川中震旦系灯影组井壁失稳机理及防塌钻井液技术

王 睿， 王 兰

(1中国石油川庆钻探工程有限责任公司钻采工程技术研究院 2油气田应用化学四川省重点实验室)

川中下古生界-震旦系碳酸盐岩气藏规模大，开发潜力巨大，是四川盆地重要的接替和上产主力气藏[1-3]。该储层埋深约6 000 m，过路层系多，直井钻井周期一般控制在5个月内，但非生产时效仍高达7%，钻井面临着多项挑战，诸如震旦系灯影组地层老，塑性强，压实强度高，具有破碎性特征、地层裂缝发育且地层承压能力低的特点，已钻井实践表明灯影组地层井壁失稳现象严重，卡钻频繁导致高事故复杂率，影响钻井周期，威胁钻井安全，部分井因事故复杂被迫提前完钻。为此，笔者通过川中震旦系灯影组地层取心进行实验研究，从岩石的组分、地层结构、力学特性及地应力特征方面探索井壁失稳机理[4-8]，并依据 “多元协同” 防塌原理，优选出固壁剂、封堵剂和抑制剂，形成了适合于灯影组地层的防塌钻井液体系[9-13]。

一、井壁失稳机理分析

1.岩石组分及地层结构分析

1.1 岩石组分分析

依照行业标准SY/T 5163-2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X衍射分析方法》，采用X-射线衍射仪对震旦系灯影组岩样进行XRD矿物组分分析测试。分析表明，震旦系灯影组的本批试样主要成分白云石，含有少量石英、黏土矿物。具体数据见表1，据此分析灯影组地层为弱膨胀地层。

表1 全岩分析数据表

1.2 地层结构分析

从微观电镜扫描、宏观岩心观察以及成像测井分析对岩样进行了地层结构特征研究，分析表明：灯影组地层溶孔、溶洞等空隙以及缝合线、不同尺度裂缝等结构面较为发育，从而导致地层呈现出相对较为显著的破碎特征，在钻井卸荷及钻井机械扰动下极易发生垮塌失稳。

2.岩心力学特性分析

2.1 基础物性分析

依照行业标准SY/T 5336-1996《岩心常规分析方法》，采用致密岩心气体渗透率孔隙度测定仪和多频率超声波测量仪对震旦系灯影组岩样进行了孔隙度、渗透率、密度分析测试。分析表明：①岩心的孔隙度主要分布范围为：0.1%～2.6%，平均为1.5%，即连通的有效孔隙度较低；②受裂缝发育的影响，渗透率差异较大，在微裂缝发育条件下渗透率最大可达6.5 mD；而对裂缝不够发育的岩心，其渗透率较低，最小仅为0.000 5 mD左右；③岩心密度较大，主要分布在2.66～2.97 g/cm3之间，在斜井或水平井钻进时，为避免钻屑沉降而形成岩屑床，加剧井壁失稳，钻井液应具有足够强的悬岩、携岩能力。

2.2 抗压强度分析

钻井液浸泡对岩石抗压强度特性的影响通过岩石三轴抗压实验进行研究以评价钻井液作用下的岩石力学特性变化，分析钻井液对岩石力学强度的保持能力及稳定井壁的性能，岩石三轴抗压强度特性测试如图1所示。

图1 岩心三轴应力-应变曲线(围压5 MPa)

从图1中轴向应力-应变曲线可见，灯影组地层呈现出较高的抗压强度和较强的弹性变形特点，在没有与钻井液接触时，弹-脆性破坏特征趋势显著增大。在钻井过程中，该地层很容易受到钻头力的作用，在地层周围极易形成大量诱导缝，这些诱导缝在钻井液侵入的作用下将可能扩展延伸，并与已有天然裂缝等结构面连通，进而诱发掉块现象。

3.地应力特征分析

基于测井数据构建的地应力剖面可看出，灯影组地层水平最大地应力梯度为1.76～2.40 MPa/100m，水平最小地应力梯度为1.68～1.93 MPa/100m，垂向应力梯度为2.32～2.53 MPa/100m[10]。即分析深度范围内地应力的状态类型多为潜在正断型应力场，且水平最大主应力与垂向应力较为接近；部分井段地应力状态呈现为潜在逆断型应力状态，该结果进一步表明灯影组地层地应力较高，井壁稳定性相对较差。

综合以上分析结果表明川中震旦系灯影组井壁失稳原因：①地层破碎且脆性强，应力水平高，在钻井应力扰动作用下井壁易发生垮塌失稳。保持合理的钻井液密度，可有效缓解井壁失稳；②地层空隙、缝合线、裂缝等结构面较为发育，在钻井机械力及化学势的作用下，钻井液中水相将侵入地层，产生水力尖劈作用，导致地层破碎、诱发井壁失稳；③钻井液与岩石的相互作用，导致碳酸盐岩地层强度降低，坍塌压力增大，加剧井壁失稳。

