玉北古生界地层井壁失稳原因分析与对策

2016-09-16甄玉辉王骁男

西部探矿工程 2016年6期

关键词：胺基泥岩钻井液

甄玉辉，牛　晓，王骁男

（1.中国地质大学<北京>工程技术学院，北京100083；2.中石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐830013）

玉北古生界地层井壁失稳原因分析与对策

甄玉辉*1，牛晓2，王骁男1

（1.中国地质大学<北京>工程技术学院，北京100083；2.中石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐830013）

井壁失稳问题是塔河油田玉北地区钻探过程中普遍遇到的工程技术难题，造成了多次钻井复杂事故，严重影响了该地区的钻井时效和经济效益。通过对古生界地层岩芯进行矿物组分分析、扫描电镜分析以及膨胀性和分散性能分析，认为粘土和石英含量高、伊/蒙混层比例含量高以及裂隙发育是井壁失稳的主要原因。为解决该地区的井壁失稳问题，使用滤失量小并且控制稳定，抑制性和封堵性能良好的钾胺基聚磺成膜钻井液体系及其处理维护处理措施，经验证该钻井液体系在现场具有很好的应用效果。

玉北地区；井壁稳定；抑制性；封堵性；钻井液体系

1　概述

玉北地区是中石化西北油田分公司近年来勘探开发的重点区块，前期由于井网密度低，邻井资料少，同时由于该地区地质条件复杂，压力系统多变，高压盐水层、膏泥岩、火成岩发育导致钻遇复杂情况较多［1］。为了解玉北地区钻井过程中的主要复杂情况，收集了YB1井、YB3和YB5井等20余口井所遇的复杂情况和钻井事故进行了统计，发现该区钻进过程中井壁稳定性差，主要体现在二叠系沙井子井段的后期粘卡、库普库兹满组和开派兹雷克组火成岩井段的坍塌、掉块。本文从玉北地区地层的理化性能特征方面对该地区井壁失稳机理展开研究分析，得出了一定的认识并由此制定出了相应的钻井液处理维护措施，经现场实践取得很好的应用效果，满足该地区现场钻井施工的要求［2-3］。

2　室内实验分析

2.1古生界地层矿物组份分析

通过X衍射、扫描电镜等实验手段，采用宏观分析与微观研究相结合的技术措施［4-5，7］，系统分析玉北地区开派兹雷克组、南闸组、卡拉沙依组和巴楚组地层特性，认识地层岩石的矿物组成及层理、微裂纹等初始细和微观结构特性。

表1　玉北地区失稳井段全岩矿物分析

从表1可以看出，玉北地区地层从开派兹雷克组到巴楚组组成均以粘土矿物和石英为主。其中开派兹雷克组和南闸组中的易水化膨胀的蒙脱石和伊/蒙混层含量大于石英含量，且开派兹雷克组层间比高达70%，属于软弱泥岩，遇水极易水化膨胀导致井壁坍塌失稳。而库普库兹满组、卡拉沙依组和巴楚组的石英含量大于易水化的伊/蒙混层含量，则在力学性质上表现一定的硬脆性属于砂质泥岩，如若微裂缝比较发育，在钻井过程中，钻井液滤液沿着微裂缝进入地层后导致使泥岩强度降低，在井下钻具的扰动作用下，极易造成井壁失稳。

2.2扫描电镜分析

利用扫描电镜，对玉北地区容易出现井下复杂的代表性层位开派兹雷克组和南闸组的岩芯进行了扫描电镜分析［6］，结果如图1和图2所示。

图1　YB9开派兹雷克组井电镜扫描照片

图2　YB1井南闸组电镜扫描照片

岩芯放大200倍时，可以看出泥岩层理面较为平整，样品结构较致密，放大4000～5000倍时可以看出泥晶间微孔隙较发育，泥晶间微孔隙1～2μm，少量2～3μm。这些微孔隙是钻井液漏失的主要通道，钻井液进入导致泥岩水化膨胀和剥落掉块进而引起井壁失稳。

