錦州25-1南油田井壁穩定技術研究與應用

陳 強 魏子路 雷志永

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 天津 300451)

錦州25-1南油田井壁穩定技術研究與應用

陳 強 魏子路 雷志永

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 天津 300451)

為解決錦州25-1南油田φ311.15 mm井段因井壁失穩而引起的起下鉆阻卡、倒劃眼困難等問題，提出并采用了“適度抑制+活度平衡”的技術思路：應用KCl和CPI兩種抑制劑達到適度抑制的效果，再利用活度平衡理論引入NaCl降低鉆井液活度，提高膜效應，阻止濾液進入地層，降低泥巖的活性，合理控制鉆井液體系的抑制性能，達到穩定井壁的效果。該項井壁穩定技術的成功應用，既解決了錦州25-1南油田館陶組、東營組上段因K+過多造成井壁硬化而引起的阻卡問題，又解決了東營組下段、沙河街組因鉆井液抑制性不夠而導致的井壁坍塌問題，對渤海其他油田保障鉆井安全、優快鉆井、降低鉆井工期具有重要指導意義。

錦州25-1南油田；井壁失穩；起下鉆阻卡；倒劃眼困難；鉆井液；適度抑制；活度平衡

錦州25-1南油田是渤海灣的主力油田，采用的是大斜度/水平井開發模式，但在鉆井作業過程中井下復雜事故頻發，嚴重影響了作業時效，初步統計阻卡時間占鉆井總時間的15%～25%。該油田從明化鎮組下部至東營組上部的φ311.15 mm井眼存在大段砂泥巖互層，其泥頁巖表面水化和滲透水化嚴重，易引起井壁失穩和井徑不規則，導致阻卡嚴重，起下鉆困難，甚至于發生井下惡性事故[1]。因此，針對錦州25-1南油田進行井壁失穩原因分析和井壁穩定技術研究是保證井下作業安全和提高鉆井時效的關鍵。

1 井壁失穩原因分析

1.1 地層巖性對井壁穩定的影響

以JZ25-1S-E30H井為例對不同井深的巖屑進行了巖性分析(表1)。錦州25-1南區塊存在大段含黏土礦物比較高的活性泥巖井段，部分井段黏土含量高達69%，且伊蒙間層多而埋藏深；伊蒙間層水化膨脹很容易使井壁局部變化引起縮徑，也易因鉆井液抑制性不強而引起黏土水化膨脹，繼而導致井壁失穩出現垮塌擴徑現象。據統計，錦州25-1油田1期共鉆井98口，因巖性使井壁失穩導致處理鉆具阻卡時間占鉆井總時間的20%～25%。

表1 JZ25-1S-E30H井不同井深巖屑的巖性分析Table 1 Lithology analysis of cuttings from different depth in JZ25-1S-E30H

1.2 鉆井液性能對井壁穩定的影響

以錦州25-1南區塊部分探井數據為例進行了φ311.15 mm井段測井曲線分析(表2)。該區塊在明化鎮組、館陶組井段大多采用海水膨潤土漿鉆進，探井直井段存在明顯井徑增大現象，最大井徑達φ538.99 mm(鉆頭尺寸φ311.15 mm)，最大井徑擴大率高達73.22%；采用海水膨潤土漿鉆進上部井段的大部分井在電測及下鉆過程中都存在大量沉砂。 綜合分析認為，針對大段泥巖井段，須加強鉆井液對黏土礦物的抑制性，防止因地層黏土礦物水化膨脹而引起井壁不穩出現垮塌擴徑等問題。

表2 錦州25-1南油田探井井徑及起下鉆情況統計Table 2 Statistics of trip and hole diameter of exploratory well in JZ25-1S oilfield

2 鉆井液穩定井壁技術研究

錦州25-1南油田東營組含大段泥頁巖，而泥頁巖地層在鉆進過程中易發生井壁失穩等復雜問題。對于極易水化的泥頁巖地層，若鉆井液抑制性不好，容易出現泥頁巖剝落掉塊等現象；此外，若鉆井液濾液在復雜壓力下的活度與地層水的活度不平衡，導致濾液通過滲流進入地層，使泥頁巖水化，造成地層巖石受力不均引起井壁失穩。所以針對此類地層需要加強鉆井液的抑制性能，并且有效地降低鉆井液的活度[2-8]。

2.1 加強鉆井液抑制性

根據活性泥頁巖鉆井情況以及目前研究現狀等，針對蒙脫石含量較高的地層，主要考慮是以強抑制為主，防止其水化膨脹，主要方法是采用加入高濃度KCl來實現強抑制作用，但研究表明這種方法并不能從根本上解決活性泥頁巖井段膨脹、遇阻現象。

