陇东长7地层组构、理化性能及坍塌机理研究

高云文，曲 波，许建生，赵向阳，郭 康，胡 恒

(1．低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安710021;2．长庆油田油气工艺研究院，陕西西安710021;3．川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院，陕西 西安710018;4．长庆油田分公司第二采油厂，甘肃 庆阳745100)

陇东长7地层为长庆致密油储层，纵向上分布着致密砂岩、泥质粉砂岩和油页岩。与砂岩储层相比，致密油层具有泥质含量高、非均质性强、层理发育、水敏性填隙物含量高、岩石结构稳定性差的特点。水平井在斜井段、水平段等大斜度井段的钻井过程中，钻井液长时间浸泡、冲刷，井壁稳定性变差，易发生失稳垮塌、掉块卡钻等情况，存在较大施工难度。截止目前，陇东长7地层还从未开展过地层组构及理化性能方面的系统研究［1-2］，缺乏从根本上了解引起该地层井壁失稳的原因，这给制定相应的防塌措施带了很大困难。因此，开展陇东长7地层组构及理化性能分析对预测井壁坍塌具有重要意义。

1 陇东长7地层组构分析

采用X－射线衍射、扫描电镜、铸体薄片及高压压汞分析技术对陇东长7地层的矿物组分及微观结构进行了深入研究。

1．1 全岩矿物分析

依据石油天然气行业标准SY/T 5163－2010，采用D/MAX－1400型X衍射仪对长7地层的矿物成分进行了分析，结果见表1。

由表1可以看出，该地层岩石组分以石英和长石为主，分别占 49．7% ～56．3% 和 26．1% ～34．2%。泥质的质量分数相对较高，平均10．1%，最高14．5%。由于黏土矿物在钻井过程中易发生水化膨胀，从而对井壁稳定性造成一定影响。样品中含有一定量的碳酸盐，质量分数从 0．3%至18．5%不等。虽然碳酸盐对井壁具有一定的稳定作用，但其质量分数总体偏低，因此，稳定作用有限。

从黏土矿物各组分质量分数看，伊利石所占比例最大，为44．23% ～70．97%，其次是绿泥石和伊/蒙间层，所占比例分别为 12．37% ～43．82%和11．95% ～40．09%，几乎检测不到高岭石和蒙脱石。由于伊利石和绿泥石属于非膨胀性黏土，因此，该地层由水化膨胀引起的不稳定主要由伊/蒙间层含量决定。虽然该地层黏土矿物中的伊/蒙间层含量总体不是很高，但波动较大，其中庄 147达到了40．09%，这说明长7地层黏土矿物中的伊/蒙间层是影响井壁失稳的一个重要因素，但不会引起严重的井壁坍塌问题［3-7］。

表1 D/MAX－1400型X衍射仪的全岩矿物成分分析结果Tab．1 Whole rock mineral composition analysis results using D/MAX-1400 X-ray diffraction analyzer

1．2 铸体薄片分析

实验选择该地区不同井组的20个样品进行薄片分析，以庄97为例，岩心铸体薄片显微图像见图1。

从20组薄片显微图像可以看出，虽然陇东长7地层每一个样品的微观结构有一定差别，但这些井组主要以砂岩为主，少数井组为泥岩或泥质粉砂。岩石矿物主要以伊利石为主，同时吸附有丰富的有机质;云母泥铁矿化深，定向性良好，软组分变形强;硅质加大及白云岩屑的铁白云石加大边发育。从孔隙发育来看，多数井组几乎观察不到薄片中有色液态胶的颜色，表明岩石非常致密，孔隙很小。

图2 庄97(1 824．6 m)井岩样扫描电镜图像Fig．2 Scanning electronic microscope images of rock sample from Zhuang 97 well

图1 庄97(1 824．6 m)砂岩薄片显微图像Fig．l Micro-image of standstone thin-section from Zhuang 97 well

1．3 扫描电镜分析

对所选长7地层20组岩样进行扫描电镜分析，以庄97(1 824．6 m)为例，图2(a)—图2(d)为庄97井岩样分别放大90、1 400、2 265和3 000倍的扫描电镜图。

从所选的20组样品扫描电镜图片可以看出，岩样多数属于砂岩，但仍存在少数泥岩和砾岩，黏土矿物主要为伊利石及绿泥石，其组成与全岩矿物分析及黏土矿物分析结果一致。从孔隙发育形态来看，岩石孔隙发育都较差，孔隙类型有粒间残余孔、颗粒溶孔等，黏土矿物多呈孔隙充填式产出，未见大的裂缝形成。因此，在钻井过程中钻井液一般不会由微裂缝渗入到地层内部而导致井壁失稳。

