玉北古生界地層井壁失穩原因分析與對策

甄玉輝，牛　曉，王驍男

（1.中國地質大學<北京>工程技術學院，北京100083；2.中石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊830013）

玉北古生界地層井壁失穩原因分析與對策

甄玉輝*1，牛曉2，王驍男1

（1.中國地質大學<北京>工程技術學院，北京100083；2.中石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊830013）

井壁失穩問題是塔河油田玉北地區鉆探過程中普遍遇到的工程技術難題，造成了多次鉆井復雜事故，嚴重影響了該地區的鉆井時效和經濟效益。通過對古生界地層巖芯進行礦物組分分析、掃描電鏡分析以及膨脹性和分散性能分析，認為粘土和石英含量高、伊/蒙混層比例含量高以及裂隙發育是井壁失穩的主要原因。為解決該地區的井壁失穩問題，使用濾失量小并且控制穩定，抑制性和封堵性能良好的鉀胺基聚磺成膜鉆井液體系及其處理維護處理措施，經驗證該鉆井液體系在現場具有很好的應用效果。

玉北地區；井壁穩定；抑制性；封堵性；鉆井液體系

1　概述

玉北地區是中石化西北油田分公司近年來勘探開發的重點區塊，前期由于井網密度低，鄰井資料少，同時由于該地區地質條件復雜，壓力系統多變，高壓鹽水層、膏泥巖、火成巖發育導致鉆遇復雜情況較多［1］。為了解玉北地區鉆井過程中的主要復雜情況，收集了YB1井、YB3和YB5井等20余口井所遇的復雜情況和鉆井事故進行了統計，發現該區鉆進過程中井壁穩定性差，主要體現在二疊系沙井子井段的后期粘卡、庫普庫茲滿組和開派茲雷克組火成巖井段的坍塌、掉塊。本文從玉北地區地層的理化性能特征方面對該地區井壁失穩機理展開研究分析，得出了一定的認識并由此制定出了相應的鉆井液處理維護措施，經現場實踐取得很好的應用效果，滿足該地區現場鉆井施工的要求［2-3］。

2　室內實驗分析

2.1古生界地層礦物組份分析

通過X衍射、掃描電鏡等實驗手段，采用宏觀分析與微觀研究相結合的技術措施［4-5，7］，系統分析玉北地區開派茲雷克組、南閘組、卡拉沙依組和巴楚組地層特性，認識地層巖石的礦物組成及層理、微裂紋等初始細和微觀結構特性。

表1　玉北地區失穩井段全巖礦物分析

從表1可以看出，玉北地區地層從開派茲雷克組到巴楚組組成均以粘土礦物和石英為主。其中開派茲雷克組和南閘組中的易水化膨脹的蒙脫石和伊/蒙混層含量大于石英含量，且開派茲雷克組層間比高達70%，屬于軟弱泥巖，遇水極易水化膨脹導致井壁坍塌失穩。而庫普庫茲滿組、卡拉沙依組和巴楚組的石英含量大于易水化的伊/蒙混層含量，則在力學性質上表現一定的硬脆性屬于砂質泥巖，如若微裂縫比較發育，在鉆井過程中，鉆井液濾液沿著微裂縫進入地層后導致使泥巖強度降低，在井下鉆具的擾動作用下，極易造成井壁失穩。

2.2掃描電鏡分析

利用掃描電鏡，對玉北地區容易出現井下復雜的代表性層位開派茲雷克組和南閘組的巖芯進行了掃描電鏡分析［6］，結果如圖1和圖2所示。

圖1　YB9開派茲雷克組井電鏡掃描照片

圖2　YB1井南閘組電鏡掃描照片

巖芯放大200倍時，可以看出泥巖層理面較為平整，樣品結構較致密，放大4000～5000倍時可以看出泥晶間微孔隙較發育，泥晶間微孔隙1～2μm，少量2～3μm。這些微孔隙是鉆井液漏失的主要通道，鉆井液進入導致泥巖水化膨脹和剝落掉塊進而引起井壁失穩。

巖芯放大200倍時，可以看出樣品結構較致密，放大2000～3000倍時可以看出常見微孔縫寬多小于1μm，但長度較長多為3～50μm。粘土礦物多為彎曲片狀伊/蒙混層、伊利石。孔隙和孔縫較發育，易使鉆井液沿著裂縫進入地層，導致近井筒地層孔隙壓力升高，泥巖水化膨脹，地層巖石強度降低，引起井壁失穩。

2.3膨脹和分散性能分析

地層粘土礦物的水化膨脹和分散性能直接影響井壁的穩定性。粘土水化膨脹則會引起縮徑，而粘土水化分散則容易使井壁坍塌、掉塊。為了解玉北區塊地層的水化膨脹和水化分散能力對井壁穩定性的影響，在室內按照相應的技術規范對巖樣做了泥頁巖膨脹率和滾動回收率測定實驗［8］，結果如表2所示。

