準噶爾盆地中部4區塊井壁失穩機理研究

李 蕾，王旭東，王 俊，楊龍波

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

新疆準噶爾盆地中部4區塊位于中央坳陷昌吉凹陷東段，勘探面積2 891.7 km2。該區塊在鉆探過程中，普遍存在嚴重的井壁失穩、坍塌掉塊所導致的卡鉆等井下復雜情況的問題，嚴重影響了鉆井工程進度和工程安全，增加了鉆井成本[1-2]。統計了準中4區塊已完鉆井出現的復雜情況，平均卡鉆次數為2.75次，多位于頭屯河組，該地層巖性為細砂巖、粉砂巖和泥質砂巖不等厚互層，屬硬脆性、弱膠結地層。本文在分析該區塊已鉆完井卡鉆復雜情況發生特點的基礎上，利用X射線衍射、巖石鑄體薄片鑒定和電鏡掃描等分析測試手段，對該區塊失穩井段巖樣的結構和理化性能進行了系統分析，深入地研究了該區塊井壁失穩機理。

1 地層巖石組分分析

1.1 X射線衍射分析

利用D/max-ⅢA X-射線衍射儀分析了準噶爾盆地中部4區塊董7井、董701井和董11井主要垮塌井段頭屯河組巖樣的全巖礦物組分和黏土礦物相對含量，如表1所示。

表1 X-射線衍射礦物組分分析結果

由表1的測試結果可知，準中4區塊頭屯河組地層為硬脆性泥頁巖，以黏土礦物、石英、鉀長石和斜長石為主，其中黏土礦物中伊/蒙混層含量最高，蒙脫石以與間層黏土礦物伴生的形式存在。伊蒙混層吸水膨脹，由于伊利石和蒙脫石膨脹程度不同，造成其周圍的泥頁巖受力不均，致使井壁垮塌。

1.2 巖石鑄體薄片鑒定

巖石鑄體薄片鑒定是研究巖石中真實孔隙大小分布的一種方法，在偏光顯微鏡下對鑄體薄片可以進行巖石顆粒接觸方式、顆粒粒度、顯微構造以及碎屑顆粒識別等方面的觀察和鑒定[3]。選取準中4區塊董8井4 153 m處屯頭河組典型巖心樣品進行巖石鑄體薄片鑒定，如圖1所示。

由圖1可知，該層位地層薄片巖性分為四部分，圖1(a)的巖性為含泥質極細-細粒巖屑長石砂巖，碎屑顆粒以極細、細砂為主，細砂略多于極細砂，少量中砂，砂質成分主要為石英、長石、變質巖屑，少量火成巖屑和泥質巖屑，見隱晶碳酸鹽質砂屑等盆屑，顆粒間主要充填泥質，鱗片結構，和碎屑顆粒順層定向分布；圖1(b)的巖性為粉砂質泥巖，泥質鱗片結構，粉砂質主要見石英和長石，部分被泥質和隱晶灰質環邊，呈表鮞狀，部分同樣被泥質和隱晶灰質環邊；圖1(c)的巖性為泥質極細-細粒巖屑長石砂巖，泥質含量相對較高，鱗片結構，集中呈團塊狀分布，其余同圖A巖性；圖1 (d)的巖性為含泥質極細粒巖屑長石砂巖，砂質成分以極細砂為主，少量粗粉砂，成分主要為石英、長石、變質巖屑，少量火成巖屑和泥質巖屑，顆粒間主要充填泥質，鱗片結構，較均勻分布。該區塊頭屯河組泥質含量高，易發生水化膨脹及分散，且同時存在黏土礦物巖屑的無序分布，使水化作用加劇，在構造應力的作用下，井壁失穩加劇。

1.3 掃描電鏡成像分析

掃描電子顯微鏡在觀察黏土礦物的微觀形貌時，能夠看到真實、自然的形態特征，此外，還能提供孔隙內充填物的礦物類型、產狀、含量和孔隙結構等資料[5]。因此，利用S-4800冷場掃描電鏡針對準中4區塊容易出現垮塌、井壁失穩的頭屯河組，選取董7井、董701井和董11井典型巖心樣品進行了掃描電鏡分析，掃描結果如圖2～圖4所示。

從圖4可知，準中4區塊頭屯河組巖樣微裂縫和微孔隙發育，這為鉆井液濾液侵入提供了通道，為泥頁巖水化提供了水分空間；同時，可明顯觀察到蜂窩狀的伊蒙混層以及纖維狀的伊利石貼附于顆粒表面或填充于粒間孔隙中，表明黏土礦物發育。從掃描電鏡可以看出，該區塊頭屯河組巖樣裂隙及黏土礦物發育，水敏性較強。

2 理化性能分析

2.1 水化膨脹性能分析

選取準中4區塊董7井和董11井頭屯河組典型巖樣，將取得的巖樣粉碎過100目，分別測試其在去離子水中的8 h頁巖膨脹率，測試結果如表2所示。

由表2的測試結果可知，該區塊頭屯河組巖樣的頁巖膨脹率較低，其水化膨脹能力較弱，說明該地層由于埋藏深，黏土礦物主要以非膨脹性的伊利石為主，地層巖樣的可膨脹性下降，屬于硬脆性泥頁巖。