1) 傳統KCl抑制劑的缺點。在鉆遇易水化膨脹地層時，一般在鉆井液的設計上采取強抑制手段來抑制水化膨脹。表3為實驗室研究鉆屑加量對K+含量的影響。可以看出：隨著巖屑濃度的增加，消耗的KCl量非常大。加入KCl除了抑制鉆屑的分散之外，更主要的是為了抑制地層的水化分散；但由于K+吸附消耗速度很快，因此要維持鉆井液體系中合理的K+濃度困難較大。井壁附近活性黏土高的陽離子交換容量還可能導致在鉆井過程中近井壁地帶由于K+的交換而硬化，遠井壁帶因為K+已經消耗完(K+始終處于欠飽和狀態)而發生水化膨脹；遠井壁帶水化膨脹壓迫使井徑縮徑，近井壁帶的硬化地層受遠井壁帶水化膨脹的擠壓而產生變形，甚至裂縫。圖1、2分別給出了所研制的高溫、高壓井壁穩定循環測試儀測定的淡水和8%KCl水溶液循環6 h的井壁變化情況，可以看出8%KCl循環后的井壁有明顯變硬的現象;因此,需要尋找一種合適的抑制方法來有效抑制活性泥頁巖的水化膨脹，同時還要避免井壁的硬化問題。

表3 鉆屑加量變化對K+含量的影響Table 3 Effect of changing cuttings dosage to content of K+

圖1 淡水循環6 h井壁變化情況Fig .1 Changes of the well wall after the fresh water cycle 6 h

圖2 8%KCl鹽水循環6 h井壁變化情況Fig .2 Changes of the well wall after the 8% KCl brine cycle 6 h

2) 新型抑制劑CPI的特點。CPI是一種小分子量的有機陽離子聚合物，其分子量比常規有機陽離子小得多。CPI在鉆井液中可以通過靜電吸附于黏土顆粒的表面，不具備K+的鑲嵌作用，其抑制性比K+弱，但又有適當的抑制性，符合適度抑制的特點。進行了室內CPI與KCl抑制性能對比實驗，結果表明CPI對于頁巖的抑制性比KCl要好(表4)，不會硬化井壁，并且更易保持鉆屑的完整性，便于鉆屑的清除，通過降低鉆屑的分散程度可以實現鉆井液性能的穩定。

表4 CPI與KCl抑制性能對比Table 4 Comparison of the inhibitors performance between CPI and KCl

注：清水時鉆屑滾動回收率為5.12%。

2.2 降低鉆井液活度

由于泥頁巖是一個非理想的半滲透膜，鉆井過程中水敏性泥頁巖與鉆井液接觸時的水化作用是導致泥頁巖地層井壁不穩定的重要原因之一。當鉆井液活度低于地層水活度時，鉆井液活度與地層水活度比值越小，越有利于井壁的穩定。其關系[9-11]如下式：

(1)

式(1)中：Jr為滲透通量，cm3/s；K為滲透率，mD；ρ為鉆井液密度，g/cm3；x為滲透介質厚度，cm；μ為鉆井液黏度，mPa·s；Δp為孔隙凈壓力，MPa；σ為半滲膜效率，無因次；R為氣體常量(比例常數)，J/(mol·K)；T為溫度，K；Vw為水的摩爾體積，L/mol；a1為頁巖中水的活度，無因次；a2為鉆井液濾液活度，無因次。

從式(1)可以看出：當a1/a2值足夠大時Jr<0，此時地層水向鉆井液中運移；反之，Jr>0，鉆井液通過半滲透膜向地層中運移，易使泥頁巖水化膨脹。當a1=a2時，正常鉆井過程中Jr仍然大于0。所以,在鉆井安全窗口的允許下，應盡可能降低鉆井液的活度a2值，使滲透壓足夠大，降低Jr值，從而減少鉆井液濾液滲入地層，達到保護井壁，抑制泥頁巖水化的目的。

根據文獻[9-11]，降低鉆井液體系的活度最有效最直接的方法就是增加鹽的含量，達到降低體系活度的目的。實驗研究了NaCl、KCl、NH4Cl、MgCl2、CaCl2等無機鹽溶液活度與滾動回收率的關系(表5、6)，結果表明：鹽溶液活度是隨鹽的質量分數增加而遞減的，在同一質量分數下，MgCl2對溶液水活度的影響相對較大，但其溶液的露頭土滾動回收率較低；而飽和CaCl2溶液活度低至0.254，在眾多無機鹽中效果最佳，這主要是同一溫度下CaCl2在水中溶解度最大導致的，但是CaCl2不足之處在于其與大多數鉆井液不配伍。

表6 不同濃度鹽溶液頁巖的滾動回收率Table 6 Recovery of shale in the case of different salt concentrations

頁巖滾動回收率與鹽溶液活度之間的關系如圖3所示，可以發現KCl、NH4Cl比NaCl、CaCl2更能有效地抑制頁巖分散，這是由于K+和NH4+能夠進入到黏土和頁巖的晶層間而起到鑲嵌作用，促使黏土顆粒鏈接在一起，從而抑制了頁巖在水中的膨脹和分散；而CaCl2和NaCl抑制頁巖分散作用的機理不同于KCl和NH4Cl。從圖3可以看出，頁巖回收率與NaCl、CaCl2的水相活度之間存在著線性函數關系，這表明NaCl和CaCl2主要是通過阻止水進入頁巖顆粒而起作用，并不是通過與頁巖中的黏土發生離子交換而起作用。由于CaCl2溶液使用受限(鉆井液中要求較低的鈣離子濃度)，在使用傳統抑制劑KCl以及新型陽離子抑制CPI的同時，配合使用NaCl來降低鉆井液活度，可在避免大量鉀離子硬化井壁的同時，合理控制鉆井液的抑制性，達到穩定井壁的效果。