二、防塌钻井液体系及其性能

1. 防塌钻井液体系

针对川中震旦系灯影组地层井壁失稳机理，依据“多元协同”防塌原理，兼顾“封堵”与“抑制”制定防塌钻井液对策[10-11]，并优选出固壁剂CQ-GBF，刚性封堵剂FLM-1和柔性封堵剂ZL-7的组合及抑制剂氯化钾，最终构建了适合于川中震旦系灯影组地层的防塌钻井液配方体系组成为：4.0%膨润土浆+0.2%NaOH+0.1%KPAM+4.0%SMP-2+3.0%RSTF+0.5%CQ-GBF+2.0%FLM-1+2.0%ZL-7+2.0%RH-220+8.0%氯化钾+0.3%SP-80+重晶石。分别测试磺化钻井液和防塌钻井液在 150 ℃下 老化16 h前后基本性能数据见表2。

表2 防塌钻井液老化前后的性能

注：钻井液测试温度50℃，HTHP测试温度为150℃。

实验结果表明，与磺化钻井液体系相比，该体系的黏度、切力适中，能满足钻井工程需要；滤失量小、滤饼韧性好，有利于保护井壁和减少滤液侵入地层。

2. 抑制水化分散性能评价

通过抑制膨润土分散实验和岩屑滚动回收率实验分别对磺化钻井液和防塌钻井液进行抑制水化分散性能能力评价，数据见表3和图2。实验结果表明，防塌钻井液体系加入10%膨润土后，流变性能稳定，同时防塌钻井液体系的岩屑滚动回收率更高，表明该体系抑制黏土分散能力更强，具有较好的抑制性能。

表3 不同钻井液对抑制黏土分散能力实验影响

注：性能为在90℃滚动16 h后室温测定。

图2 不同钻井液滚动回收率实验

3. 抑制水化膨胀性能评价

依照行业标准SY/T 5613- 2000《泥页岩理化性能试验方法》，采用高温高压泥页岩膨胀仪对防塌钻井液滤液进行线性膨胀率实验评价，数据见图3。实验结果表明，防塌钻井液滤液比磺化钻井液滤液对岩屑线性膨胀率更低，说明钻井液具有较好的抑制水化膨胀性。

图3 不同钻井液滤液线性膨胀曲线

4. 封堵承压能力评价

实验采用FA型无渗透滤失仪测试磺化钻井液和防塌钻井液的封堵能力，数据见表4。实验结果表明，与磺化钻井液相比，防塌钻井液在不同压差条件下的砂床滤失量大幅度降低，封堵能力明显加强。

表4 不同钻井液的砂床滤失量

5. 岩石强化性能评价

通过岩心(石英砂掺杂20%蒙脱石压制而成)在蒸馏水、磺化钻井液和防塌钻井液中120 ℃下 热滚16 h后在岩石三轴伺服试验仪进行单轴应力破坏实验，考察不同钻井液对泥页岩的加固效果来评价岩心强化性能，实验数据见表5。实验结果表明，岩心在防塌钻井液中热滚后的抗压强度最大，体现了防塌钻井液优异的泥页岩强化性能。

表5 不同钻井液作用后岩石的抗压强度

6. 储层保护性能评价

实验通过测磺化钻井液和防塌钻井液损害后的震旦系灯影组储层岩心渗透率恢复值，以评价储层保护性能，数据见表6。实验结果表明，防塌钻井液损害后的岩心渗透率恢复值达85.6%，比磺化钻井液损害后的岩心渗透率恢复值提高了10.7%，说明防塌钻井液保护储层性能较好，可作为储层钻井液。

表6 不同钻井液损害后的岩心渗透率恢复值

注：钻井液密度均为1.30 g/cm3。

三、现场应用

1. 应用井概况

防塌钻井液在高石001-X23井的四开(Ø149.2 mm)大斜度井段5 166～5 748 m(灯四)进行了现场应用试验，总进尺582 m。高石001-X23井位于高石梯潜伏构造震旦系顶界高石1井区中高点，钻井目的为开发G高石梯区块震旦系气藏天然气资源，加快川中天然气开发，目的层为灯影组灯四段。与该井相邻的高石6井、高石3井在灯影组地层均发生过复杂事故。

2. 应用效果

防塌钻井液体系不仅具有良好的流变性、稳定性、抗黏土损害能力和携岩能力，而且还具有较强的抑制性能、较好的防塌效果和封堵能力，在灯影组井段钻进过程中井壁稳定、井眼畅通，平均井径扩大率为5.85%(井径扩大率见图4)，比邻井高石6井下降了8.59%，整个井起下钻正常，保证了井下安全。

图4 5 186.9～5 736.9 m井径扩大率示意图

四、结论

(1)震旦系灯影组地层矿物组分主要以白云石为主，脆性强，溶孔、溶洞及微裂缝、缝合线等构造结构面较为发育，从而导致灯影组岩石强度差异大，钻井过程中容易引起井漏和垮塌；入井流体沿微裂缝侵入地层，压差过大，可能产生水力劈裂效应，诱发和加剧井壁失稳。

(2)该防塌钻井液体系具有较强的抑制水化和封堵能力，同时强化岩样破坏压力和抗压强度，有利于稳定井壁。该体系的黏度、切力适中，滤失量小、滤饼韧性好，常温下封堵承压能力达到 3.0 MPa，能够满足钻井工程需要。

(3)该体系对灯影组岩心的渗透率恢复值达85%以上，对储层有较好的保护作用，可作为川中震旦系灯影组储层钻井液。

(4)现场应用效果表明，该防塌钻井液体系保证了震旦系灯影组安全钻进。