楊玉貴, 蔡文軍,2*, 幸雪松, 邢希金, 林海

(1. 中海油研究總院, 北京 100028; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院, 北京 102200; 3. 中海油天津分公司渤海石油研究院, 天津 300451)

渤海油田渤中區(qū)塊受走滑斷層伴生正斷層控制,該斷層特征導(dǎo)致斷層及其附近破碎帶多,地層破碎程度高,節(jié)理及微裂縫發(fā)育,井壁坍塌嚴(yán)重。由于地層坍塌造成了起下鉆阻卡,致使井下條件惡化,很可能引起抽吸、蹩泵等壓力復(fù)雜。抽吸會(huì)造成井底壓力波動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致井壁失穩(wěn);蹩泵造成鉆頭以下地層壓力驟然升高,非常容易造成地層破漏。統(tǒng)計(jì)分析了該區(qū)塊已完鉆的17口井的復(fù)雜情況。東下段及其以下地層的鉆井復(fù)雜主要為井壁坍塌掉塊引起的起下鉆遇阻,劃眼,卡鉆和漏失等一系列問(wèn)題。其中,東營(yíng)組至沙河街組阻卡次數(shù)大于20次的井?dāng)?shù)占40%;劃眼,倒劃眼長(zhǎng)度大于3 000 m的井占40%;處理復(fù)雜工況時(shí)間大于144 h的井占40%。

近些年,伴隨著深部油氣田的規(guī)?；@探開發(fā),深部破碎性地層的井壁坍塌問(wèn)題日益突出[1-5]。梁文利[6]從地質(zhì)、鉆井液、工程三方面,對(duì)涪陵破碎性泥頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行了綜合研究分析,認(rèn)為破碎性頁(yè)巖地層本身的力學(xué)不穩(wěn)定性是造成井壁失穩(wěn)的主控因素。歹震東等[7]通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)掃描、理化特征分析以及鉆井液對(duì)其力學(xué)特性影響等一系列實(shí)驗(yàn)方法,定量研究了影響南堡油田硬脆性泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的因素。林海等[8]針對(duì)渤中區(qū)域中深部泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定性問(wèn)題,基于線彈性理論和單一弱面準(zhǔn)則,建立了結(jié)合弱面結(jié)構(gòu)和泥巖水化作用的井壁失穩(wěn)機(jī)理模型。張亞云等[9]通過(guò)X射線衍射、掃描電子顯微鏡和滾動(dòng)回收率等一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn),建立了考慮多弱面效應(yīng)和力化耦合作用的破碎性地層井壁失穩(wěn)模型。王偉吉等[10]詳細(xì)分析了順北油氣田破碎性地層的井壁穩(wěn)定機(jī)理,認(rèn)為破碎性地層應(yīng)力敏感性強(qiáng),地層高角度裂縫易剪切破壞,同時(shí),地層膠結(jié)性差,多尺度微裂縫、層理等弱面結(jié)構(gòu)大量發(fā)育。

目前渤海油田破碎區(qū)的井壁坍塌機(jī)理仍不明確,為此,現(xiàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法和定量計(jì)算方法等技術(shù)手段,從地層特性,地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)和鉆井液性能等多維度,系統(tǒng)研究渤中區(qū)塊破碎性地層的井壁失穩(wěn)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,建立渤中區(qū)塊破碎區(qū)的坍塌壓力隨鉆井時(shí)間的變化模型,并針對(duì)破碎區(qū)的微裂縫封堵優(yōu)選納微米封堵材料,為該區(qū)域破碎性地層和其他區(qū)塊類似地層的井壁穩(wěn)定性分析和鉆前設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 渤中區(qū)塊地質(zhì)特征

