涇河油田頁巖油儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)機(jī)理研究

馮永超,李大雷

(中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院,河南鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地南部三疊系延長組長7段已探明十億噸級頁巖油大油田[1-3],其中中國石化華北油氣分公司在該區(qū)頁巖油總資源量7.46×108t,夾層型頁巖油1.83×108t,頁巖型頁巖油資源量5.63×108t,資源潛力巨大。長7段頁巖油儲(chǔ)層頁巖發(fā)育水平層理,且多存在含砂夾層,微裂縫發(fā)育,極易沿層理、裂縫剝落,鉆井過程中井壁失穩(wěn)嚴(yán)重[4-6],坍塌掉塊多,鉆井過程中遇阻遇卡頻繁,機(jī)械鉆速低,影響鉆井周期,嚴(yán)重制約了該地區(qū)的勘探開發(fā)進(jìn)程。本文針對鄂爾多斯盆地南部長7段頁巖地層鉆井過程中的井壁失穩(wěn)技術(shù)難題,開展頁巖地層礦物組分、微觀結(jié)構(gòu)和理化性能分析,揭示井壁失穩(wěn)機(jī)理[7-9],為今后該區(qū)長7段頁巖油安全、高效鉆進(jìn)提供技術(shù)保障[10-14]。

1 頁巖礦物組分及微觀結(jié)構(gòu)

1.1 巖心觀察

對彬X井三疊系延長組長7段(1 435～1 439 m)開展鉆井取心,巖心觀察可見,巖性以黑色紋層狀頁巖為主,夾雜大量砂巖夾層,泥頁巖層理明顯,順層理裂縫、夾層發(fā)育,裂縫肉眼可見,泥頁巖極易沿從層理形成的弱結(jié)構(gòu)面剝落。

1.2 X射線衍射礦物分析

取彬X井、涇河4井、涇河9井長7段頁巖巖心,利用X-射線衍射儀進(jìn)行全巖及黏土礦物相對含量分析,結(jié)果如表1所示:頁巖黏土含量為33%～45%,黏土礦物主要成分為伊/蒙混層和伊利石,伊/蒙混層含量為38%～52%,伊利石含量為30%～34%。鉆井液濾液侵入易引起伊/蒙混層水化膨脹分散,削弱地層膠結(jié)力,不同黏土礦物膨脹應(yīng)力不同,導(dǎo)致地層內(nèi)部應(yīng)力失去平衡,降低了地層強(qiáng)度,發(fā)生井壁坍塌[15]。

表1 涇河油田長7段頁巖礦物組成分析

1.3 頁巖微觀結(jié)構(gòu)

1.3.1 掃描電鏡觀察

取彬X井長7段1 437.88 m處頁巖巖心開展掃描電鏡分析,巖石表面層理結(jié)構(gòu)明顯,微裂縫與礦物排列和層理方向有關(guān),發(fā)育收縮型裂縫,由有機(jī)質(zhì)排烴收縮形成,多沿有機(jī)質(zhì)邊緣分布(圖1a～1c);鉆井液濾液沿層理、微裂縫進(jìn)入地層,為泥頁巖水化提供了水分。

1.3.2 薄片分析

取彬X井長7段1 437.50 m處頁巖巖屑開展鑄體薄片分析,結(jié)果如圖1d～1f所示,頁巖中發(fā)育了大量的微裂縫,根據(jù)微裂縫在薄片上的表現(xiàn)形式和產(chǎn)出狀態(tài),可分為3類:1)近似平行或平行于層理的微裂縫;2)任意產(chǎn)狀穿過層理的微裂縫,裂縫開度較大;3)充填微裂縫,主要是長石解理縫、石英裂紋縫。微裂縫、平行層理的存在給鉆井液侵入提供了空間,易發(fā)生水化作用,從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

1.3.3 CT掃描

利用CT掃描頁巖原始巖心柱,清水浸泡后的頁巖巖心柱、三軸壓裂后的巖心柱可見,原始巖心柱內(nèi)本身存在天然裂縫,經(jīng)過高溫清水浸泡后,部分巖石內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫,伴隨裂縫擴(kuò)展現(xiàn)象。經(jīng)過三軸壓裂的巖石破壞,其斷裂破壞特征明顯,均順層理產(chǎn)生大裂紋,發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞(圖1g～1i)。

