張作清，竇金濤，付建國，蒲 杰，吳迎彰

（1.中國石化華東石油局測井公司，江蘇揚(yáng)州225007；2.西南石油大學(xué)研究生院，四川成都610500；3.中國石油西部鉆探工程公司準(zhǔn)東鉆井公司，新疆庫爾勒841000）

在鉆井中經(jīng)常會遇到井壁失穩(wěn)問題，尤其是在含有鹽膏巖、泥頁巖的地層中更為普遍，導(dǎo)致井壁坍塌、卡鉆、掉塊、井漏等一系列井下故障[1-4］，嚴(yán)重影響勘探開發(fā)的進(jìn)程，為此，國內(nèi)眾多學(xué)者做了大量研究，并取得了一定的成果。例如，梁大川等人[5］采用巖石力學(xué)性能測試的方法證明，在聚合物或聚磺鉆井液中加入抑制劑和封堵材料可以降低地層的坍塌壓力；孟慶生等人[6］用室內(nèi)試驗的方法，驗證了聚磺欠飽和鹽水鉆井液體系在塔河油田鹽膏層鉆井是可行的。但是這些研究大多都局限于單純的鹽膏巖以及泥頁巖地層，對于含有膏巖、泥巖和鹽巖的復(fù)合地層目前研究仍然很少，而英買力地區(qū)古近系地層上部膏泥巖伴有裂縫發(fā)育，膏巖和泥巖吸水膨脹使井壁更容易發(fā)生坍塌；而中部的鹽膏層，埋藏深，在上覆地層壓力的作用下，鹽膏層蠕動變形易造成縮徑卡鉆，鹽的溶解造成井徑擴(kuò)大，并影響鉆井液性能穩(wěn)定，含鹽泥頁巖中泥頁巖的水化分散和鹽的溶解更增加了井壁的不穩(wěn)定性[7-9］。針對上述問題，筆者對古近系地層井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了多方面的分析研究，為鉆井液體系的選擇和制定技術(shù)對策提供了理論依據(jù)。

1 地層特點

1）英買力地區(qū)上部膏泥巖段由于地質(zhì)運動作用，地層破碎程度高，存在微裂縫且膠結(jié)程度差，膏泥巖多伴有裂縫發(fā)育，水很容易沿裂縫進(jìn)入地層深處，使井壁周圍地層中的黏土礦物發(fā)生水化；膏巖具有吸水膨脹性，且存在裂縫，使井壁更容易坍塌。泥巖遇水極易發(fā)生水化膨脹，造成膏泥互層或含膏泥巖的分散、剝落，使井壁發(fā)生掉塊、坍塌[1］；同時，膏泥不等厚互層中層理、裂縫的存在，加上膏巖、泥巖的吸水膨脹性不同，更增大了井壁失穩(wěn)的風(fēng)險。

2）中部鹽膏層段的鹽巖在與鉆井液接觸時會發(fā)生溶解，造成井徑擴(kuò)大和鹽水侵，并直接污染鉆井液，影響鉆井液的性能；鹽巖在受到井下應(yīng)力作用時會發(fā)生塑性變形，造成縮徑。

2 巖石組分及理化性能分析

統(tǒng)計分析英買力地區(qū)鉆井井下故障發(fā)現(xiàn)，古近系上部地層鉆井井下故障頻發(fā)，幾乎每口井在該層段都會出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的情況，因此首先應(yīng)從巖石組分及理化性能角度研究膏泥巖段井壁失穩(wěn)的原因。

2.1 巖石組分分析

地層中所含礦物的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此首先對所含礦物尤其是黏土礦物的種類和含量進(jìn)行深入分析。利用X衍射儀對YM322-H4井古近系上部層段進(jìn)行了全巖礦物和黏土礦物組分分析，結(jié)果見表1和表2。

表1 YM322-H4井全巖礦物分析Table 1 Whole-rock mineral analysis for Well YM322-H4

表2 YM322-H4井黏土組分分析Table 2 Type and content of clay minerals in Well YM322-H4

從表1可以看出，古近系地層黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不高，膏泥巖段主要含有硬石膏，由于其具有很強(qiáng)的吸水膨脹性，所以其含量在某種程度上對井壁的穩(wěn)定性起到一定影響。另外，鉆進(jìn)膏泥巖層時鉆井液易被石膏污染，造成鉆井液性能不穩(wěn)定，使井壁更容易出現(xiàn)失穩(wěn)。