渤海油田渤中區(qū)塊位于黃河口凹陷中央隆起帶,黃河口凹陷位于渤海南部,北側(cè)為渤南低凸起,南側(cè)為墾東-青坨子凸起和萊北低凸起,東部以營(yíng)濰斷裂帶東支為界,與廟西凹陷為鄰,西鄰埕北凹陷,西南側(cè)向沾化凹陷東部的樁西,凹陷總面積約3 300 km2,基底最大埋深約7 000 m。圖1為渤海油田渤中區(qū)塊的構(gòu)造剖面圖,由圖1可知,渤中區(qū)塊斷層眾多,地層內(nèi)破碎帶和微裂縫極其發(fā)育。本區(qū)地層從老至新依次發(fā)育有:下第三系沙河街組(E2s)和東營(yíng)組(E3d)、上第三系館陶組(N1g)和明化鎮(zhèn)組(N2m)及第四系平原組(Qp)。館陶組多為厚層砂巖夾薄層泥巖,泥質(zhì)膠結(jié)疏松;東營(yíng)組地層多為泥巖夾雜粉砂巖;沙河街組多為砂泥巖互層,泥巖含白云質(zhì)。

圖1 渤中區(qū)塊構(gòu)造剖面圖Fig.1 Structural profile of Bozhong block

2 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

2.1 破碎區(qū)地層特性

2.1.1 泥頁(yè)巖黏土礦物分析

選取BZ34-5-1和BZ34-5-P1兩口井的鉆井巖屑作為實(shí)驗(yàn)樣品,采用X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)方法定量測(cè)定了東三段和沙一段鉆屑的黏土礦物含量。采用亞甲基藍(lán)溶液測(cè)定了東三段和沙一段鉆屑的陽(yáng)離子交換容量(cation exchange capacity,CEC)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。泥頁(yè)巖黏土礦物含量為9.46%～51.24%。其中,泥巖黏土礦物均以伊/蒙混層和伊利石為主,伊/蒙混層占比63%～85%。同時(shí),東三段及以下地層泥頁(yè)巖還含有少量高嶺石,綠泥石,不含純蒙脫石礦物。CEC測(cè)試結(jié)果反映了泥頁(yè)巖吸水的能力。較大的CEC值對(duì)應(yīng)于較高的水化趨勢(shì)。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,東三段及以下泥巖地層為硬泥頁(yè)巖,陽(yáng)離子交換容量較低,為8.12～17.18 mmol/100 g,該段泥頁(yè)巖具有弱水化性質(zhì),有剝落趨勢(shì),由于其硬脆性特點(diǎn),微裂縫比較發(fā)育。

表1 東三段及以下地層泥頁(yè)巖理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of mud shale in the E3d3 and below Formation

2.1.2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

泥頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)一般采用電鏡掃描技術(shù)分析,通過(guò)電鏡掃描可以確定泥頁(yè)巖中裂縫的寬度、密度以及裂縫面的粗糙度和充填物等情況。結(jié)果如圖2所示,電鏡掃描表明泥頁(yè)巖較為致密,但粒間存在孔縫,孔縫寬度為2～6 μm,部分樣品泥質(zhì)間填充方解石。伊蒙混層成層狀或片狀,層面狀結(jié)構(gòu)以及粒間孔縫均有利于鉆井液滲流。水分子以滲流方式進(jìn)入裂縫,減弱泥頁(yè)巖的結(jié)合強(qiáng)度和裂縫面之間的結(jié)合力,從而導(dǎo)致泥頁(yè)巖沿平行裂縫面斷裂,造成剝落掉塊。

2.1.3 基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的地層完整性分析

井眼鉆開后,井周應(yīng)力會(huì)重新分配,部分不穩(wěn)定井眼會(huì)有掉塊剝落,從而形成橢圓形等不規(guī)則井眼,結(jié)合BZ34-3-1井雙井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),能夠?qū)Σ持袇^(qū)塊地層的完整性進(jìn)行定性分析,結(jié)果如圖3所示。C1為短軸井徑,C2為長(zhǎng)軸井徑,BZ34-3-1井雙井徑曲線顯示井眼長(zhǎng)軸井徑發(fā)生反轉(zhuǎn),見圖3中紅色虛線橢圓內(nèi)相交線條。同時(shí),該井段坍塌掉塊多為塊狀。因此,東下段及以下地層破碎,地層完整性差,不利于安全鉆井。

圖3 BZ34-3-1井雙井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistical analysis of the dual-diameter logging data of well BZ34-3-1

2.2 破碎區(qū)地質(zhì)力學(xué)特征

2.2.1 泥頁(yè)巖點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)

