渤海南部BZ34-3區塊井壁穩定性分析與鉆井液應用

馬 超，袁則名，孫曉飛，和鵬飛，陳振華，馬志忠

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；3.中海油服油田化學事業部塘沽作業公司，天津 300459）

1 地質特點及作業難點

BZ34-3區塊鉆遇的地層從上到下依次為：明化鎮上段、明化鎮下段、館陶組、東營組、沙河街組，含油層段位于新近系明化鎮組、東營組和沙河街三段。

該區塊東營組的總體構造面貌是一個被斷層復雜化的背斜構造，呈北東走向。受郯廬斷裂強烈的右旋張扭活動影響，油田范圍內斷層非常發育，在剖面上斷層主要為“Y型”斷層，平面上呈雁行式排列。因此，φ215.9 mm井段容易發生失返性漏失，且循環堵漏效果甚微，必須采用橋塞堵漏。在當前深度堵漏作業完成后，隨著新的地層被鉆開，又會發生漏失（兩個斷層的三角區域）（見圖1）。

圖1 地質剖面圖

該區塊沙河街組油藏埋藏較深，沙河街地層易坍塌。區塊前期鉆井表明：使用傳統的強抑制KCl體系不能克服井壁坍塌問題，倒劃眼憋壓、憋扭矩，嚴重影響時效，甚至發生卡鉆埋鉆具案例。但是，發生井壁坍塌時，由于上部存在漏失封堵點，為避免再次漏失，無法大幅提高鉆井液密度。對該區塊已鉆井作業進行復雜情況統計與分析（見表1），發現復雜情況多數發生于起下鉆，且振動篩處明顯可觀察到有片狀巖屑，井壁坍塌問題突出。

2 井壁穩定性分析

2.1 地層性質及強度

BZ34-3區塊的東營組與沙河街組以泥頁巖居多，巖性分析是由富含黏土礦物的微細顆粒所構成的沉積巖。由于地層的孔喉窄小（典型的孔徑范圍為3 nm～100 nm，且多數的孔徑為10 nm左右）導致低滲透率。通常利用破壞模型來預測井壁穩定[1，2]，莫爾-庫倫準則曲線（見圖 2）。

圖2 頁巖破壞的莫爾-庫倫曲線

假定在裸眼井眼內頁巖地層起初是穩定的，那么鉆井液所施加的應力、孔隙壓力、水化應力與膠結力應該處在平衡狀態，并且不超過其強度。因此需要確定合適的鉆井液密度來支撐井壁。由圖2可知，有效應力隨時間減小時，應力狀態將不斷地朝破碎方向移動，當達到莫爾圓與破壞包絡線相交時，即發生破裂。保持穩定的方法是增加鉆井液密度。但是，鉆井液密度的增加會使安全密度窗口不斷減少，最終超過破裂壓力，導致地層被壓裂而發生井漏[3，4]（見圖3、圖4）。

圖3 渤中34-3區塊沙河街組坍塌壓力

表1 BZ34-3區塊復雜情況統計

圖4 渤中34-3區塊沙河街組破裂壓力

根據圖3與圖4沙河街組坍塌壓力與破裂壓力研究可知：（1）坍塌壓力變化范圍 1.33 g/cm3～1.45 g/cm3；（2）破裂壓力變化范圍 1.60 g/cm3～2.05 g/cm3。但由于上部存在漏失封堵點，為避免再次漏失，無法大幅提高鉆井液密度。

2.2 頁巖內部傳遞過程

由于水與水合溶質的流動性在低滲透性并富含黏土的頁巖基體內具有差異，頁巖可能表現出半透膜的特征（見圖 5、圖6）。

圖5 頁巖井筒不同介質侵入深度的示意圖

圖6 頁巖內壓力傳遞與離子擴散速度

如圖5，從井筒中心到地層內部，壓力侵入深度超過溶質/離子侵入深度，溶質/離子侵入深度又超過濾液侵入深度。當使用過平衡水基鉆井液鉆進時，井壁附近地層的孔隙將被不斷“充壓”，在低滲透性頁巖內，孔隙壓力傳遞的速度比離子擴散的速度快一到兩個數量級。擴散到頁巖內的離子將會與黏土發生離子交換反應并改變頁巖的膨脹壓力，而傳遞到頁巖內的壓力將會增加孔隙壓力。這些變化都將影響頁巖的強度及其應力狀態，從而導致井壁失穩[5，6]。

2.3 井壁穩定策略

結合目前研究成果，能實現頁巖井壁穩定的物理化學方法是：（1）利用合適的鉆井液密度，提供徑向支承應力，以實現井壁的力學穩定；（2）防止鉆井液濾液的侵入與孔隙壓力的升高，及時維持徑向支承應力；（3）封堵頁巖孔喉，降低頁巖的滲透性；（4）提高鉆井液濾液黏度，降低濾液侵入頁巖的速度；（5）激發頁巖水向鉆井液的逆向滲透，降低井壁周圍頁巖孔隙壓力，從而增加頁巖的強度與有效應力；（6）在鉆井液中加入可擴散進入頁巖的溶質與黏土產生離子交換，減少頁巖的膨脹壓力[7]。

3 鉆井液體系機理

針對該區塊特點，采取本文上述井壁穩定策略，選用HIBDRILL體系鉆井液。該體系配方為（0.3%燒堿+0.3%純堿+1.5%FT-1+1%LPF+1%SMPC+1%FLOTROL+0.6%PAC-LV+5%COK+8%KCl+0.5%PLH），該體系利用了頁巖的“漏失半透膜”特征，采用低流動性的溶質提高膜的效率，甲酸鉀降低水的活度。從而可產生頁巖孔隙水流向鉆井液方向的滲透壓梯度。由此而產生的有效滲透壓力足以完全抵消鉆井液的平衡壓力并導致頁巖的脫水。該體系可同時降低膨脹壓力與孔隙壓力，從而使井眼更加穩定。

