川西南部沙灣組-峨眉山玄武巖井段井壁失穩機理分析及應對措施

王星媛 ， 米光勇 ， 王強

（1.油氣田應用化學四川省重點實驗室，四川廣漢 618300；2.川慶鉆探鉆采工程技術研究院，四川廣漢 618300；3.西南油氣田分公司川西北氣礦，四川江油 621700）

四川盆地川西南部地區存在嚴重井壁失穩現象，垮塌卡鉆復雜頻繁發生，平均每口井發生1～2次卡鉆后側鉆，卡鉆處理復雜時間占總復雜時間的30.61%～40.47%。其中沙灣組、峨眉山玄武巖井段復雜處理時間占總復雜時間的14.15%～22.37%，為川西南部地區主要垮塌卡鉆層段。川西南部地區玄武巖屬于火成巖，巖體硬度不小于6級，按結構劃分為粒狀玄武巖、隱晶型玄武巖、杏仁狀玄武巖等，該類巖層鉆進時常發生井下垮塌掉塊，造成卡鉆、阻卡甚至側鉆[1-7]。針對沙灣組、峨眉山玄武巖井壁失穩技術難點，通過巖石特性分析及現場工況分析，對該段井壁失穩機理進行研究，并對該井段鉆井液防塌技術進行了探討分析[8]。

1 沙灣組巖石特性分析

1.1 裂縫分析

沙灣組泥巖微裂縫極為發育，且無充填或半充填裂縫發育較多，裂縫面之間力學強度弱。沙灣組泥巖巖屑黏土晶片發育良好，主要為蒙脫石或者是伊蒙混層礦物，具有較強的水敏性。采用超井深體式顯微鏡及SEM電鏡掃描對裂縫進行觀察及分析，發現沙灣組泥巖巖屑微裂縫較為發育，部分裂縫為無充填或半充填，部分裂縫為閉合裂縫（見圖1），鉆井液易侵入弱化膠結強度。

圖1 沙灣組泥巖巖屑（5014 m）電子掃描電鏡照片

1.2 水敏性分析

通過48 h浸泡實驗和電鏡掃描分析，對沙灣組泥巖孔隙形態、礦物類型、微裂縫及水敏性進行分析，結果見圖2和圖3。由此可知，沙灣組巖屑微裂縫、弱理面十分發育，巖石中存在大量蒙脫石向伊利石過渡的礦物，呈半蜂窩狀、棉絮狀，這些礦物屬于蒙脫石或者伊蒙混層，具有強水敏性[9-13]。根據D001-X1井沙灣組巖屑泡水（48 h）前后，發現川西南部地區沙灣組泥巖巖屑在浸泡48 h后膠結物全部溶解，泥巖基質分散、巖體強度嚴重弱化、失去承壓能力。

2 峨眉山玄武巖巖石特性分析

2.1 基體抗壓強度

選取Z井、H井峨眉山玄武巖開展室內三軸力學實驗，其中Z井峨眉山玄武巖微裂縫較為發育，裂縫縱橫交錯，H井峨眉山玄武巖巖樣表面較完善，發育有少數閉合縫（見表1）。

表1 Z井、H井峨眉山玄武巖巖樣三軸巖石力學實驗

由表1可知，H井峨眉山玄武巖巖石抗壓強度最高達到288.8 MPa，說明峨眉山玄武巖在無裂縫情況下基體本身具有較強的抗壓能力，而Z井峨眉山玄武巖抗壓強度普遍較低，最高為91.4 MPa，最小為36.6 MPa，為H井峨眉山玄武巖抗壓強度的13%，因此微裂縫密度及發育程度對峨眉山玄武巖力學強度有一定程度的影響。

2.2 杏仁狀-氣孔特質

根據川西南部地區峨眉山玄武巖巖樣及D001-X4井、D001-X3井返出巖屑外觀和實際工況，可以判定其為杏仁狀-氣孔類玄武巖。其中，杏仁體多由強度較低的方解石、綠泥石等組成，與玄武巖本體硬度差別較大，鉆井過程中受地層應力釋放、井下激動壓力及機械碰撞作用，杏仁體極易產生破碎，使玄武巖巖體產生大量裂縫，導致井壁失穩。而玄武巖中所保留的氣孔形態，若發育程度及連通情況較好，極易在鉆井過程中發生自然漏失。

2.3 水敏性

室內采用Z井巖心開展滾動回收率測試分析，結果如表2所示。由表2可知，川西南部地區峨眉山玄武巖滾動回收率高達94.96%～97.52%，水敏性較弱，說明水化作用不是峨眉山玄武巖井壁失穩的關鍵性因素。

表2 Z井巖心滾動回收率測試分析

3 井壁失穩工況分析

鉆井過程中井下發生應力性垮塌主要有2方面原因，首先是巖石本體具有較好的孔、洞、縫發育，巖石強度較低、膠結差，容易受外力作用或鉆井液侵入產生2次貫穿縫，使巖石本體產生大量碎塊；其次在受到井下機械碰撞、鉆井液沖刷等作用下，碎塊脫落至環空內，造成垮塌卡鉆。D001-X1井、D001-X3井、D001-X4井沙灣組、峨眉山玄武巖平均井徑擴大率為4.29%～15.52%，最大井徑擴大率為35.5%（見圖4）。根據D001-X1井、D001-X3井及D001-X4井現場工況（見表3）。沙灣組、峨眉山玄武巖容易發生井漏，施工1～7 d內發生嚴重的井下垮塌卡鉆事故，具有沙灣組發生小～惡性漏失、峨眉山玄武巖邊鉆邊漏的工程特征。分析認為，漏失容易造成鉆井液大量侵入地層內部，堵漏施工容易造成井底壓力波動及機械碰撞[8]。因此，在鉆進沙灣組后，應適當降低鉆井液密度，快速鉆穿沙灣組、峨眉山玄武巖，通過降低鉆井液濾失量、增強泥餅造壁性及泥餅黏彈性，進一步減緩井下鉆具碰撞、應力波動及鉆井液沖刷對易垮地層的影響。

