蘇里格硬脆性泥巖地層井壁失穩機制及鉆井液技術對策

王麗君

中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010

蘇里格區塊石盒子組與山西組發育有硬脆性泥巖，該類泥巖具有楊氏模量大、坍塌壓力小的特點。由于長期開采，地層處于虧空狀態，難以依靠提升鉆井液密度來維持井壁穩定［1-4］。為提高致密砂巖儲層的開采效率，蘇里格地區逐年提高水平井的數量。水平井在造斜段及水平段鉆遇硬脆性泥巖極易發生井壁失穩問題，通常需要反復劃眼，嚴重時甚至需要填井側鉆［5-8］。井壁失穩問題是制約蘇里格區塊水平井鉆井效率的首要因素，通過提高井底壓力維持井壁穩定不適用于處于虧空狀態的蘇里格區塊［9-10］。因此，通過研究該區塊井壁失穩機制，優選適用于硬脆性泥巖的微納米封堵劑、抑制劑，優化鉆井液性能，進而改善井壁穩定性。

1 實驗部分

1.1 藥品及儀器

納米聚合物MAT，長城鉆探工程有限公司盤錦石油化學公司；磺甲基酚醛樹脂SMP-Ⅱ、聚胺、低黏度聚陰離子纖維素PAC-LV，山東得順源石油科技有限公司；胺基硅醇、聚合醇，湖北漢科新技術有限公司。

X 線衍射儀，北京普析通用儀器有限責任公司；掃描電鏡，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；HTP-2A 型高溫高壓膨脹儀，青島森欣機電設備有限公司；YE-300 型液壓式壓力實驗機，北京中儀友信科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 井壁失穩機制分析

首先，通過X 線衍射儀進行XRD 衍射實驗，分析蘇里格區塊石盒子組和山西組泥巖礦物成分以及黏土礦物成分，從礦物成分分析蘇里格區塊泥巖膨脹性。然后，采用高溫高壓膨脹儀分別測試石盒子組泥巖、山西組泥巖以及膨潤土在100 ℃、3.5 MPa 條件下的高溫高壓膨脹性，分析蘇里格區塊石盒子組和山西組泥巖高溫高壓膨脹性能。最后，將巖樣浸泡在水中一定時間，通過掃描電鏡觀察泥巖微裂縫隨時間浸泡的變化情況，分析蘇里格區塊石盒子組和山西組泥巖的井壁失穩機制。

1.2.2 壓力傳遞實驗

壓力傳遞實驗裝置如圖1 所示。該實驗裝置由溫度傳遞與控制系統、高溫高壓釜體、流體循環系統、液壓控制系統、數據采集與控制系統組成。將巖心裝置在高溫高壓釜體內，通過壓力控制系統在泥巖巖心兩端建立壓差，巖心上游為實驗流體，壓力為4.2 MPa，巖心下游為4%（質量分數）NaCl 模擬地層水，壓力為0.7 MPa。在100 ℃、3.5 MPa壓差條件下驅替實驗流體，數據采集系統通過壓力傳感器檢測巖心下游壓力變化。

圖1 壓力傳遞實驗裝置

1.2.3 內聚力表征實驗

通過YE-300 型液壓式壓力實驗機測試未經浸泡巖心的抗壓強度，然后將同一塊巖樣上的巖心在不同抑制劑的1%溶液中浸泡24 h，再測試巖心的抗壓強度。因為抗壓強度會有不同程度的減弱，而巖心抗壓強度減弱程度越低，該抑制劑的抑制性能越強。

2 結果與討論

2.1 井壁失穩機制

2.1.1 泥巖物性分析

石盒子組與山西組泥巖的礦物成分及黏土礦物成分如表1～2 所示。由表1～2 可知：石盒子組和山西組易塌泥巖以石英石和黏土礦物為主，且黏土礦物均以伊利石和伊-蒙混層為主，基本上不含水化膨脹性能較高的蒙皂石。石盒子組泥巖伊利石含量高于伊-蒙混層，山西組泥巖伊-蒙混層含量高于伊利石，兩個地層的伊-蒙混層中伊利石層占主要部分。從石盒子組和山西組的泥巖物性分析可以判斷，石盒子組和山西組易塌泥巖水化膨脹性能不高。

表1 石盒子組與山西組泥巖礦物成分分析

表2 石盒子組與山西組泥巖黏土礦物成分分析

2.1.2 高溫高壓膨脹性能分析

考察石盒子組與山西組泥巖的高溫高壓膨脹性能，結果如圖2 所示。由圖2 可知：石盒子組泥巖高溫高壓膨脹率約為10%，山西組泥巖高溫高壓膨脹率約為15%，而膨潤土的高溫高壓膨脹率高達48%。由此可見，蘇里格地區石盒子組泥巖與山西組泥巖在高溫高壓條件下具有一定的膨脹性，但膨脹性能不高。

圖2 石盒子組與山西組泥巖的高溫高壓膨脹性能

2.1.3 微裂縫隨浸泡時間變化情況

考察浸泡時間對泥巖微裂縫的影響，結果如圖3 所示。由圖3 可知：隨著浸泡時間延長，巖樣表面裂縫越來越多，且逐漸延長增寬。這說明鉆井液濾液可以沿著泥巖微裂縫、微孔隙侵入地層，但是沿著裂縫侵入的阻力小，侵入量更大，裂縫面的水化膨脹程度大于泥巖其他部位。這主要是因為膨脹不均使得膨脹壓撐開裂縫，且逐漸加劇，最終導致泥巖沿著裂縫面剝落掉塊。

