井共計發(fā)生154次，占鉆井復(fù)雜及事故總次數(shù)的77%；②從鉆井復(fù)雜及事故發(fā)生的井段看，多發(fā)井段為3000～6000m，為重點鉆井復(fù)雜及事故防控井段；③從鉆井復(fù)雜及事故發(fā)生的層位看，多位于新近系阿圖什組(N2a)、二疊系阿恰組(P2-3aq)、下石炭統(tǒng)巴楚組(C1b)及泥盆系(D)，鉆井復(fù)雜發(fā)生頻繁，這些地層巖性為砂巖、紅色泥巖及褐色泥巖，屬于不穩(wěn)定地層。

2 井壁失穩(wěn)因素分析
    井壁穩(wěn)定問題除力學(xué)因素之外，還有鉆井液化學(xué)因素的影響。鉆井液的影響主要是因為鉆井時鉆井液的液柱壓力大于地層孔隙壓力產(chǎn)生的壓差，在壓差的作用下，鉆井液濾液進入地層，常常發(fā)生濾液使地層中黏土的礦物水化膨脹，導(dǎo)致井徑收縮而產(chǎn)生卡鉆事件或因泥頁巖的剝落掉塊造成井壁坍塌、井徑擴大。
2.1 失穩(wěn)井段巖石黏土礦物和全巖礦物分析
   群6井是群庫恰克地區(qū)已完井中發(fā)生鉆井復(fù)雜事件最多的一口井，累計發(fā)生鉆井復(fù)雜事件49次，具有一定的代表性，研究中選取了群6井的失穩(wěn)井段(4300～4800m)巖屑進行礦物組分及其理化性能分析，黏土礦物和全巖礦物分析結(jié)果分別如圖4、5所示。

   由圖4可以看出：①所分析井段的黏土礦物以伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙間層、綠/蒙間層礦物發(fā)育，缺失蒙脫石為特點。伊利石相對含量介于25%～48%，綠泥石相對含量介于4%～35%，高嶺石相對含量介于3%～15%，伊/蒙間層相對含量介于8%～46%，綠/蒙間層相對含量介于6%～45%；②各井段的黏土礦物組成中伊利石含量均占有較高比例；③在分析的10個井段中，有6個井段的伊/蒙間層含量較高，離子間強鍵較蒙脫石減少，非膨脹性和膨脹性黏土相間，一部分比另一部分水化能力強，導(dǎo)致非均勻性膨脹，進一步減弱了泥頁巖的結(jié)構(gòu)強度導(dǎo)致地層巖石容易脆裂，發(fā)生井下垮塌和掉塊。實踐證明，伊/蒙間層是難以對付的地層。
    由圖5可以看出，群6井失穩(wěn)井段的全巖礦物以石英(相對含量介于11%～47%)、黏土礦物(相對含量介于6%～37%)、斜長石(相對含量介于6%～24%)、方解石(相對含量介于1%～17%)、白云石(相對含量介于3%～31%)為主，還含少量的鉀長石、石膏和黃鐵礦，缺失方沸石、菱鐵礦和鹽巖。同時處于4500～4550m井段的地層硬石膏相對含量較高，達到了44%，屬石膏泥巖層，當(dāng)鉆井過程中鉆遇到該地層時，鉆井液液柱壓力不能平衡地層坍塌壓力，地層在地層坍塌壓力作用下向井眼擠壓，或者鉆井液中抗鹽抗鈣處理劑加量不足，使石膏吸水膨脹、分散，從而造成井下坍塌、掉塊、卡鉆等鉆井復(fù)雜事件。
    群6井失穩(wěn)井段黏土礦物分析結(jié)果表明：黏土礦物以伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙間層、綠/蒙間層礦物發(fā)育，缺失蒙脫石為特點。由于泥巖主要由伊利石組成，很少或不含膨脹層黏土礦物，其地層的泥巖壓實程度較高，水平層理發(fā)育，泥巖裂隙發(fā)育。因此，在鉆井過程中，泥漿濾液沿層理面或微裂隙侵入，大大加劇了泥巖的水化和分散，減弱了泥巖的結(jié)合強度，減弱了層理面之間的結(jié)合力，使泥巖沿層理面或微裂隙裂開。在鉆具、鉆頭的碰撞作用下和鉆井操作時的波動壓力作用下，出現(xiàn)掉塊坍塌。水沿泥巖裂縫和微裂縫滲入黏土層面而引起該類黏土礦物的剝落是造成井塌的主要原因，從而為采用有封堵裂縫和微裂縫能力的鉆井液添加劑，防止該類地層的坍塌提供了依據(jù)。
2.2 泥頁巖線膨脹率評價試驗
    將群6井失穩(wěn)井段(4400～4500m)泥頁巖巖屑樣品烘干后粉碎成粉末，用100目分樣篩過篩，收集100目篩下的巖屑粉末。取該粉末10.0g于頁巖膨脹性測定儀的樣品筒中，在4.1MPa壓力下壓5min，然后放入頁巖膨脹性測定儀中，在室溫條件下，測定樣品在自來水和鉆井液濾液中的浸泡不同時間后巖心的總高度及巖心的膨脹率。室內(nèi)模擬配制了第二次開鉆(以下簡稱二開)、第三次開鉆(以下簡稱三開)及第四次開鉆(以下簡稱四開)鉆井液體系，配方采用現(xiàn)場配方。實驗結(jié)果如表1所示。
 

