巴彦河套盆地临河区块深层井壁失稳钻井液对策

闫睿昶 张宇 吴红玲 曹斌 王冠军 付跃华 程智

1.中国石油华北油田巴彦勘探开发分公司；2.中国石油渤海钻探工程有限公司工程技术研究院

华北油田近年来重点在巴彦河套临河区块深层展开勘探部署，拥有探矿权区块总面积11 063 km2，预测石油远景资源量约6亿t，天然气远景资源量479.35亿m3。吉华X井、临华Y井均获高产工业油气流，进一步展示了该区块规模资源前景。但是该区块地层岩性变化剧烈，储层埋深大，以磴探1X井为例，三开结构，完钻井深6 460 m。该井主要钻遇地层为古近系、白垩系，使用KCl钻井液体系，钻进过程中频繁遇阻划眼，完井过程中出现电测仪器遇阻卡，完井周期在总周期占比达到35.37%，古近系最大井径扩大率为115%，最小井径扩大率为−20.29%，平均井径扩大率为69%，井壁失稳问题严重。为此，在确定磴探1X井井壁失稳原因的基础上，针对性地提出了KCl钻井液优化方案，为巴彦河套临河区块深层钻井井壁失稳难题提供技术支持。

1 失稳井段岩样特征分析

1.1 矿物组成分析

全岩定量分析及黏土矿物相对含量分析结果见表1、表2，可以看出，磴探1X井古近系地层以黏土矿物及石英为主，其中黏土矿物占比44.7%~61.7%，平均52.3%。黏土矿物以高岭石、绿泥石、伊利石和伊蒙间层为主，其中伊蒙间层含量最高，占比52%~68%，平均61%，岩样具有较强的水敏性。

表1 磴探 1X 井古近系地层岩样全岩组成Table 1 Bulk rock mineral composition of the Palaeogene core samples, Well Dengtan-1X %

表2 磴探1X井古近系地层岩样黏土矿物相对含量Table 2 Clay mineral composition of the Palaeogene core samples, Well Dengtan-1X %

1.2 微观结构分析

根据伊蒙间层含量，选取1#及3#岩样进行扫面电镜分析。从图1可看出，1#砂泥岩样胶结较致密，胶结物主要为粒间伊蒙混层、伊利石等黏土矿物、方解石，孔隙类型主要为粒晶间微孔隙，孔隙多小于 1 μm，少量孔隙 1~5 μm，矿物颗粒边缘残余微缝隙宽1~2 μm；3#岩样为泥岩，结构较致密，局部见微裂缝，宽约10~15 μm。黏土矿物主要为伊蒙混层、伊利石等，孔隙类型主要为泥晶间微孔隙，孔隙多小于 1 μm，少量孔隙 1~2 μm，残余微缝隙宽 1~2 μm，局部见微裂隙。由此可见，钻井液侵入岩石微裂缝，水楔作用造成裂缝扩张，进而造成剥落掉块是井壁失稳的可能主因［1-4］。

图1 磴探1X井岩样扫描电镜图片Fig.1 SEM imaging of the core samples, Well Dengtan-1X

1.3 岩样清水浸泡实验

将岩样置于清水中，定期观察岩样变化。从图2浸泡实验结果发现，岩样表面有气泡逸出，随浸泡时间的增加有少许水化现象，岩样浸泡约10 min出现裂缝，约1 h裂缝扩张导致岩样碎裂，浸泡8 h后的岩样强度下降明显，轻触崩裂。

图2 磴探1X井岩样清水浸泡实验Fig.2 Clear water soaking of the core samples, Well Dengtan-1X

2 井壁稳定钻井液对策

通过对失稳井段岩样的综合分析，总结出巴彦河套盆地临河区块深层地层微裂缝发育，钻井液滤液侵入岩石微裂缝，水楔应力下造成微裂缝扩张，同时地层伊蒙间层含量高，强水敏，滤液侵入后地层在水化作用下导致坍塌压力进一步增加，进而导致剥落掉块是井壁失稳的主因［4-10］。因此，对原钻井液性能进行分析，提出提高原钻井液抑制性和封堵能力、改善滤饼质量的技术对策。