圖3 頁巖滾動回收率隨鹽溶液活度變化曲線Fig .3 Curve graph of shale recovery changes with salt solution activity

3 現場應用

錦州25-1南油田A區塊所鉆A6、A11、A12、A19、A28井等5口井φ311.15 mm井段井壁失穩、坍塌嚴重，尤其東營組脆性頁巖剝落嚴重，造成起下鉆困難，平均倒劃眼速度僅達到62.2 m/h，因井壁失穩導致鉆具阻卡時間占總工期的23.5%。后期該油田E、C區塊共26口井鉆井作業中，通過采用“適度抑制+活度平衡”的思路，基本解決了井壁穩定問題。例如，E15H、E21H、E3H、E25、C4、C36、C15井等7口井φ311.15 mm井段使用高效攜巖鉆井液鉆進，其配方為3.0%海水膨潤土漿+0.3%NaOH+0.3%Na2CO3+0.5%VIF(多糖聚合物)+降失水劑+封堵材料+0.3%PLH(包被劑)+3%JLX-C(聚合醇)+1.5%KCl+12%NaCl+CPI(根據鉆井情況控制用量)，采用重晶石加重至所需密度。據統計，這7口井平均倒劃眼速度達到116.12 m/h(已超過開鉆前制定的基礎目標90 m/h)，較之前A區塊5口井平均倒劃眼速度提高86.7%，共節約工期20.4 d，提效15.57%(表7)。

表7 錦州25-1南油田E、C區塊7口井倒劃眼速度及工期統計Table 7 Backreaming statistical of 7 wells of platform E and C in JZ25-1S oilfield

注：E25井修頂驅、電路故障、儀器故障共計花費工期14 h。

4 結論

1) 錦州25-1南油田井壁失穩的主要原因是地層巖性易水化膨脹，鉆井液抑制性不強。

2) 鉆井液性能的研究結果表明：傳統KCl抑制劑雖然具有很強的抑制性能，但是過多的K+會造成井壁硬化而引起卡鉆等事故，無法從根本上穩定井壁；新型抑制劑CPI在鉆井液中可以通過靜電吸附于黏土顆粒的表面，通過中和黏土表面的負電荷而起抑制作用，復配KCl滿足適度抑制的特點；無機鹽NaCl的抑制機理不同于KCl，根據活度平衡理論,NaCl主要是通過降低鉆井液濾液的活度，阻止水進入頁巖地層而起作用。因此，通過復配使用傳統抑制劑KCl以及新型陽離子抑制劑CPI可以達到適度抑制的效果，并結合使用NaCl來降低鉆井液活度，在避免大量K+硬化井壁的同時，可以合理控制鉆井液的抑制性，達到穩定井壁的效果。

3) 采用“適度抑制+活度平衡”的思路，在錦州25-1南油田E、C區塊共26口井進行了現場應用，井壁失穩問題得到了控制，提高了鉆井作業時效，保障了井下作業安全。

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(編輯：周雯雯)

Research and application of borehole stabilization technology in JZ 25-1S oilfield

CHEN Qiang WEI Zilu LEI Zhiyong

(COSLOilfieldChemicalsDivision,Tianjin300451,China)

In order to solve the problems of stuck-pipe during tripping and difficult back-reaming caused by wellbore instability ofφ311.15 mm hole interval in JZ 25-1S oilfield, the technical approach of “moderate inhibition+balanced activity” was proposed and adopted. Two inhibitors (KCl and CPI) were used to achieve moderate inhibition; meanwhile, based on the theory of balanced activity NaCl was added to reduce drilling fluid activity and improve film effect, preventing filtration into the formation. The swelling and sloughing tendency of shale formations was decreased, hence stabilizing the borehole wall effectively. The approach does not only solve the problems of stuck-pipe during tripping caused by borehole-wall hardening (due to overmuch K+) in the hole section of Guantao and first member of Dongying Formation, but also solve the sloughing problems caused by insufficient inhibition in the hole section of Dongying and Shahejie formations. The findings here has important guiding significance for ensuring safety and optimization of drilling, and short rig time for other oilfields in Bohai Bay.

JZ 25-1S oilfield; borehole instability; stuck-pipe during tripping; difficult back-reaming; drilling fluid; moderate inhibition; balanced activity

陳強，男，工程師，2007年畢業于長江大學應用化學專業，現從事鉆井液技術研究工作。地址：天津市濱海新區塘沽海洋高新區黃山道4500號中海油服天津產業園(郵編：300451)。E-mail:chenqiang12@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0095-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.016

TE28

A

2016-10-18 改回日期：2017-03-16

陳強,魏子路,雷志永.錦州25-1南油田井壁穩定技術研究與應用[J].中國海上油氣，2017,29(3)：95-100.

CHEN Qiang,WEI Zilu,LEI Zhiyong.Research and application of borehole stabilization technology in JZ 25-1S oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):95-100.