表2　泥頁巖膨脹率和滾動回收率實驗結果

從表2可以看出，玉北地區古生界二疊系和石炭系地層巖石的泥頁巖膨脹率偏高，其中YB13井開派茲雷克組（井深4834～4850m）頁巖膨脹率高達26.01%，南閘組（井深4959～4972m）頁巖膨脹率為24.26%，說明此段地層巖石的水敏性很強，遇水極容易水化膨脹。

同時可以看出，YB13井開派茲雷克組和南閘組上部巖屑清水回收率僅為32.8%和17.2%，說明此段地層巖石有較強的水化分散性能，遇水容易發生水化分散，而卡拉沙依組巖屑清水回收率平均值為47.45%，同樣具有較強的水化分散能力，在鉆井過程中易受到鉆井液的浸泡沖刷而水化分散影響井壁穩定。

3　井壁穩定技術

玉北地區古生界泥頁巖地層巖土礦物組成及理化特征的分析結果表明，二疊系南閘組、石炭系巴楚組及卡拉沙依組泥頁巖中微孔、縫較發育，二疊系開派茲雷克及庫普庫茲滿組泥巖粘土礦物含量高且含較多蒙脫石，石炭系卡拉沙依組及巴楚組以伊利石及伊/蒙混層為主的粘土礦物含量較高。頁巖膨脹率及回收率等進一步證明了古生界地層的分散性能強、力學穩定性差，在鉆井施工中易造成井壁失穩等井下復雜情況的發生。因此，為保證鉆井質量應嚴格控制鉆井液的濾失量并提高鉆井液體系的抑制性和封堵性能［9］。

3.1鉆井液性能評價

為此我們選用了鉀胺基聚磺成膜鉆井液體系，其基本配方如下：

3%膨潤土+0.2%純堿+0.3%DS-301+1%RHTP-1+3%RHJ-3+0.5%DS-302+0.5%HPA+5%KCl+0.8% CMJ+2%SMP+3%SPNH+0.5%JM-1+重晶石，其性能如表3～表6所示。

表3　鉀胺基聚磺成膜鉆井液體系流變性能

表4　鉀胺基聚磺成膜鉆井液體系抑制性能

表5　150℃16h老化后鉆井液的抗加重能力

從表3和表4可以看出，該體系具有很好的流變性，中壓濾失量和高溫高壓濾失量均保持在10mL左右，泥餅厚度保持在1mm左右并且具有良好的抑制性能，鉆屑回收率可達85%以上，可以有效降低所鉆巖層的水化分散能力維持井壁穩定，減少井下復雜情況的發生。

從表5可以看出，鉀胺基聚磺成膜鉆井液體系隨著密度的增加，鉆井液的粘度有所提高，但濾失量卻明顯降低，說明該鉆井液體系有很好的抗加重能力，在鉆井過程中當遇到高壓流體層時可直接加重而不會對鉆井液性能產生很大影響，方便鉆井事故的處理。

從表6可以看出，該鉆井液體系加入鈣和鹽后鉆井液的粘度、切力和濾失量變化不大，該鉆井液體系可以抗住25%的NaCl、1.0%的CaCl2和10%的KCl，具有很好的抗污染能力，當鉆遇鹽膏層時不會對鉆井液性能產生很大的影響。

3.2鉆井液控制井壁穩定原理

（1）鉆井液體系中加入胺基頁巖抑制劑HPA和KCl，通過鉀離子和胺基在粘土顆粒表面上的吸附，抑制地層泥頁巖和鉆屑的水化分散。胺基頁巖抑制劑里帶負電荷的聚電解質，可以通過靜電作用吸附在粘土顆粒帶正電的邊緣處，也可以通過其中的非水解基團與粘土礦物晶面上的氧和羥基之間形成氫鍵而發生相互作用，在井壁上形成的吸附層能滯緩了水分子向頁巖粘土中的滲透，從而起到維護井壁穩定和防止鉆屑分散的作用。（2）在鉆井液體系中加入乳化瀝青封堵劑，在高溫高壓下瀝青被軟化并擠入頁巖微裂縫，并能在頁巖表面覆蓋一層致密的薄膜，對頁巖起到屏障作用。（3）通過加入成膜劑，水基成膜鉆井液與井壁泥頁巖接觸后在井壁表面形成一種具有調節、控制井筒流體與近井壁地層流體系統間傳質、傳能作用的半透膜，利用膜兩相流體之間滲透壓差控制流體中溶劑介質朝向地層巖石或者朝向井筒內的流動方向，即在井壁的外圍形成保護層，阻止水及鉆井液進入地層，從而達到阻止或減小井壁泥頁巖因吸水發生的不穩定現象，起到封堵或者輔助防塌作用效果。

4　現場應用

4.1YB8井現場鉆井液技術措施［10］

（1）三開二疊系（4081～5249m）井段較長，二疊系巖性主要以火成巖、凝灰巖、泥巖、砂巖為主，地層破碎、裂隙發育，地層沉積巖性交錯，水敏性強，要求鉆井液具有較好的抑制性能。通過增加乳化瀝青、胺基頁巖抑制劑、有機硅醇抑制劑的加量，滿足泥巖段基本穩定性能的要求。