磴探1X井三开采用的KCl盐水钻井液体系配方为：4%膨润土基浆+0.5%包被剂BZ-1+1.5%抗高温防塌降滤失剂REDUL2+2%抗盐降滤失剂KJAN+1.5%提切剂HFL+2%高效封堵防塌剂SN+2%油层保护剂+1.5%封堵润滑剂KRLQ+8%KCl+10%有机盐(加重剂)+2%超细钙。尽管该体系常规性能符合设计标准，但体系配方主要以KCl增强抑制性，防塌剂和超细钙提高封堵性，钻井液抑制性来源单一，而KCl对于硬脆性泥页岩效果有限，同时KCl在循环过程中钾离子持续消耗，易导致抑制性不足；体系封堵性由于粒径不匹配，无法有效封堵地层微裂缝，钻井液中自由水易渗流进入地层，使得岩石水化剥落。因此，针对体系抑制性及封堵性问题，考虑在原体系基础上，引入小分子抑制剂，通过小分子抑制剂与KCl协同增强抑制性；引入成膜性的纳米级、微米级粒径颗粒，对地层微裂缝及滤饼进行有效封堵，减缓钻井液中自由水在压差的作用下向地层渗流，阻止地层岩石在水化应力下的剥落掉块，从而实现钻井液体系抑制性与封堵性的改善，解决井壁失稳问题。

2.1 抑制性评价

为进一步提高巴彦河套地区钻井液抑制能力，优选小分子聚胺抑制剂BZ-JAI，通过无机盐与BZJAI的协同效应稳定井壁。

2.1.1 滚动回收实验

将岩样破碎为8~10目的岩屑，进行滚动回收实验，由表3可看出，清水回收率为82.8%，8%KCl溶液滚动回收率接近95%，5%KCl配合聚胺抑制剂溶液，滚动回收率接近100%。

表3 磴探 1X 井岩屑滚动回收率Table 3 Rolling recovery of cuttings, Well Dengtan-1X

2.1.2 浸泡实验

使用 5%KCl+2%BZ-JAI、8%KCl溶液浸泡磴探1X井古近系岩样，结果见图3，岩样在溶液中有气泡逸出，无明显水化及碎裂现象；5%KCl+2%BZJAI溶液浸泡24 h后岩样仍基本保持原样，8%KCl溶液浸泡24 h后岩样表面出现少许细小裂缝。

图3 磴探1X井岩样抑制剂溶液浸泡实验Fig.3 Inhibitor solution soaking of the core samples,Well Dengtan-1X

2.1.3 浸泡岩样微观结构分析

取磴探1X井古近系岩样分别浸泡于清水、2%BZ-JAI、5%KCl、5%KCl+0.5%BZ-JAI溶液后进行电镜扫描。由图4可以看出，清水浸泡的岩样，分散严重，岩样表面由于水化膨胀裂缝发育；5%KCl等抑制性溶液浸泡后，表面光滑平整。相对而言，聚胺及KCl都对岩屑有明显的抑制作用，且以5%KCl+0.5%BZ-JAI溶液抑制性最强，能够有效抑制自由水对岩屑的水化分散作用。

图4 浸泡岩样电镜扫描图片Fig.4 SEM imaging of the post-soaking core samples

2.2 封堵性评价

根据井壁失稳对策，通过引入成膜性的纳米级、微米级粒径颗粒，对地层微裂缝及滤饼进行有效封堵，减缓钻井液中自由水在压差的作用下向地层渗流，从而避免水敏性地层垮塌。封堵剂BH-NFT为液态微纳米级微球状封堵剂，D50为 0.445 μm，D90为0.669 μm，对其进行评价实验。

2.2.1 成膜实验

图5为在井浆中加入2%封堵剂BH-NFT前后中压失水所形成的2块滤饼，可以看出，加入封堵剂后形成的滤饼，外观致密，韧性高，使用清水对该滤饼再次进行中压失水实验测试滤失量，未加2%BHNFT的滤饼中压失水为 2.7 mL，加入2%BH-NFT的滤饼中压失水为2.2 mL，滤失量较低18.6%，表明BH-NFT封堵剂在滤饼表面具有成膜效应。

图5 加入封堵剂前后井浆滤饼对比Fig.5 Mud cake comparison before and after adding plugging agents