    由表1可以看出，群6井該段的泥頁巖在自來水16h后的線膨脹率為15.50%，屬較易膨脹泥頁巖。同時，隨著從二開到四開鉆井液抑制能力的增強，泥頁巖的水化膨脹得到了一定的抑制，但仍存在較大的改進空間。
2.3 滾動回收率評價試驗
    按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5613—2000《泥頁巖理化性能試驗方法》中的標(biāo)準(zhǔn)滾動回收率法評價了群6井失穩(wěn)井段(4400～4500m)的泥頁巖在不同的鉆井液及自來水中的滾動回收率，分析其在不同介質(zhì)中的分散性。實驗結(jié)果如表2所示。
 

   從表2中可以看出，群6井該失穩(wěn)井段泥頁巖巖樣在自來水滾動回收率較低，屬易分散泥頁巖，三開、四開鉆井液中加入硅酸鉀、聚合醇等防塌劑后，鉆井液整體的防塌能力得到了增加，頁巖滾動回收率明顯提高。
   以上井壁失穩(wěn)因素綜合分析結(jié)果表明：①通過泥頁巖理化性能分析，群6井失穩(wěn)井段泥頁巖的礦物成分以伊利石為主，其次為伊/蒙間層，高嶺石和綠泥石，缺失蒙脫石，巖樣泥頁巖膨脹率低；②泥頁巖膨脹性和標(biāo)準(zhǔn)滾動法實驗評價結(jié)果表明，該井段的泥頁巖水化膨脹較小，井壁不穩(wěn)定的原因主要是伊利石的分散作用；③現(xiàn)場所用水基鉆井液體系濾液進入地層是導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定的主要原因之一。由此認為，采用抑制能力和封堵能力強鉆井液是預(yù)防和減少該區(qū)塊井壁失穩(wěn)的重要措施之一。
3 技術(shù)對策
   在充分認識群庫恰克地區(qū)井壁失穩(wěn)影響因素和失穩(wěn)機理的基礎(chǔ)上，并結(jié)合該地區(qū)地層的實際特點，突出重點解決的問題，以針對性、系統(tǒng)性和有效性為原則，提出了如下技術(shù)對策。
3.1 篩選合適的防塌鉆井液處理劑及體系
   針對群庫恰克地區(qū)地層巖性特點，篩選和研制合適的防塌鉆井液處理劑及體系，提高鉆井液的抑制性，增強鉆井液的造壁性和封堵能力，優(yōu)選鉆井液流型與流變參數(shù)，以滿足安全、快速鉆井要求。
   1) 提高鉆井液的抑制性：采用無機鉀鹽聚合醇組合、正電膠 聚合醇組合等抑制性處理劑，防止泥頁巖地層水化、膨脹和分散，穩(wěn)定井壁。
   2) 增強鉆井液的造壁性和封堵能力：控制鉆井液的失水量，對于裂縫發(fā)育的坍塌層，封堵裂隙，在井壁周圍形成滲透率接近零的封堵帶，將井筒鉆井液與井壁地層隔絕為兩個系統(tǒng)，控制和減少鉆井液濾液沿微裂隙侵入地層，以達到穩(wěn)定井壁的目的。
    3) 優(yōu)選鉆井液流型與流變參數(shù)：鉆井液流變性對井壁穩(wěn)定和攜屑影響很大，通常在維護和處理鉆井液時，往往出現(xiàn)改善鉆井液流變性或造壁性，則削弱鉆井液的抑制性；而增強抑制性時，又常以損害鉆井液的穩(wěn)定性為代價。優(yōu)選鉆井液流型與流變參數(shù)，同時兼顧鉆井液的抑制性就顯得十分必要。
3.2 分地層設(shè)計和使用鉆井液體系
    在正確認識群庫恰克地區(qū)地層的特性和潛在失穩(wěn)機理的基礎(chǔ)上，根據(jù)各防塌鉆井液體系的特點和適用范圍，對井壁不穩(wěn)定地層分別設(shè)計和使用合適的鉆井液體系。常用防塌鉆井液及其適用范圍如表3所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果
    現(xiàn)場試驗井為群5-1H井，設(shè)計井深5395m，該井為甲方在群庫恰克地區(qū)的第一口開發(fā)水平井，位于塔里木盆地西南坳陷麥蓋提斜坡群苦恰克構(gòu)造帶巴什托普鼻狀構(gòu)造西端。主要鉆井目的為落實構(gòu)造、儲層、流體分布規(guī)律，為油氣藏滾動勘探開發(fā)提供依據(jù)，并建立高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井組，提高儲量的動用程度，增加產(chǎn)能。
    群5-1H井鉆井技術(shù)難度主要表現(xiàn)為：三開后，隨著裸眼段的延長，容易發(fā)生井壁坍塌。同時，由于鉆井液密度的提高，容易引起鉆井液中有害固相增加，造成鉆具遇卡和下套管遇阻。為此，對該井采用了分井段鉆井液技術(shù)設(shè)計(表4)。