從表2可以看出，伊利石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次為伊／蒙混層和綠泥石，間層比為25%。當(dāng)鉆遇到含伊利石的泥頁巖時，井壁發(fā)生剝落掉塊，因此對鉆井液的抑制性和封堵性的要求較高。但該層段膨脹性黏土礦物含量并不高，可見井壁失穩(wěn)并不是由黏土礦物的吸水膨脹引起的。

2.2 膨脹性和分散性試驗

為了解古近系地層的水化膨脹性和分散特性，按照試驗標(biāo)準(zhǔn)在室內(nèi)對上述巖樣進(jìn)行了膨脹性和分散性試驗，結(jié)果見表3。

表3 古近系地層巖樣膨脹性和分散性分析Table 3 Expandable and dispersive analysis of core in Paleogene strata

從表3可以看出：巖樣的線性膨脹率普遍較低，且膨脹率隨時間變化不大；只有巖樣3的膨脹率略微偏高，這與其硬石膏含量和黏土礦物含量都普遍偏高有關(guān)，而這種關(guān)系在其他巖樣中并未出現(xiàn)?；厥章蕿?.0%～30.5%，處在較低的水平，可見該膏泥巖地層膨脹性較差，但較易分散。

由黏土礦物和理化性能試驗結(jié)果可知：伊利石是英買力區(qū)塊古近系上部膏泥巖層段的主要黏土礦物，伊／蒙混層含量較少，而伊利石的膨脹性差，屬于弱膨脹性黏土礦物，因此黏土礦物的膨脹性對井壁失穩(wěn)的影響較小。

3 鉆井液技術(shù)措施

3.1 技術(shù)難點

由于構(gòu)造運動作用，古近系上部膏泥巖段地層破碎，巖塊間膠結(jié)程度差，且膏巖、泥巖裂縫發(fā)育，在鉆井液的壓力下極易沿裂縫進(jìn)入地層深部，不僅增加了井漏風(fēng)險，也使巖石內(nèi)部的孔隙壓力增大，膏泥巖內(nèi)部的膨脹壓力增強(qiáng)引起巖石破碎，造成井壁剝落和垮塌[10-11］。因此，在選擇鉆井液時，一方面，必須盡可能地阻止鉆井液中的水相進(jìn)入膏泥巖的裂縫中，即鉆井液中要有快速、有效的封堵材料；另一方面，必須增強(qiáng)鉆井液體系的抑制性，降低泥頁巖的水化分散程度，即鉆井液要有強(qiáng)的抑制劑[3-4］。此外，從全巖分析可以看出，在鉆進(jìn)時鉆井液極易被石膏污染，Ca2＋的質(zhì)量濃度對鉆井液性能的影響很大[3］，因此鉆井液中要加入適當(dāng)?shù)目光}處理劑，并適當(dāng)提高鉆井液的pH值，增強(qiáng)鉆井液的抗Ca2＋污染能力[12-13］。

古近系中部的鹽膏層會給鉆井液性能造成影響。相鄰井井徑變化與鉆井液性能情況統(tǒng)計情況見表4。

表4 鹽膏層井徑變化與鉆井液密度、離子濃度的關(guān)系Table 4 Relationship among hole size，drilling fluid density and ion concentration in salt-gypsum formation

從表4可以看出：鹽巖層井段的井徑變化與鉆井液密度和Cl-質(zhì)量濃度有關(guān)，鉆井液密度增大能抑制鹽巖的蠕變變形，減小井徑的縮徑量；同時Cl-能控制鹽巖的溶解，若其質(zhì)量濃度過低，則加速鹽巖的溶解，使井徑擴(kuò)大。YM321-H1井的Ca2＋質(zhì)量濃度明顯高于其他2口井，鉆井液受到鈣侵，使其流變和濾失性能受到破壞，這也是該井段井壁失穩(wěn)的原因。從埋藏深度看，鹽膏層埋藏深，在高溫作用下鉆井液性能極易發(fā)生變化（如黏度、切力上升）[7，13-14］，這就要求鉆井液具有良好的抗溫性能。由此可見，在鉆遇鹽膏層時，鉆井液的密度、Cl-質(zhì)量濃度、Ca2＋質(zhì)量濃度和抗溫性能都是影響井壁失穩(wěn)的因素。