表2 頁巖膨脹率測試結果

2.2 水化分散性能分析

泥頁巖的水化分散性能與井壁失穩直接相關，它是宏觀評價泥頁巖井壁穩定性的重要指標之一，利用分散實驗可以了解巖樣的水化分散性能，也可以作為鉆井液對頁巖的抑制性評價手段[5]。同樣選取準中4區塊董7井和董11井頭屯河組典型巖樣，粉碎取2～5 mm巖樣，測試其在清水中的巖屑滾動回收率，評價頭屯河組巖屑水化分散性能，測試結果如表3所示。

由表3的測試結果可知，董7井巖樣巖屑滾動回收率較低，表明該井深處巖樣水化分散性很強，這是由于黏土礦物相對含量較高(29%)，且伊利石含量較高，伊利石在外來流體作用下易發生水化分散；董11井巖樣巖屑滾動回收率相對較高，表明該井深處巖樣水化分散性較弱，這是由于該地層黏土礦物相對含量較低(18%)，水化分散作用相對較弱。因此，結合水化膨脹性能結果可知，準中4區塊頭屯河組地層具有易水化分散弱膨脹的特點。

表3 巖屑回收率測試結果

2.3 比親水量測試

大量的實踐、實驗研究結果表明，泥頁巖地層失穩的主要原因之一是泥頁巖水化效應造成的，因此，泥頁巖水敏性評價對泥頁巖井壁穩定性的預測和診斷分析至關重要。以往傳統的利用總吸水量作為泥頁巖水敏性的直接評價指標，沒有考慮泥頁巖比表面積，因而其界面物理化學含義不太明確，與泥頁巖水化效應關聯也不夠確切[6]，因此，泥頁巖比親水量研究對井壁穩定機理研究具有十分重要的意義。

泥頁巖比親水量即每平方厘米表面積上吸附水的克數[6]，其表達式如下：

Sw=(1 cm2)×hw×ρ

(1)

式中：Sw為比親水量，g/cm2；hw為水化膜厚度，cm；ρ為吸附水密度，g/cm3。

由式(1)可知，當吸附水密度取近似值1.0 g/cm3，比親水量在數值上相當于泥頁巖表面水化膜厚度，即Sw≈hw，是衡量泥頁巖水化變形以及強度變化的本質特征指標[7]。

選取準中4區塊董7井和董11井頭屯河組典型巖樣，測試其比表面積和比親水量，測試結果如表4所示。

由表4測試結果可以看出，準中4區塊頭屯河組比親水量較高，泥頁巖水化膜較厚，表明其水化短程斥力較大，水化能較高，易產生掉塊、垮塌導致的井壁失穩。

表4 比表面積和比親水量測試結果

2.4 巖心五敏試驗

巖石敏感性，是指巖石的物性參數隨環境條件(溫度、壓力)和流動條件(流速、酸、堿、鹽、水等)而變化的性質[8]。本文中的巖心五敏試驗包括：巖心速敏試驗、巖心水敏試驗、巖心鹽敏試驗、巖心堿敏試驗和巖心酸敏試驗。巖石是由固體骨架顆粒和粒間孔隙構成的，如果外界條件改變時，骨架顆粒的尺寸和排列方式發生了變化，影響了地層的原生平衡狀態，就會對地層的穩定性造成影響，發生井壁失穩[9]。選取該區塊典型地層巖樣進行五敏試驗，評價結果如圖5所示。

從圖5可知，準噶爾盆地中部4區塊屬于強水敏性、中強堿敏性和鹽敏性、弱速敏性和酸敏性地層。因此，在鉆完井過程中應加強鉆井液的抑制性，以減少對井壁的沖刷和浸泡，有利于井壁穩定。

3 毛細管作用失穩

準噶爾中部4區塊頭屯河組地層中存在許多孔隙和微細裂縫，并且層理發育性強，這些層理、微裂縫及泥頁巖粒間裂隙為鉆井液濾液侵入提供了條件。當井眼被鉆開后，在壓差作用下，鉆井液濾液迅速侵入層理和微細縫，不但導致存在于碎屑礦物粒間裂隙處的黏土礦物發生水化作用，使粒間聯接力降低，同時也降低了裂縫弱面的表面摩擦強度，在外力作用下，不斷產生剝蝕掉塊；而且濾液將層理和微細裂縫潤濕后，會產生較大的正向毛細管壓力，在此壓力驅動下，水向層理和裂縫的深部運移，雖然不會迅速發生膨脹和變軟，但往往加劇泥頁巖的水化和分散，擴大泥頁巖水化面積，降低了泥頁巖的結合強度和層理面之間的結合力，使原處于閉合狀態的微細裂縫開啟，使原微開的裂縫擴張，進一步造成井壁失穩[10]。

4 工程因素的影響

4.1 攜巖效率的影響

準噶爾盆地中部4區塊頭屯河組地層坍塌壓力高，施工中井壁易出現掉塊，并且掉塊尺寸大，致密堅硬，鉆頭不易破碎，也不易攜帶出井眼。如果不能在井底將其破碎并攜帶出，極易在大尺寸鉆具處發生卡鉆。

4.2 起下鉆不當的影響

準噶爾盆地中部4區塊儲層埋藏深，地層壓力高，使用的鉆井液密度大，施工中產生的循環壓耗大，如開泵過猛，起下鉆速度過快，易造成井底激動壓力大，瞬間改變了巖石的平衡狀態，造成井壁失穩。

4.3 井深質量的影響

某些井井身質量差，定向過程中造成井眼方位變化大，狗腿度過大，易造成應力集中，加劇井塌的發生[11]。

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