表3 DXC構造沙灣組-峨眉山玄武巖現場工況

圖4 D001-X1、D001-X3、D001-X4井實鉆井徑擴大率

4 鉆井液應對措施

4.1 強封堵強抑制性鉆井液體系

根據沙灣組裂縫發育、水敏性強，峨眉山玄武巖杏仁狀-氣孔發育、應力性垮塌的特點，應加強鉆井液體系封堵性、提高隨鉆堵漏能力、增強泥餅對井壁吸附性及其黏彈性，提高護壁能力，改善鉆井液流變性及潤滑性，以降低鉆井液進入巖層程度并減緩井下激動壓力、機械碰撞、鉆井液沖刷對巖石本體的2次破壞。通過引入高效抑制劑CQ-SIA以延長沙灣組垮塌周期，篩選出適合用于沙灣組—峨眉山玄武巖的瀝青類防塌劑及聚合醇，通過“多元協同”效應，使鉆井液在井壁上形成一層具有防滲透和防沖刷能力的封堵層。鉆井液基本性能見表4。配方如下。

（0.5%～2.0%）膨潤土 +（0.5%～1.5%）PAC-LV+（5%～6%）SMP-3+（2%～3%）JNJS-220+（0.3%～1.5%）NaOH+（1%～3%）FT+（0.1%～0.3%）聚合醇+（0.4%～1%）CQ-SIA +（6%～8%）WND+（5%～10%）有機鹽+3%超細碳酸鈣+重晶石

表4 強封堵強抑制鉆井液體系的基本性能（150 ℃、16 h）

4.1.1 抑制性

通過高溫滾動回收率來評價強封堵強抑制鉆井液的抑制性。實驗結果表明，該鉆井液體系在150℃、16 h下松林露頭泥頁巖和沙灣組巖屑的滾動回收率達到90.20%及99.98%，對沙灣組巖屑具有較強的抑制性。

4.1.2 封堵性

在150 ℃、3.5 MPa壓差下對該鉆井液進行封堵性能進行評價[11]，結果如表5所示。

表5 強封堵強抑制鉆井液體系封堵性評價

由表5可知，強封堵強抑制鉆井液高溫高壓濾失量為3.6 mL，高溫高壓滲透漏失量為4.8 mL，砂床高溫高壓濾失量為4.4 mL。通過砂床滲透失水實驗可以看出，其可以對微小縫隙、孔洞具有較好的封堵能力。

4.2 專項封堵段塞體系

為避免在沙灣組—峨眉山玄武巖起下鉆、短提等容易造成機械碰撞和激動壓力、抽吸壓力的過程中發生垮塌、卡鉆事故，針對沙灣組—峨眉山玄武巖的易垮塌特點，制定了專項封堵防塌技術。對溫敏性封堵材料包括瀝青類、石蠟類、聚合醇類、樹脂類封堵劑、隨鉆堵漏劑及超細碳酸鈣進行配方篩選，通過PPA承壓封堵儀對配方進行封堵性評價，根據實驗結果發現，鉆井液+1.5%乳化瀝青類封堵材料+0.5%聚合醇封堵劑，能進一步提高鉆井液的封堵性，增強泥餅的韌性、致密性，對保證井下井壁穩定性具有積極的作用，結果如表6所示。

表6 專項封堵段塞配方封堵性評價

根據川西南部地區沙灣組—峨眉山玄武巖段鉆進實際工況分析，制定了專項封堵劑的施工工藝。①盡可能完全揭開峨眉山玄武巖，采用一次性專項封堵技術。實施前保持鉆頭在井底位置，向井內注入10～15 m3專項封堵劑后再起鉆至塞面以上，循環鉆井液4～6 h。②在峨眉山玄武巖層分2次實施專項封堵技術。每鉆進100～150 m注入10～15 m3專項封堵劑，將鉆頭起至塞面以上，循環鉆井液4～6 h。③沙灣組—峨眉山玄武巖每趟起鉆前，須先向井底注入5～10 m3專項封堵劑，再起鉆。

5 結論

1.川西南部沙灣組地層井壁失穩主要由于黏土礦物水化膨脹，蒙脫石或伊蒙混層礦物含量高，具有較強的水敏性，且有明顯裂縫，鉆井液侵入后弱化膠結強度，導致井壁失穩。鉆井液體系應具有快速封堵及強抑制能力，降低黏土礦物的水化膨脹率，降低鉆井液侵入地層能力，延長坍塌周期。

2.結合巖石失穩機理分析及現場工況分析，優選出一套適用于川西南部沙灣組-峨眉山玄武巖井段的強抑制、強封堵型鉆井液體系。該鉆井液的滾動回收率達 99.98%，FLHTHP為 3.6 mL，FL砂床為 4.4 mL。并設計了專項封堵段塞，制定了封堵段塞施工工藝。