3.2 鉆井液體系的選擇

對古近系膏泥巖、鹽膏巖地層復(fù)雜巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究認(rèn)為，鉆井液除了具有較好的抗鹽、抗鈣污染、抗高溫能力外，還必須具有良好的流變性、穩(wěn)定性、抑制性及潤滑性能，只有這樣才能保證井壁穩(wěn)定和鉆井順利進(jìn)行[15-17］。這就要求必須選擇合適的鉆井液體系，還要進(jìn)行與該鉆井液相適應(yīng)的設(shè)計，并給出維護(hù)處理措施。針對該地層的特點，結(jié)合鹽膏層鉆井的技術(shù)和經(jīng)驗，根據(jù)設(shè)計要求和室內(nèi)試驗結(jié)果，確定采用KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液體系。

4 應(yīng)用實例

YM2-6井古近系上部地層使用聚磺鉆井液體系鉆進(jìn)時，出現(xiàn)了嚴(yán)重的井壁垮塌。為了降低井壁失穩(wěn)風(fēng)險，結(jié)合對英買力地區(qū)古近系井壁失穩(wěn)機(jī)理的研究和對現(xiàn)場鉆井液技術(shù)措施的分析，針對井壁穩(wěn)定中出現(xiàn)的問題，在鄰井YM2-H10井將鉆井液體系轉(zhuǎn)換為KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液體系，其基本配方為：3.0%～5.0%膨潤土＋0.2%～0.3%NaOH＋0.5% ～0.7%80A51-2＋0.2% ～0.4%MAN101＋0.2% ～0.3%NH4-HPAN-2＋3.0%SMP＋2.0%SPNH＋1.5%～2.0%PSC＋2.0%～3.0%FT-1A＋1.0% ～3.0% 潤 滑 劑 SY-A07＋3.0%～5.0%KCl＋7.0%～10.0%NaCl＋加重劑，基本性能見表5。

表5 YM2-H10井KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液性能Table 5 Performance of KCl-polysulfonate unsaturated brine drilling fluid for Well YM2-H10

YM2-6井和YM2-H10井古近系膏泥巖段井徑對比情況見表2。

表6 膏泥巖段不同鉆井液體系對應(yīng)井徑對比Table 6 Average hole enlargement ratio in gypsum mudstone section produced by different drilling fluids

從表6可以看出，YM2-H10井應(yīng)用KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液后，平均井徑擴(kuò)大率為8.2%，與YM2-6井相比，平均井徑擴(kuò)大率降低24.7百分點，井壁穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液中的K＋能夠抑制黏土礦物的水化，提高鉆井液的抑制性和防塌性能[13］，控制上部泥頁巖的垮塌。Cl-含量控制在合理的范圍之內(nèi)，能夠很好地控制中部鹽膏層的蠕變，維持井壁穩(wěn)定；同時大分子和中小分子聚合物使鉆井液有很好的抑制性和濾失控制性[18］。由于該區(qū)塊古近系埋藏深（超過3 700m），鉆井施工周期較長，因此要防止鉆井液老化，并嚴(yán)格控制固相含量，防止固相細(xì)分散[19-20］?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液體系能夠滿足英買力地區(qū)古近系地層井壁穩(wěn)定的要求，減小發(fā)生井下故障的風(fēng)險。

5 結(jié)論與建議

1）對英買力地區(qū)地層巖石結(jié)構(gòu)特點、組分及理化性能進(jìn)行分析，是指導(dǎo)該區(qū)塊古近系地層鉆井液體系選擇和維護(hù)處理的關(guān)鍵。

2）KCl-聚磺欠飽和鹽水鉆井液不僅能夠解決泥頁巖地層的坍塌掉塊問題，而且能很好地控制鹽膏層的蠕變和鹽層的溶解。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該鉆井液有效抑制了英買力地區(qū)古近系地層鉆井過程中井徑的擴(kuò)大，確保了井壁穩(wěn)定。

3）對于埋藏深的鹽膏層，有關(guān)適用的高密度、抗高溫鉆井液方面的研究及應(yīng)用較少，應(yīng)加強(qiáng)該方面的研究。

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