依據(jù)巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0276.23—2015,對(duì)BZ34-4-P3井東下段泥頁(yè)巖進(jìn)行了點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)樣品如圖4所示。對(duì)于泥巖地層,點(diǎn)載荷強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之間還存在一個(gè)修正關(guān)系。具體計(jì)算公式為

(1)

(2)

A=DW

(3)

UCS=19.10IS50～21.0IS50

(4)

式中:IS50為點(diǎn)載荷強(qiáng)度,MPa;P為樣品破壞時(shí)的總載荷,N;De為等效巖心直徑,mm;A為樣品的破壞面面積,mm2;W為樣品破壞面上垂直于加荷點(diǎn)連續(xù)的平均寬度,mm;D為樣品破壞面上兩加荷點(diǎn)之間的距離,mm;UCS為巖石抗壓強(qiáng)度,MPa。

(1)浸泡前巖塊強(qiáng)度。浸泡前東下段巖塊強(qiáng)度值如圖5所示,浸泡前巖塊強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值為25～65 MPa,其中出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間為35～45 MPa,屬于中等偏低強(qiáng)度地層。若地層的連續(xù)性好,鉆井過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重井壁失穩(wěn)的問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合測(cè)井資料對(duì)渤中區(qū)塊東下段地層抗壓強(qiáng)度縱向分布規(guī)律進(jìn)行了分析,東營(yíng)組地層抗壓強(qiáng)度為7～60 MPa,沙河街組地層抗壓強(qiáng)度為15～67 MPa。同一地層泥頁(yè)巖強(qiáng)度值跨度大,離散性強(qiáng),同樣表明地層內(nèi)部微裂縫發(fā)育。結(jié)果表明,該油田下部地層非均質(zhì)性強(qiáng),軟硬交錯(cuò),強(qiáng)度變化差別大,不利于井壁穩(wěn)定。

圖5 未浸泡巖塊的點(diǎn)載荷強(qiáng)度分布Fig.5 Point load strength distribution of unsoaked rock blocks

(2)浸泡后巖塊強(qiáng)度。將圖6中加工好的巖塊樣品在室溫條件下,浸泡在聚胺PEM水基鉆井液(鉆井現(xiàn)場(chǎng)正在使用的鉆井液體系)中,利用點(diǎn)載荷試驗(yàn)方法分別測(cè)定了巖塊浸泡1、2、4、7 d后,巖塊的抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。巖石強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間逐漸降低,后期下降幅度減緩。浸泡第7天,強(qiáng)度下降40.82%。并擬合了巖石強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系,結(jié)果如圖7所示。由于地層吸水性較弱,但對(duì)強(qiáng)度影響明顯,應(yīng)為裂縫吸水。同時(shí),破碎性地層不能自穩(wěn)定,如果井周地層中存在微裂縫面,任何形式的井壁失穩(wěn)都將引起井眼周圍發(fā)生嚴(yán)重坍塌。

圖6 浸泡PEM水基鉆井液后泥頁(yè)巖樣品強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.6 Strength variation of mud shale samples with time after soaking in PEM water-based drilling fluid

圖7 巖石強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系擬合Fig.7 Mathematical relationship fitting between rock strength and soaking time

UCS(t)=24.5+(41.4-24.5)erfc(0.51t)

(5)

式(5)中:UCS(t)為抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化函數(shù);t為巖石浸泡時(shí)間,d。

2.2.2 地層構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律

區(qū)域地應(yīng)力的分布規(guī)律與鉆井安全密切相關(guān),準(zhǔn)確的建立渤中破碎區(qū)域的地應(yīng)力縱向剖面,有助于井壁安全鉆井密度窗口的制定。盡管本區(qū)域地層斷層發(fā)育,但是地層構(gòu)造較平緩,因此,采用“六五模型”分析水平主應(yīng)力縱向分布規(guī)律。具體計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中:μ為泊松比;PP為地層孔隙壓力,MPa;α為有效應(yīng)力系數(shù);σZ為上覆地層壓力,MPa;σH為最大水平地應(yīng)力,MPa;σh為最小水平地應(yīng)力,MPa;ω1、ω2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

