南堡油田玄武岩井壁稳定影响因素的研究

李 楠，李 健，王 维，聂明顺，吴 彬，王 荐

（1.长江大学石油工程学院，湖北荆州434023；2.冀东油田勘探开发建设项目部，河北唐海063200；3.冀东油田瑞丰化工有限公司，河北唐海063200；4.湖北汉科新技术股份有限公司，湖北荆州434023）

南堡油田位于河北省滦南县、唐海县和乐亭县境内的0～5m 浅水海域，地处渤海湾盆地黄骅凹陷、南堡凹陷中部和西南部，该油田在馆陶组及东营组普遍钻遇玄武岩，且经常出现卡钻、井壁坍塌、电测遇阻、井漏、划眼等井下复杂事故，严重影响了钻井速度和井身质量。

作者在此针对南堡油田玄武岩层理、裂隙发育等特点，从矿物组分、理化性能等方面对影响玄武岩井壁稳定的因素进行了室内研究。

1 玄武岩矿物组分与理化性能分析

表1 南堡油田玄武岩的矿物组分分析Tab.1 Mineral composition analysis of basalt in Nanpu Oilfield

由表1可看出，南堡油田玄武岩的粘土矿物相对含量较高，以伊／蒙间层矿物为主，间层中蒙脱石（S）含量较高，其次是绿泥石、伊利石和高岭石。因此，南堡油田水敏性损害是影响玄武岩井壁稳定的因素之一，不容忽视。

同时对南堡油田玄武岩进行了理化性能及扫描电镜分析，结果见表2及图1。

表2 南堡油田玄武岩的理化性能分析Tab.2 Analysis of physical and chemical properties of basalt in Nanpu Oilfield

图1 南堡油田玄武岩的扫描电镜照片Fig.1 SEM Images of basalt in Nanpu Oilfield

由表2可看出，南堡油田玄武岩具有很强的膨胀性，分散性相对较弱。

由图1可看出，南堡油田玄武岩具有微裂隙非常发育的特点，极易造成水化膨胀后微裂隙开启、剥落坍塌。

2 影响玄武岩井壁稳定的因素

2.1 地质因素

从南堡油田玄武岩矿物组分分析以及扫描电镜分析结果来看，南堡油田玄武岩具有很高的粘土矿物含量，且粘土矿物含量中以蒙脱石或伊／蒙间层矿物为主，蒙脱石含量高，极易造成水化膨胀，同时地层层理发育微裂隙分布广，在钻井过程中，压力与滤液的传递极易造成玄武岩水化膨胀，微裂隙开启，从而剥落坍塌、井壁失稳。

2.2 物理化学因素

钻井液是平衡地层压力以及阻止地层岩石水化膨胀的主要手段。一般来说，为平衡井壁，钻井液液柱压力普遍高于地层正常压力。当钻开地层时，由于钻井液无法实现零封堵，因此压力和滤液会随之侵入到地层。研究表明，泥页岩中压力传递比溶质和离子扩散快1～2个数量级，后者又比钻井液的滤液的达西流快1～2个数量级。由于玄武岩地层渗透率很低，无法像高渗砂岩一样无限释放压力，因此，压力的传递会导致玄武岩地层的原始压力改变、钻井液液柱压力与地层压力的差值逐渐减小并趋于平衡；而滤液的侵入又会导致地层的水化膨胀，随着时间的推移，地层水化膨胀产生的水化膨胀压会进一步减小钻井液液柱压力与地层压力的差值。伴随着层理裂隙的开启，地层逐渐剥落坍塌，从而导致井壁失稳。

2.3 地层自吸水因素

由于南堡油田玄武岩普遍属于低渗地层，孔隙多类似于毛细管，因此即使液柱压力与地层压力平衡，在没有压差的情况下钻井液密度大的滤液仍然会通过自吸水作用而进入地层，从而造成地层水化膨胀，进而导致层理裂隙的开启、剥落坍塌。

2.4 工程因素

由于南堡油田玄武岩存在层理微裂隙发育，因此当钻开地层后，钻井液的冲刷、机械碰撞均可能导致地层层理微裂隙的剥落坍塌，从而造成井壁失稳、起下钻遇阻、憋泵等复杂情况。

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3 稳定玄武岩井壁的技术对策

通过对南堡油田馆陶组玄武岩井段地层失稳原因分析，可采取以下技术措施来稳定井壁，防止坍塌。

（1）合适的钻井液密度

防止玄武岩地层坍塌重要的因素是控制钻井液的液柱压力。基于压力平衡理论，必须采取适当的钻井液密度，形成适当的液柱压力，这是对于薄弱地层、破碎地层及应力相对集中地层的有效措施。但增大钻井液密度具有两重性，一方面钻井液密度大有利于增大对井壁的支撑力，另一方面又会导致滤液进入地层，增大孔隙压力、增大粘土的水化面积和水化作用，从而降低地层内部的结构力。

（2）较强的钻井液抑制性

地层粘土矿物含量高，钻井液体系应具有优良的抑制性，能够有效抑制钻屑的水化分散和钻井液滤液侵入地层造成的粘土膨胀，有利于稳定井壁。

（3）优良的钻井液封堵能力和防堵漏功能

钻井液体系应具有优良的封堵能力，能有效提高泥饼质量，封堵地层裂隙，减少滤液侵入和压力传递。同时体系还应具有较强的防堵漏能力，减少钻井液对地层的漏失，提高井壁的强度和抗压能力，稳定井壁。

（4）合理的钻井液流变性

优选合理的钻井液流变性能和环空返速，既确保玄武岩岩屑的携带，又不会对井壁发生冲蚀。

（5）增大钻井液中自由水进入地层的毛管阻力

使钻井液束缚更多的自由水，增大钻井液进入地层的毛管阻力，减少滤液侵入地层的量和深度。

（6）降低地层岩石的自吸水能力

在钻井液体系中应加入一定量的表面活性剂，有效减小钻井液滤液的表面张力，尽可能降低地层岩石的毛细管自吸水能力，从而阻止滤液进入地层。

4 结论

（1）南堡油田玄武岩粘土矿物含量较高，以蒙脱石或伊／蒙间层矿物为主，其次是绿泥石、伊利石和高岭石，具有很强的膨胀性，分散性相对较弱，且层理微裂隙非常发育。

（2）影响南堡油田玄武岩井壁稳定的主要因素包括压力的传递及滤液的侵入导致的压力差的变化、地层自吸水引起的地层水化膨胀以及微裂隙的开启引起的层理剥落坍塌。

（3）合适的钻井液密度、较强的钻井液抑制性、优良的封堵能力以及增加钻井液中自由水进入地层的毛管阻力等措施是提高南堡油田玄武岩井壁稳定性的主要措施。

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