2.2.2 岩粉膨胀实验

将磴探1X井岩样粉碎成120目岩粉，使用清水、2%BH-NFT溶液、2%乳化沥青溶液分别测试其岩屑膨胀率，结果表明，2%BH-NFT溶液、2%乳化沥青溶液岩屑膨胀率分别较清水降低46%、12%，BH-NFT封堵性优于乳化沥青类封堵剂。

2.2.3 滤饼微观结构分析

选择5%膨润土浆、5%膨润土浆+2%微纳米封堵剂BH-NFT、井浆、现场井浆+2%微纳米封堵剂BH-NFT形成的滤饼进行电镜扫描，评价封堵材料加入后对滤饼的影响。由图6可以明显看出，体系加入微纳米封堵剂BH-NFT后，滤饼表面更加光滑平整，原本存在的微裂缝被一层致密的膜包裹，能够显著提高形成滤饼的封堵能力。

图6 滤饼电镜扫描图片Fig.6 SEM imaging of the mud cake

2.3 综合评价实验

2.3.1 流变性

现场实际应用时通常抑制剂加量0.5%~1%，封堵剂加量1%~2%。室内以井浆加入上述不同用量的处理剂，评价各处理剂配方对井浆流变性能的影响，实验结果见表4，可以看出，2#及3#配方中压失水较原井浆下降明显，4#及5#配方中压失水较原井浆上升。各配方老化前终切上升明显，老化后终切下降至井浆老化后水平。

表4 处理剂加量对磴探1X井钻井液性能的影响Table 4 Effects of agent dosages on the performance of drilling fluids of Well Dengtan-1X

2.3.2 抑制性评价

根据流变性评价实验结果，选择3#配方(井浆+0.5%BZ-JAI+2%BH-NFT)为最佳配方。页岩膨胀与滚动回收实验表明，该配方能明显提高体系抑制性能，页岩膨胀降低率62%，滚动回收率可达90%以上。

3 现场应用

根据井壁失稳对策及室内评价结果，制定了在原KCl钻井液体系中加入0.5%BZ-JAI+2%BH-NFT的方案，并在现场应用了3口井，均顺利完成了施工作业，钻进过程中井壁无明显掉块现象，井径扩大率明显改善，平均井径扩大率小于20%，未出现井壁失稳现象。试验井井径数据见表5。

表5 试验井井径数据Table 5 Caliper logs of the testing wells

现场钻井液性能维护措施：(1)三开前，原井浆加入 2% BH-NFT、0.5% BZ-JAI，同时保证 KCl含量在不低于7%，并随钻及时补充，提高钻井液的抑制性，形成优质滤饼，保证钻井液良好的润滑性、造壁性，防止垮塌掉块；(2)三开钻进时，根据井底温度及井壁稳定情况，及时补充抗高温防塌降滤失剂REDUL2、高效封堵防塌剂SN以及封堵润滑剂KRLQ，并在后期维护过程中保证其在体系中的含量；(3)若发现井下有垮塌现象，要及时进行防塌处理，适当提高钻井液黏切，确保垮塌物携带出地面。

4 结论

(1)巴彦河套盆地临河区块深层古近系地层以黏土矿物和石英为主，黏土矿物以伊蒙间层为主，微裂缝发育。钻井液侵入井壁微裂缝，水楔作用下造成微裂缝扩张，同时伊蒙间层强水敏，滤液侵入后在水化作用下导致坍塌压力进一步增加，进而导致剥落掉块是井壁失稳的主要原因。因此，解决井壁失稳的关键在于提高钻井液对微裂缝的封堵，同时以提高钻井液抑制性为辅。

(2)引入成膜性的纳米级、微米级粒径颗粒BHNFT提高对地层微裂缝及滤饼的封堵性，优选小分子聚胺抑制剂BZ-JAI与KCl协同增强抑制性，优化后的KCl钻井液体系显著提高了封堵与抑制能力，现场应用3口井，钻进过程中井壁无明显掉块现象，井径扩大率明显改善，平均井径扩大率小于20%。

(3)作为华北油田重点区块，后续临河区块深部地层将会部署难度更大的水平井。建议深入开展巴彦河套深井超深井井壁稳定技术研究，针对性地提高钻井液配套技术，为打好以深部地层为目的层的水平井奠定坚实的基础。