綜合鑄體薄片和CT掃描,頁巖油儲(chǔ)層層理結(jié)構(gòu)明顯,且?guī)r石水化和壓裂變形破壞產(chǎn)生的裂縫方向多為順層理或與層理呈小角度方向。

綜上可知,長7段頁巖地層層理、裂縫發(fā)育,在順層理結(jié)構(gòu)和夾層交接處發(fā)育裂縫,且?guī)r石浸水和壓裂裂縫擴(kuò)展方向與層理結(jié)構(gòu)相關(guān)。在鉆井壓差、毛管力以及化學(xué)勢的作用下,水將沿微裂紋或裂縫侵入地層,一方面降低弱結(jié)構(gòu)面間的作用力,削弱頁巖的力學(xué)強(qiáng)度而導(dǎo)致井壁失穩(wěn);另一方面,鉆井液濾液侵入將產(chǎn)生水力尖劈作用,導(dǎo)致地層破碎,誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

2 頁巖理化性能

2.1 水化分散和膨脹性能

泥頁巖的水化分散和膨脹性能是宏觀評價(jià)泥頁巖井壁穩(wěn)定性的重要指標(biāo),選取彬X井頁巖段巖屑在80 ℃條件下進(jìn)行理化性能分析,結(jié)果如表2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,彬X井頁巖樣品本身的回收率達(dá)99.78%,在液體中的分散能力較弱,16 h膨脹率僅0～1.36%,膨脹性能較弱。

表2 滾筒回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 頁巖巖心膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

頁巖圓柱體巖心在高溫水浴箱(95 ℃)中浸泡48 h,取出后測量其軸向和徑向膨脹情況,結(jié)果表明,高溫清水浸泡后的巖心在徑向和軸向上少量膨脹。究其原因,軸向與層里的夾角會(huì)影響膨脹性,軸向與層理夾角為90°時(shí)膨脹量比夾角為0時(shí)大,因?yàn)閵A角為90°時(shí)層理多,水化從巖石軸向侵入巖石內(nèi)部,更容易達(dá)到巖石中心和遍布巖石各處,水化更充分。軸向與層理角度為0時(shí),徑向膨脹比軸向大;軸向與層理角度為90°時(shí),軸向膨脹比徑向大,因?yàn)閷永矸较蚰z結(jié)作用較弱,水化現(xiàn)象在此處變化最明顯,水化引起的膨脹在垂直層理、夾層等弱結(jié)構(gòu)面方向變化最大。

2.2 陽離子交換容量

陽離子交換容量(CEC)表示黏土礦物表面可交換的陽離子數(shù)量,反映了巖樣吸水能力的強(qiáng)弱,其陽離子交換容量越大越有利于泥頁巖表面水化[16]。選取彬X井、涇河4井、涇河9井頁巖巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明,頁巖油儲(chǔ)層段的陽離子交換容量為2.5～4.0 mmol/g,呈硬脆性弱分散特征(表4)。

表4 頁巖陽離子交換容量

綜合泥頁巖回收率實(shí)驗(yàn)、膨脹性實(shí)驗(yàn)、陽離子交換容量實(shí)驗(yàn)等,鄂爾多斯盆地南部長7段頁巖油儲(chǔ)層段巖石屬于弱水敏硬脆性頁巖,儲(chǔ)層巖石的水化能力雖然較弱,但因?yàn)榈貙訉永斫Y(jié)構(gòu)明顯、夾層多,導(dǎo)致水化影響區(qū)域較大;巖塊水化膨脹率較小(0.5%以下),但是垂直層理方向易變形并產(chǎn)生新的微裂縫,水化作用降低了巖石結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度,需要鉆井液具有一定的抑制能力。