若已知地層破裂壓力數(shù)據(jù)、地層孔隙壓力、地層泊松比和抗拉強(qiáng)度,可以通過(guò)不同深度處的地層破裂壓力數(shù)據(jù)反算出水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

(8)

式(8)中:Pf為地層破裂壓力,MPa;St為地層抗拉強(qiáng)度,MPa;σZ為上覆地層壓力,MPa;μ為泊松比。

渤中區(qū)塊東下段及以下地層屬于正常壓力系統(tǒng),壓力系數(shù)為0.96～1.10 g/cm3。同時(shí),該區(qū)域已鉆井地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。求取的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)分別為0.625和0.295,并計(jì)算了渤中區(qū)塊東營(yíng)組至沙河街組地應(yīng)力分布規(guī)律,上覆巖層壓力當(dāng)量密度變化范圍為2.05～2.23 g/cm3;水平最大地應(yīng)力當(dāng)量密度變化范圍為1.92～2.07 g/cm3;水平最小地應(yīng)力當(dāng)量密度變化范圍為1.51～1.71 g/cm3。上覆巖層壓力和水平最大地應(yīng)力之間差值較小,但水平最小地應(yīng)力值較低,鉆井過(guò)程中坍塌壓力相對(duì)較高,容易引起鉆井液漏失。

表2 東下段及以下地層已鉆井地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of well-drilled leakage test data in the E3d3 and below Formation

2.3 鉆井液適應(yīng)性評(píng)價(jià)

2.3.1 泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)

參照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5613—2016-鉆井液測(cè)試泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法,分別評(píng)價(jià)了東下段巖屑在聚胺PEM水基鉆井液體系和海水中的滾動(dòng)回收率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。泥頁(yè)巖在海水中的滾動(dòng)回收率為80.13%,在泥漿中的滾動(dòng)回收率91.30%,東下段泥頁(yè)巖在鉆井液和海水中的滾動(dòng)回收率均比較高。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,泥頁(yè)巖基質(zhì)化學(xué)惰性強(qiáng),分散性能力差。同時(shí),泥頁(yè)巖在鉆井液中的分散性很小,幾乎可以忽略,對(duì)井壁穩(wěn)定影響不大。

圖8 東下段泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of rolling recovery rate of mud shale in the E3d3 Formation

2.3.2 泥頁(yè)巖膨脹性實(shí)驗(yàn)

參照SY/T 5613-2016試驗(yàn)方法,在105 ℃、15 MPa條件下,評(píng)價(jià)了東下段泥頁(yè)巖在淡水及聚胺PEM水基鉆井液體系中的HTHP膨脹率,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,東下段泥頁(yè)巖本身清水膨脹率較低,低于17%,在鉆井液抑制性作用下,巖心浸泡24 h后,巖心膨脹率低于3%。因此,泥頁(yè)巖水化分散性很低,鉆井液的抑制性滿足現(xiàn)場(chǎng)安全鉆井要求。

圖9 東下段泥頁(yè)巖膨脹性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of mud shale expansion in the E3d3 Formation

2.3.3 鉆井液封堵性評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)聚胺PEM水基鉆井液對(duì)東下段泥頁(yè)巖的封堵效果,在室溫下,將BZ34-6-A1井東下段泥巖浸泡在聚胺PEM水基鉆井液中7 d。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖10所示,鉆井液明顯滲入巖塊內(nèi)部,出現(xiàn)大量層狀裂紋,泥頁(yè)巖中孔縫發(fā)育。同時(shí),2.2.1節(jié)也表明,東下段泥頁(yè)巖在聚胺PEM鉆井液中浸泡7 d后,強(qiáng)度降低41.4%。因此,聚胺PEM水基鉆井液對(duì)巖石微裂隙的封堵效果差,水基鉆井液容易沿微裂縫面侵入,使微裂隙不斷延伸并裂開。

圖10 泥頁(yè)巖巖塊浸泡聚胺PEM鉆井液后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.10 Experimental phenomenon of mud shale blocks soaked in polyamine PEM drilling fluid