氯化鉀是在業內最著名的抑制劑。但它仍然存在缺點，難以防止濾液侵入以及鉆井液壓力在頁巖內的傳遞。即使是在飽和濃度下，氯化鉀溶液的黏度仍很低，接近水的黏度，因此不能有效地封堵孔喉或改變頁巖的滲透性。

表2 常用飽和鹽水活度

甲酸鉀體系的濾液黏度大，并可產生非常高的滲透壓。甲酸鉀還具有諸多優勢，可以減少頁巖膨脹壓力、降低頁巖含水量與頁巖孔隙壓力，特別適用于泥頁巖地層的鉆進作業（見表2）。

濁化或熱敏乳化型的聚二醇具有額外的穩定頁巖機理（見圖7）。

圖7 熱敏乳化型聚合醇的作用機理

聚二醇在水中表現出反向溶解性與濁點行為[8]。這說明，在低于某濁點溫度（CPT）時，它們是水溶性的；但當高于該溫度時，它們將發生相分離而形成乳狀液。這種效應可被用于穩定頁巖。一旦水溶的聚二醇進入頁巖后，較高的井底靜態溫度將其升溫并導致相分離而乳化。乳化后的聚二醇將阻礙鉆井液濾液與壓力的進一步侵入。從而，達到了穩定頁巖的效果。

利用聚合醇與鹽復配形成的鉆井液體系穩定頁巖的能力遠比它們的單獨使用時更為有效。聚合醇與鹽的協同效應可以大大地提高頁巖-流體的膜效率[9]，通過增加鹽度降低水相活度（低于地層流體活度），并提高頁巖膜效率來實現逆向滲透壓。由于低滲泥頁巖孔隙壓力增長較快（見圖8），利用聚合醇與鹽復配對泥頁巖井壁穩定最有效，通過產生逆向滲透壓（ΔP）延緩孔隙壓力增長的速度，進而延長井壁垮塌周期，穩定井壁。

圖8 高滲砂巖與低滲頁巖孔隙壓力變化規律

4 HIBDRILL體系現場應用

4.1 工程簡述

某井為BZ34-3區塊一口常規定向井，φ244.5 mm套管下深3 515 m，φ215.9 mm井段鉆進至4 128 m完鉆，完鉆層位屬東營組。該井φ215.9 mm井段采用HIBDRILL鉆井液體系開鉆，鉆進至3 840 m發生漏失，從3 840 m鉆進至4 128 m完鉆，期間持續漏失，經歷4次堵漏作業，歷時6 d。下φ177.8 mm尾管無阻卡，順利到位。

4.2 開鉆

按照HIBDRILL體系配方配制HIBDRILL鉆井液250 m3，配制完后，開啟剪切泵對鉆井液充分剪切循環，鉆井液替入井筒后，經鉆頭剪切循環一個周期，振動篩取樣，測試性能（見表3）。

表3 開鉆前鉆井液性能

該體系鹽度較高，利用生物聚合物XC與提切劑VIF按照1:3的比例復配，黏度、切力均滿足φ215.9 mm井段攜巖要求，鉆井過程中各項參數平穩，泥漿性能穩定，維護簡單。利用甲酸鉀與氯化鉀復配，降低鉆井液活度、降低濾液的有效黏度、提高鉆井液抑制性。利用聚二醇濁點效應封堵微裂縫（見圖9）。

圖9 振動篩返出巖屑

4.3 防漏與堵漏

該井的φ215.9 mm井段位于兩個斷層之間，漏失風險大，開鉆前，體系中加入0.5%SZDL防漏，鉆進至3 840 m，錄井監測返出液面降低，排除地面管線原因，判斷井下發生漏失，從3 840 m至完鉆（4 128 m），期間5次堵漏作業（見表4）。

獨特的地質構造使該井基本不能保證一次堵漏成功，隨著繼續鉆進，新的斷層又被揭開，本井陷入漏失-堵漏-鉆進-漏失-堵漏的循環中。持續堵漏作業導致：（1）多次加入堵漏材料并維持鉆井液中堵漏材料含量以及多次橋塞堵漏作業；（2）作業期間，泥漿泵排量低，巖屑不可避免分散進入鉆井液。完鉆前鉆井液性能（見表 5）。

表4 堵漏情況匯總表

表5 完鉆前鉆井液性能

雖然堵漏材料與巖屑顆粒分散進入鉆井液體系，從表5中不難看出，該體系穩定性較強，性能基本不受影響，具有很好的抗污染能力。

4.4 起下鉆與下尾管作業

由于井漏，加長了該井作業周期，加劇了該井井壁失穩風險。該井的短起下作業以及換鉆具長起作業，基本順暢，部分井段能直拔。起鉆下尾管，尾管順利到位，期間無任何阻卡，從進入新地層到下尾管順利到位，歷時9 d，說明利用該體系鉆井液，保證了泥頁巖地層的井壁的長期穩定性。

5 結論

（1）針對BZ34-3區塊的地質特點與作業難點，分析該區塊井壁失穩的原因，總結出實現頁巖井壁穩定的物理化學方法。

（2）根據HIBDRILL體系鉆井液不同組分的作業機理，得出該體系適用于BZ34-3區塊的φ215.9 mm井段。

（3）現場應用于某井取得了良好的效果。全井段未發生剝落掉塊、憋壓憋扭矩等復雜情況。堵漏液多次污染鉆井液的情況下，該體系依然保持穩定的性能。這表明在該區塊的批鉆作業中，可回收使用，有效降低作業成本，可推廣使用。