岩芯放大200倍时，可以看出样品结构较致密，放大2000～3000倍时可以看出常见微孔缝宽多小于1μm，但长度较长多为3～50μm。粘土矿物多为弯曲片状伊/蒙混层、伊利石。孔隙和孔缝较发育，易使钻井液沿着裂缝进入地层，导致近井筒地层孔隙压力升高，泥岩水化膨胀，地层岩石强度降低，引起井壁失稳。

2.3膨胀和分散性能分析

地层粘土矿物的水化膨胀和分散性能直接影响井壁的稳定性。粘土水化膨胀则会引起缩径，而粘土水化分散则容易使井壁坍塌、掉块。为了解玉北区块地层的水化膨胀和水化分散能力对井壁稳定性的影响，在室内按照相应的技术规范对岩样做了泥页岩膨胀率和滚动回收率测定实验［8］，结果如表2所示。

表2　泥页岩膨胀率和滚动回收率实验结果

从表2可以看出，玉北地区古生界二叠系和石炭系地层岩石的泥页岩膨胀率偏高，其中YB13井开派兹雷克组（井深4834～4850m）页岩膨胀率高达26.01%，南闸组（井深4959～4972m）页岩膨胀率为24.26%，说明此段地层岩石的水敏性很强，遇水极容易水化膨胀。

同时可以看出，YB13井开派兹雷克组和南闸组上部岩屑清水回收率仅为32.8%和17.2%，说明此段地层岩石有较强的水化分散性能，遇水容易发生水化分散，而卡拉沙依组岩屑清水回收率平均值为47.45%，同样具有较强的水化分散能力，在钻井过程中易受到钻井液的浸泡冲刷而水化分散影响井壁稳定。

3　井壁稳定技术

玉北地区古生界泥页岩地层岩土矿物组成及理化特征的分析结果表明，二叠系南闸组、石炭系巴楚组及卡拉沙依组泥页岩中微孔、缝较发育，二叠系开派兹雷克及库普库兹满组泥岩粘土矿物含量高且含较多蒙脱石，石炭系卡拉沙依组及巴楚组以伊利石及伊/蒙混层为主的粘土矿物含量较高。页岩膨胀率及回收率等进一步证明了古生界地层的分散性能强、力学稳定性差，在钻井施工中易造成井壁失稳等井下复杂情况的发生。因此，为保证钻井质量应严格控制钻井液的滤失量并提高钻井液体系的抑制性和封堵性能［9］。

3.1钻井液性能评价

为此我们选用了钾胺基聚磺成膜钻井液体系，其基本配方如下：

3%膨润土+0.2%纯碱+0.3%DS-301+1%RHTP-1+3%RHJ-3+0.5%DS-302+0.5%HPA+5%KCl+0.8% CMJ+2%SMP+3%SPNH+0.5%JM-1+重晶石，其性能如表3～表6所示。

表3　钾胺基聚磺成膜钻井液体系流变性能

表4　钾胺基聚磺成膜钻井液体系抑制性能

表5　150℃16h老化后钻井液的抗加重能力

从表3和表4可以看出，该体系具有很好的流变性，中压滤失量和高温高压滤失量均保持在10mL左右，泥饼厚度保持在1mm左右并且具有良好的抑制性能，钻屑回收率可达85%以上，可以有效降低所钻岩层的水化分散能力维持井壁稳定，减少井下复杂情况的发生。

从表5可以看出，钾胺基聚磺成膜钻井液体系随着密度的增加，钻井液的粘度有所提高，但滤失量却明显降低，说明该钻井液体系有很好的抗加重能力，在钻井过程中当遇到高压流体层时可直接加重而不会对钻井液性能产生很大影响，方便钻井事故的处理。

从表6可以看出，该钻井液体系加入钙和盐后钻井液的粘度、切力和滤失量变化不大，该钻井液体系可以抗住25%的NaCl、1.0%的CaCl2和10%的KCl，具有很好的抗污染能力，当钻遇盐膏层时不会对钻井液性能产生很大的影响。