    現(xiàn)場應(yīng)用效果如表5所示，從表5可以看出，群5-1H井整體鉆井復(fù)雜發(fā)生次數(shù)(13次)大幅降低，相對鄰井群5井降低了67.5%，群6井降低了73.5%，群7井降低了69.0%。同時，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，群5-1H鉆井成本顯著降低：相對于鄰井群5井節(jié)約了781萬元、相對于群6井節(jié)約了1253萬元、相對于群7井節(jié)約了540萬元。
5 結(jié)論
    1) 群庫恰克地區(qū)井壁不穩(wěn)定的原因主要是伊利石的分散作用，現(xiàn)場所用水基鉆井液體系濾液進入地層是導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定的重要原因之一，采用抑制能力和封堵能力強鉆井液是預(yù)防和減少該區(qū)塊井壁失穩(wěn)的重要措施之一。
    2) 針對不同地層研究開發(fā)出的分段鉆井液體系較好地滿足了群庫恰克地區(qū)鉆井工程的實際要求，降低了井下復(fù)雜及鉆井事故的發(fā)生概率，縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率，節(jié)約了鉆井成本，經(jīng)濟效益顯著。
參考文獻
[1] 徐同臺.井壁不穩(wěn)定地層的分類及泥漿技術(shù)對策[J].鉆液與完井液，1996,13(4)：42-45.
[2] 徐同臺.鉆井工程井壁穩(wěn)定新技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.
[3] 陳麗萍，張軍，溫銀武，等.中江地區(qū)井壁失穩(wěn)機理及對策研究[J].天然氣工業(yè)，2005,25(12)：100-102.
[4] 匡立新，蔣國盛，寧伏龍，等.米泉區(qū)塊井壁穩(wěn)定性分析及鉆井液的優(yōu)選[J].石油鉆采工藝，2011，33(1)：38-41.
[5] 張岐安，徐先國，付建國，等.有機鹽鉆井液在水平井BHW01井的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2010，32(2)：34-37.
[6] 蔣金寶，杜文軍，張瑞英.BZ25-1油田井壁穩(wěn)定性分析[J].鉆采工藝，2010，33(2)：12-14.
[7] 王建華，鄢捷年，蘇山林.硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定評價新方法[J].石油鉆采工藝，2006，28(4)：28-30.
[8] 魏武，鄧虎，李皋，等.氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑評價方法探討[J].天然氣工業(yè)，2010，30(9)：51-54.
[9] 蔚寶華，王治中，郭彬.泥頁巖地層井壁失穩(wěn)理論研究及其進展[J].鉆采工藝，2007，30(3)：16-21.
[10] 梁大川，羅平亞，劉向君，等.鉆井液處理劑及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.
 
(本文作者：謝水祥1 蔣官澄1 陳勉1 鄧皓2 李再鈞3 1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室；2.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院；3.中國石油塔里木油田公司)