3 技術(shù)對(duì)策

3.1 井壁穩(wěn)定周期定量計(jì)算

針對(duì)破碎區(qū)地層的井壁嚴(yán)重坍塌問(wèn)題,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一系列經(jīng)驗(yàn)公式[11],探討了渤中區(qū)塊破碎區(qū)的坍塌壓力隨鉆井時(shí)間的變化規(guī)律。

C=-0.417+0.289UCS-0.000 519(UCS)2

(9)

φ=36.545-0.492 5C

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:C為黏聚力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°);Pc為坍塌壓力,MPa;ρc為坍塌壓力單量泥漿密度,g/cm3;g為重力加速度,m/s2;h為對(duì)應(yīng)垂深,m。

選取了渤中區(qū)塊一口直井,根據(jù)東下段泥頁(yè)巖地層3 340 m井段的巖石力學(xué)參數(shù),采用上述坍塌壓力計(jì)算公式,計(jì)算了該位置處坍塌壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系。其中,上覆巖層壓力當(dāng)量密度為2.11 g/cm3,水平最大地應(yīng)力當(dāng)量密度為2.01 g/cm3,水平最大地應(yīng)力當(dāng)量密度為1.57 g/cm3,孔隙壓力當(dāng)量密度為1.03 g/cm3。計(jì)算結(jié)果如圖11所示,東下段泥頁(yè)巖初始坍塌壓力為1.295 g/cm3,隨著鉆井液浸泡時(shí)間增加,坍塌壓力迅速增加,在第3天,坍塌壓力最大增加到1.40 g/cm3,后維持穩(wěn)定。因此,使用密度為1.40 g/cm3的聚胺PEM(poly ethyleneglycol mud)鉆井液,在破碎區(qū)中鉆井安全周期超過(guò)10 d。

圖11 東下段泥頁(yè)巖坍塌壓力當(dāng)量密度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.11 Variation of the equivalent density of mud shale collapse pressure with time in the E3d3 formation

3.2 鉆井液封堵性優(yōu)化

渤中區(qū)塊東下段泥頁(yè)巖內(nèi)微裂縫發(fā)育,微裂縫寬度為2～6 μm,鉆井液向內(nèi)部滲流致使的泥頁(yè)巖強(qiáng)度弱化是導(dǎo)致東下段破碎性地層井壁失穩(wěn)的主要原因之一。因此,僅靠強(qiáng)抑制性并不能夠滿足該地區(qū)泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的要求。為了防止東下段地層的嚴(yán)重井塌,要求鉆井液具有極強(qiáng)的封堵劑,有效封堵地層裂隙與破碎帶,阻止鉆井液進(jìn)入地層,提高地層承壓能力,達(dá)到穩(wěn)定井壁防止井漏的目的。

針對(duì)微裂縫封堵難題,采用壓力傳導(dǎo)法[12]進(jìn)行致密泥頁(yè)巖的封堵性評(píng)價(jià),分別評(píng)價(jià)了LPF、TEX、JYW等封堵劑的封堵效果。LPF、TEX、JYW等封堵劑均是按一定比例混合超細(xì)碳酸鈣,納米二氧化硅和白瀝青等材料復(fù)合調(diào)配而成,遵循惰性顆粒硬封堵,有機(jī)顆粒軟封堵的理念。在聚胺PEM鉆井液體系中加入LPF、TEX、JYW等封堵劑,分別評(píng)價(jià)了封堵材料對(duì)聚胺PEM鉆井液體系流變性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。3%LPF封堵劑,3%TEX封堵劑和3%JYW封堵劑均對(duì)聚胺PEM鉆井液流變性能影響較小,鉆井液黏度輕微增加,鉆井液動(dòng)塑比最大增加到0.52,鉆井液API濾失最低降到3.8 mL。

表3 封堵劑對(duì)鉆井液性能的影響Table 3 Influence of plugging agent on drilling fluid performance