2.3 頁巖水溶性鹽

儲(chǔ)層中各類鹽及含量會(huì)影響鉆井液性能,在設(shè)計(jì)優(yōu)化鉆井液時(shí)必須考慮地層中的含鹽特征。水溶性鹽總量通過蒸發(fā)巖粉溶液來測量,利用離子色譜儀分析巖粉溶液中的各種離子含量[17-19],實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示:各個(gè)井頁巖段的含鹽種類和總含量相近,總含量為0.4%～0.5%。其中SO42-含量最高,達(dá)到了366 mg/L,Ca2+、CO32-含量其次,以交換性Ca2+為主。鉆井液會(huì)遇到一定的Ca2+污染需及時(shí)除去,防止造成黏切及失水超標(biāo)。

表5 頁巖水溶性鹽分析數(shù)據(jù)

3 頁巖壓力剖面建立

為了保持井壁穩(wěn)定,結(jié)合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測井資料,擬合了動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系,得到巖石力學(xué)參數(shù)剖面。根據(jù)密度測井資料計(jì)算垂向地應(yīng)力,并改進(jìn)Newberry地應(yīng)力計(jì)算模型,開展水平地應(yīng)力計(jì)算,從而得到長7段頁巖地層三壓力剖面及地層安全密度窗口。計(jì)算結(jié)果可知:彬X井的破裂壓力和坍塌壓力梯度差值較小,為保證地層安全,鉆井液密度為1.12～1.15 g/cm3,地層層理結(jié)構(gòu)明顯,為保證鉆井安全的平均理想鉆井液密度為1.13 g/cm3。以彬X井的頁巖油儲(chǔ)層段進(jìn)行計(jì)算分析,根據(jù)實(shí)驗(yàn)、測井得到的實(shí)際地層參數(shù)(表6)對失穩(wěn)壓力及其控制因素進(jìn)行計(jì)算分析。

表6 彬X井頁巖油儲(chǔ)層段物性參數(shù)

假設(shè)最小地應(yīng)力方向?yàn)榫狈轿唤菫?時(shí)的方向,巖石本體剪切和滑動(dòng)失穩(wěn)破壞時(shí)井斜角為0～90°,井斜方位角為0～360°時(shí)刻畫不同地應(yīng)力方向頁巖坍塌壓力當(dāng)量密度分布云圖。如圖2所示,沿著最小地應(yīng)力方向鉆井時(shí),30°～40°井斜角出現(xiàn)了井壁最穩(wěn)定的區(qū)域。水平井布置在與最小地應(yīng)力呈20°～35°時(shí)井壁較穩(wěn)定。

圖2 綜合失穩(wěn)破壞井坍塌壓力當(dāng)量密度與水平段方位和井斜角關(guān)系

通過分析鉆井方向、井斜角、井斜方位角、層理產(chǎn)狀等因素對坍塌壓力的影響,得出以最小地應(yīng)力為正北方向,小地層傾角和低地層傾向的情況下,以最小地應(yīng)力方向鉆井井眼穩(wěn)定性最高。

4 結(jié)論

1)涇河油田長7段頁巖油儲(chǔ)層段屬于弱水敏硬脆性頁巖,井壁失穩(wěn)機(jī)理主要是水沿微裂紋或裂縫侵入地層,造成巖石弱結(jié)構(gòu)面破壞以及水化引起巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。其中,層里面水化降低了弱結(jié)構(gòu)面間的作用力,削弱頁巖的力學(xué)強(qiáng)度而導(dǎo)致井壁失穩(wěn),同時(shí)鉆井液濾液侵入層理微裂縫將產(chǎn)生水力尖劈作用,導(dǎo)致地層破碎,誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

2)長7段頁巖中的黏土含量可達(dá)45%,伊/蒙互層含量高,不同黏土礦物膨脹速率不同,產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力不同,導(dǎo)致地層內(nèi)部應(yīng)力失去平衡,降低地層強(qiáng)度,發(fā)生井壁坍塌等井下復(fù)雜情況。

3)長7段頁巖中鈣鎂離子含量較高,鉆井液會(huì)遇到一定的鈣鎂離子污染,若除去不及時(shí)則引起黏切及失水超標(biāo),導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。鉆井液需保持較低的失水能力、一定的水化抑制能力和抗鹽污染性能、較強(qiáng)的封堵能力,理想鉆井液密度1.13 g/cm3;并且配合多粒徑級配實(shí)現(xiàn)層理有效充填裂縫有效封堵、活度平衡阻止鉆井液中自由水向巖層運(yùn)移。