3.2钻井液控制井壁稳定原理

（1）钻井液体系中加入胺基页岩抑制剂HPA和KCl，通过钾离子和胺基在粘土颗粒表面上的吸附，抑制地层泥页岩和钻屑的水化分散。胺基页岩抑制剂里带负电荷的聚电解质，可以通过静电作用吸附在粘土颗粒带正电的边缘处，也可以通过其中的非水解基团与粘土矿物晶面上的氧和羟基之间形成氢键而发生相互作用，在井壁上形成的吸附层能滞缓了水分子向页岩粘土中的渗透，从而起到维护井壁稳定和防止钻屑分散的作用。（2）在钻井液体系中加入乳化沥青封堵剂，在高温高压下沥青被软化并挤入页岩微裂缝，并能在页岩表面覆盖一层致密的薄膜，对页岩起到屏障作用。（3）通过加入成膜剂，水基成膜钻井液与井壁泥页岩接触后在井壁表面形成一种具有调节、控制井筒流体与近井壁地层流体系统间传质、传能作用的半透膜，利用膜两相流体之间渗透压差控制流体中溶剂介质朝向地层岩石或者朝向井筒内的流动方向，即在井壁的外围形成保护层，阻止水及钻井液进入地层，从而达到阻止或减小井壁泥页岩因吸水发生的不稳定现象，起到封堵或者辅助防塌作用效果。

4　现场应用

4.1YB8井现场钻井液技术措施［10］

（1）三开二叠系（4081～5249m）井段较长，二叠系岩性主要以火成岩、凝灰岩、泥岩、砂岩为主，地层破碎、裂隙发育，地层沉积岩性交错，水敏性强，要求钻井液具有较好的抑制性能。通过增加乳化沥青、胺基页岩抑制剂、有机硅醇抑制剂的加量，满足泥岩段基本稳定性能的要求。

表6　150℃16h老化后钻井液的抗盐、抗钙能力

（2）进入二叠系中统开派兹雷克组灰黑玄武岩之前，提高比重至1.50～1.55g/cm3，同时加入乳化沥青、聚胺抑制类材料至设计上限，利用钻井液中暂堵颗粒如超细碳酸钙QS-2、可变性粒子等形成屏蔽带，提高钻井液体系的封堵性能，从而有效阻断破裂压力的传递。

（3）三开井段钻井液主要处理维护思路：在钻进过程中充分清除有害固相，降低比重，控制坂土含量在30～35g/L左右，逐步补充高软化点阳离子乳化沥青RHJ-3和聚胺页岩抑制剂HPA，严格控制API失水在4mL以内，HTHP失水12mL以内。三开钻进至克孜洛依下部4300m以后钻时明显变慢，且地层剥落掉块现象较为严重，每次加单根时掉块挂卡现象较为严重，通过加大高软化点乳化沥青的用量，并配合使用0.4%胺基页岩抑制剂HPA，有效改善了井壁稳定效果。钻井液处理维护前后钻屑情况如图3所示。

图3　处理前后钻屑对比

从钻井液处理前后钻屑对比情况可以看出，使用胺基页岩抑制剂HPA处理泥浆后掉块明显减少。因此，在玉北区块易失稳泥岩地层采用2%～3%高软化点乳化沥青与0.3%～0.5%HPA配合使用，具有很好的稳定井壁的效果，能够满足该区块井壁稳定性的要求。

4.2应用效果

（1）胺基页岩抑制剂HPA对二叠系泥岩具有很好的抑制分散作用。本井聚胺抑制剂主要应用于5598～5900m井段。在沙井子钻井时无掉块，进入开派兹雷克组后出现少量掉块，分析原因可能是交界面出现掉块，地质介绍掉块属于沙井子组，所以钻井至开派兹雷克组后，为进一步提高抑制防塌性，开始加入聚胺，现场使用结果表明，该产品抑制防塌效果明显。

（2）胺基页岩抑制剂HPA与乳化沥青RHJ-3具有协同作用效果。YB8井采用3%高软化点乳化沥青和0.3%～0.5%胺基页岩抑制剂HPA配合使用，三开井段施工作业顺利，起下钻畅通，满足了复杂井段钻井施工的要求。