接著分別獲取4種實(shí)驗(yàn)樣品的濾液,并評(píng)價(jià)了聚胺PEM鉆井液基漿濾液,加入3%LPF封堵劑的濾液,加入3%TEX封堵劑的濾液,以及加入3%JYW封堵劑的濾液等4種濾液的封堵效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流體為聚胺PEM鉆井液濾液時(shí),經(jīng)655 s后下游壓力趨于穩(wěn)定,上下游壓差為0.038 MPa,而加入了LPF、TEX、JYW等封堵劑的濾液,穿透時(shí)間均增加,上下游壓差也均增加,其中,加入3%TEX的濾液效果最好,經(jīng)965 s后下游壓力趨于穩(wěn)定,上下游壓差為0.087 MPa,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LPF、TEX、JYW等封堵劑均能有效改善聚胺PEM鉆井液對(duì)微裂縫的封堵效果,同時(shí),TEX封堵劑的封堵效果最好。

表4 4種濾液封堵效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 The experimental results of four kinds of filtrate plugging effect evaluation

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤中BZ34-4-P3S2井是一口開發(fā)井,設(shè)計(jì)井深為3 678 m,最大井斜角約40°。采用四開井身結(jié)構(gòu),使用聚胺PEM鉆井液體系,以216 mm井眼鉆開東下段和下部地層。根據(jù)前述研究方法對(duì)該段破碎性地層的井壁坍塌周期進(jìn)行了計(jì)算,分析得出使用密度為1.40 g/cm3的聚胺PEM鉆井液,在東下段及以下地層破碎區(qū)中鉆井安全周期超過(guò)10 d。現(xiàn)場(chǎng)四開井段實(shí)際采用1.40 g/cm3的泥漿密度,并添加3%的TEX封堵劑增強(qiáng)鉆井液封堵性能,鉆井過(guò)程中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問(wèn)題,有效地解決了該段破碎性地層的周期性坍塌問(wèn)題。

4 結(jié)論

(1)渤中區(qū)塊東下段及以下泥巖地層為硬泥頁(yè)巖,泥頁(yè)巖較為致密,但粒間存在孔縫,孔縫寬度為2～6 μm。該區(qū)塊泥頁(yè)巖的陽(yáng)離子交換容量較低,具有弱水化性質(zhì)。同時(shí),雙井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)顯示,地層完整性差。

(2)浸泡前巖塊強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值為25～65 MPa,屬于中等偏低強(qiáng)度地層。巖石強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間逐漸降低,后期下降幅度減緩,浸泡第7天,強(qiáng)度下降40.82%。同時(shí),測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋表明,東營(yíng)組地層抗壓強(qiáng)度為7～60 MPa,沙河街組地層抗壓強(qiáng)度為15～67 MPa,同一地層泥頁(yè)巖強(qiáng)度值跨度大,離散性強(qiáng),東下段及以下地層非均質(zhì)性強(qiáng),軟硬交錯(cuò),強(qiáng)度變化差別大。

(3)渤中區(qū)塊東下段及以下地層,上覆巖層壓力和水平最大地應(yīng)力之間差值較小,但水平最小地應(yīng)力值較低,鉆井過(guò)程中坍塌壓力相對(duì)較高,容易引起鉆井液漏失。

(4)東下段泥頁(yè)巖在海水中的滾動(dòng)回收率為80.13%,在聚胺PEM水基鉆井液中的滾動(dòng)回收率91.30%,東下段泥頁(yè)巖本身清水膨脹率較低,低于17%,在鉆井液中浸泡24 h后,巖心膨脹率低于3%,但是,鉆井液明顯滲入巖塊內(nèi)部,出現(xiàn)大量層狀裂紋。

(5)東下段泥頁(yè)巖初始坍塌壓力為1.295 g/cm3,隨著鉆井液浸泡時(shí)間增加,坍塌壓力迅速增加,在第3天,坍塌壓力最大增加到1.40 g/cm3,后維持穩(wěn)定。因此,使用密度為1.40 g/cm3的聚胺PEM鉆井液,在破碎區(qū)中鉆井安全周期超過(guò)10 d。

(6)3%LPF封堵劑,3%TEX封堵劑和3%JYW封堵劑對(duì)聚胺PEM鉆井液流變性能影響均較小。同時(shí),LPF、TEX、JYW等封堵劑都能有效改善聚胺PEM鉆井液對(duì)微裂縫的封堵效果,其中,TEX封堵劑的封堵效果最好。