圖3 泥巖微裂縫隨浸泡時間的變化

2.2 鉆井液技術對策

雖然蘇里格區塊石盒子組與山西組泥巖水化膨脹率不高，但是微裂縫發育會造成水相侵入泥巖導致膨脹不均，形成的膨脹壓撐開裂縫，最終導致泥巖剝落掉塊。因此，蘇里格地區防塌重點主要有兩方面：1）增強鉆井液的微納米封堵能力，由于硬脆性泥巖層理發育，孔縫屬于微納米級別，提高鉆井液的微納米封堵性能可以從源頭上減少水相侵入；2）提高鉆井液濾液的抑制性能，優選小分子或鹽類抑制劑，確保抑制劑能夠隨濾液進入微裂縫，進而降低裂縫面的水化膨脹程度，提高井壁穩定性能。

2.2.1 微納米封堵劑優選

通過室內實驗優選一種納米微球MAT，其粒徑分布如圖4 所示。由圖4 可知：MAT 粒徑分布在0.1～0.3 μm，其粒徑中值（D50）為0.175 μm。而硬脆性泥巖的微裂縫尺寸一般為10～100 μm［10］，可見，MAT 可以進入微裂縫中填充封堵，以減少濾液的侵入以及壓力傳遞作用。

圖4 納米微球MAT的粒徑分布

通過壓力傳遞實驗評價納米微球MAT 的封堵性能，具體實驗體系有2 個，其一是2%膨潤土+1%SMP-Ⅱ（磺甲基酚醛樹脂）；其二是2%膨潤土+1%MAT（納米微球），結果如圖5 所示。由圖5 可知：使用SMP-Ⅱ號液體后巖心下游壓力上升了約1.9 MPa，而使用MAT 液體后巖心下游壓力上升了約1.1 MPa。由此可見，與常規封堵劑SMP-Ⅱ相比，納米微球MAT 對泥巖具有較好的封堵效果，可以大幅度降低濾液在泥巖中的壓力傳遞效果。

2.2.2 抑制劑優選

通過室內實驗優選一種抑制劑胺基硅醇，考察它對泥巖表面親水性能的影響，結果見圖6。由圖6 可知：經胺基硅醇水溶液浸泡晾干后，泥巖的表面呈疏水性，可以降低泥巖的水化膨脹效果。這是因為該抑制劑在傳統胺基抑制劑的基礎上引入了硅羥基，硅羥基可以吸附在泥巖表面改變泥巖表面的親水性能。

圖6 水在未經處理和經胺基硅醇處理泥巖表面的潤濕狀態

改善硬脆性泥巖抑制性能的重點在提高巖石強度，避免其失穩掉塊。因此，通過巖石內聚力表征實驗評價胺基硅醇的效果，結果如圖7 所示。由圖7 可知：在不同抑制劑水溶液浸泡后的泥巖中，胺基硅醇水溶液對泥巖的強度破壞最小，說明胺基硅醇具有較強的抑制性能。

圖7 泥巖巖心在不同抑制劑水溶液中浸泡后的強度變化

2.2.3 鉆井液配方

通過以上封堵劑和抑制劑兩種關鍵處理劑的優選，室內構建了一套適用于蘇里格區塊的納米封堵高效抑制鉆井液體系，具體配方為清水+0.3%NaOH+0.5%PAC-LV+1%MAT（納米微球）+1%胺基硅醇+2%SMP-Ⅱ+2%磺化瀝青+3%KCl，用NaCl調節密度至1.2 g/cm3。

按照配方配制鉆井液并在100 ℃條件下熱滾16 h，通過壓力傳遞實驗與內聚力表征實驗評價該體系的封堵性能和抑制性能，并對該體系的流變性和濾失性能進行綜合評價，結果見表3。由表3 可知：該體系具有較好的流變性和抑制性，對泥巖具有較好的抑制性能和封堵性能。

表3 鉆井液綜合性能評價

2.2.4 現場應用

將納米封堵鉆井液體系在長城鉆探蘇里格氣田分公司蘇53-X井進行了現場應用。蘇53-X井井深4 705 m，水平段長為1 200 m，目的層為山西組，水平段砂巖鉆遇率為77.42%，該井完井周期為51.65 d。2022 年蘇53 區塊施工的水平井平均砂巖鉆遇率為86.66%，平均完井周期為74.95 d。納米封堵高效抑制鉆井液體系在蘇53-X 井進行應用，泥巖鉆遇率高于平均值，而完井周期遠低于平均值，說明該鉆井液體系對于該區塊泥巖具有較好的防塌效果。

3 結論

1） 蘇里格區塊石盒子組與山西組泥巖水化膨脹性雖然不高，但是濾液會沿著微裂縫侵入泥巖內部，裂縫面的膨脹程度高于其他部位；膨脹不均產生的膨脹壓撐開裂縫，造成巖石結構強度降低，導致石盒子組與山西組鉆井過程中極易發生井壁失穩。

2） 納米微球MAT 能夠有效封堵泥巖的微裂縫，減緩濾液的壓力傳遞作用，避免因壓力傳遞中井筒與井壁之間的壓差降低而導致井壁失穩。

3） 胺基硅醇能夠降低泥巖表面的親水性能，在傳統聚胺抑制劑的基礎上進一步加強了抑制性能，能夠有效抑制泥巖的水化膨脹，減少因鉆井液浸泡導致巖石強度降低的程度。

4） 室內構建的納米封堵高效抑制水基鉆井液體系具有較好的流變性、濾失性、封堵性、抑制性等性能，在蘇53-X井取得成功應用。