1．4 高压压汞分析

通过压汞曲线可以深入了解岩样的孔喉分布情况，且能够得到详细的孔隙结构特征参数。实验对该地区5口井的岩样进行了高压压汞分析，结果见表2。

表2 5口井的岩样参数Tab．2 Mercury injection parameters and characteristic parameters of rock samples from 5 wells

从表2可以看出，这5个岩样的孔隙度和渗透率都很低，普遍小于0．5×10－3μm2，属于超低渗地层。从压汞特征参数来看，门槛压力普遍较大，排驱压力高;最大孔喉半径很小，平均只有0．75 μm，属于极细孔喉。最大进汞饱和度65．39% ～89．79%，退汞效率低，为21．66% ～43．31%。结合扫描电镜图，发现岩石非常致密，孔隙发育差，在铸体薄片上几乎观察不到明显的染色部分。退汞效率低表明大部分孔隙不退汞，其原因为:(1)细小孔喉占较大比例，水银压进去后不易退出来;(2)岩石孔隙结构非常复杂导致退汞效率低。

2 长7岩样理化性能分析

对20组岩样的黏土矿物理化性能进行了分析，得到各岩样的阳离子交换容量(CEC)［8］、页岩稳定指数(SSI)［9］、膨胀率10］及分散性11］，选择其中 5 个井组样品的数据列于表3中。

表3 长7地层岩样黏土矿物理化性能Tab．3 Physic-chemical property of mud shale mineral component of Chang 7rock samples

从表3可以看出，这5组样品的岩样回收率及阳离子交换容量较高，分别达到88% ～92%和15～24 mmol/100 g，岩心膨胀率在4% ～19%，属于中等偏弱，SSI值中等偏低。

黏土矿物CEC值和黏土矿物类型是判断黏土矿物属性的一种依据。对比发现，CEC值随着岩石泥质质量分数的增加而增加，其中庄143的黏土矿物质量分数最低，其CEC的数值也最小，说明泥质含量影响阳离子交换容量。单从CEC值来看，该地层黏土矿物的水化膨胀和分散较强，但膨胀率和回收率实验却反映出该地层的水化膨胀和分散中等偏弱，这是因为黏土矿物的水化膨胀除了与CEC值的大小有关外，还与黏土矿物类型有关，黏土矿物种类不同，其CEC值有很大差别:蒙脱石的CEC值通常在70～130 mmol/100 g，伊利石的CEC值一般在20～40 mmol/100 g，高岭石的 CEC值仅为3～15 mmol/100 g。虽然伊利石的CEC值也较高，但其属于非膨胀性黏土，表明长7地层黏土矿物的水化膨胀和水化分散不会太强，这和黏土膨胀及分散实验结果一致。因此，在钻井过程中一般不会引起严重的缩径、卡钻及水化坍塌等井下复杂情况。

SSI表示地层在钻井液等液体作用下，其强度、膨胀和分散侵蚀三方面综合作用对井眼稳定性的影响，其值越大，表示泥页岩越稳定。一般来说，岩样的SSI值大于60时页岩比较稳定，在钻井过程中可以不加防塌剂。但由于所测定的这5组井的SSI值都低于60，在钻井过程中可能会出现井壁失稳，因此，在钻井过程中需要考虑加入适量的防塌剂，性能较好的防塌剂可使岩样的SSI值达到90。

3 长7地层井壁坍塌机理

通过地层组构及理化性能分析可以得出长7地层井壁坍塌机理:长7地层属于致密泥质粉砂岩地层，其岩样矿物黏土中所含的伊/蒙间层是引起井壁不稳的主要因素。黏土表面的扩散双电层中，紧密地束缚着许多阳离子，这些阳离子的水化使黏土颗粒四周形成较厚的水化膜，水化作用使黏土矿物发生膨胀和分散，尤其在钻井液的长期浸泡下会造成泥岩强度下降，最终导致井壁失稳。另外，在长7地层，机械钻速较低，浸泡时间长，这也是导致井壁坍塌的主要工程因素之一。

4 结论

(1)长7地层岩石是以石英、长石、伊利石等组成的泥质粉砂岩，黏土组成以伊利石和绿泥石为主，其次是伊/蒙间层。

(2)岩石致密，孔隙发育差，岩心孔隙度小，渗透率低，无微/大裂缝存在，属超低渗地层。

(3)SSI值中等偏低，CEC值中等偏高。岩石的膨胀率和分散性属于中等偏弱。

(4)向钻井液体系中适当加入一定量的常规防膨剂和井壁稳定剂来提高防塌能力，不需要加入暂堵剂及水化分散抑制剂。

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