表6　150℃16h老化后鉆井液的抗鹽、抗鈣能力

（2）進入二疊系中統開派茲雷克組灰黑玄武巖之前，提高比重至1.50～1.55g/cm3，同時加入乳化瀝青、聚胺抑制類材料至設計上限，利用鉆井液中暫堵顆粒如超細碳酸鈣QS-2、可變性粒子等形成屏蔽帶，提高鉆井液體系的封堵性能，從而有效阻斷破裂壓力的傳遞。

（3）三開井段鉆井液主要處理維護思路：在鉆進過程中充分清除有害固相，降低比重，控制坂土含量在30～35g/L左右，逐步補充高軟化點陽離子乳化瀝青RHJ-3和聚胺頁巖抑制劑HPA，嚴格控制API失水在4mL以內，HTHP失水12mL以內。三開鉆進至克孜洛依下部4300m以后鉆時明顯變慢，且地層剝落掉塊現象較為嚴重，每次加單根時掉塊掛卡現象較為嚴重，通過加大高軟化點乳化瀝青的用量，并配合使用0.4%胺基頁巖抑制劑HPA，有效改善了井壁穩定效果。鉆井液處理維護前后鉆屑情況如圖3所示。

圖3　處理前后鉆屑對比

從鉆井液處理前后鉆屑對比情況可以看出，使用胺基頁巖抑制劑HPA處理泥漿后掉塊明顯減少。因此，在玉北區塊易失穩泥巖地層采用2%～3%高軟化點乳化瀝青與0.3%～0.5%HPA配合使用，具有很好的穩定井壁的效果，能夠滿足該區塊井壁穩定性的要求。

4.2應用效果

（1）胺基頁巖抑制劑HPA對二疊系泥巖具有很好的抑制分散作用。本井聚胺抑制劑主要應用于5598～5900m井段。在沙井子鉆井時無掉塊，進入開派茲雷克組后出現少量掉塊，分析原因可能是交界面出現掉塊，地質介紹掉塊屬于沙井子組，所以鉆井至開派茲雷克組后，為進一步提高抑制防塌性，開始加入聚胺，現場使用結果表明，該產品抑制防塌效果明顯。

（2）胺基頁巖抑制劑HPA與乳化瀝青RHJ-3具有協同作用效果。YB8井采用3%高軟化點乳化瀝青和0.3%～0.5%胺基頁巖抑制劑HPA配合使用，三開井段施工作業順利，起下鉆暢通，滿足了復雜井段鉆井施工的要求。

5　結論

（1）玉北地區古生界地層井壁失穩的主要原因是：地層中粘土含量高、伊/蒙混層比例含量高以及裂隙發育，其解決辦法是使用濾失量低、抑制性和封堵性能良好的鉆井液體系。

（2）鉀胺基聚磺成膜鉆井液體系具有良好的抗溫、抗污染和抑制防塌性能，能有效封堵微裂縫，抑制泥巖水化膨脹提高井壁穩定性，經現場應用可知其性能滿足玉北地區生產施工要求。

［1］趙志國，白彬珍，王友泉，易浩，張進雙.玉北地區鉆井難點分析與對策探討［J］.鉆采工藝，2012（4）：25-28，123.

［2］牛曉，沈青云，于培志，劉曉民.陽離子懸乳液鉆井液在塔河油田定向井的應用［J］.鉆井液與完井液，2011（1）：81-83，94.

［3］李雙貴.玉北地區鉆井提速與儲層保護技術研究［D］.西南石油大學，2013.

［4］汪傳磊，李皋，嚴俊濤，羅兵，劉厚彬，劉欣潔.川南硬脆性頁巖井壁失穩機理實驗研究［J］.科學技術與工程，2012（30）：8012-8015.

［5］湯超，謝水祥，鄧皓，宋周成，李再鈞，鄒盛禮.塔里木油田群庫恰克地區井壁失穩機理研究［J］.吐哈油氣，2011（2）：185-188.

［6］明瑞卿，張時中，王越之.塔中西部二疊系井壁失穩原因分析及對策［J］.特種油氣藏，2015（3）：138-140，158.

［7］謝建華，楊保海，蔣立宏.延長氣田井壁失穩機理研究［J］.遼寧化工，2014（7）：911-913，916.

［8］張彥虎，汪建軍.川西中江地區井壁失穩機理研究［J］.鉆采工藝，2001（1）：10-12.

［9］陳麗萍，張軍，溫銀武，羅健生，林科君.中江地區井壁失穩機理及對策研究［J］.天然氣工業，2005（12）：100-102，5.

［10］陳濤，喬東宇，牛曉，鄭義平.巴什托背斜石炭系地層井壁失穩機理及控制技術［J］.鉆井液與完井液，2011（5）：27-30，97.

TE254.3

A

1004-5716（2016）06-0052-05

2016-01-29

2016-01-29

甄玉輝（1990-），男（漢族），河北保定人，中國地質大學（北京）工程技術學院在讀碩士研究生，研究方向：鉆井液工藝。