天环坳陷页岩气井井壁失稳机理及防塌钻井液技术研究与应用

张矿生， 欧阳勇， 谢江锋， 陈志勇， 黄胜铭， 黄维安*

(1. 中国石油长庆油田公司油气工艺研究院， 西安 710018； 2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室， 西安 710018； 3. 中国石油长庆油田公司工程技术管理部， 西安 710021； 4. 中国石油大学(华东)石油工程学院， 青岛 266580)

天环坳陷构造区块页岩气水平井井壁失稳问题频发，目标地层为乌拉力克组，地层岩性为硬脆性泥页岩，微裂缝和微孔隙发育，给钻井安全带来了极大的挑战[1-2]。由于泥页岩自身的储层特性，导致水平井钻井过程中井壁坍塌、掉块等井下事故频繁发生，阻碍了页岩气勘探开发的进程，成为世界范围内的难题[3-8]。页岩储层井壁失稳机理研究经历了力学、化学、力-化耦合以及多场耦合机理研究阶段。Gennanovich 等[9]通过研究压缩应力下井壁的拉伸机理，建立了裂缝-井筒耦合模型。金衍等[10]在弱面理论的基础上进一步探讨，得出弱面的存在不利于井壁稳定，容易造成井壁失稳。Chenevert[11]研究了化学因素对井壁失稳的影响，通过钻井液浸泡实验，证明了泥页岩在浸泡后岩石强度会降低。Yew等[12]采用热比拟法，得到了层理性地层井周岩石吸水量方程，并以此为基础，通过实验测试了不同吸水量的层理性岩石水化膨胀应变与力学参数的关系。Abass 等[13]将物理场引入页岩井壁稳定模型，综合考虑了孔隙压力变化、岩石骨架变形等岩石物理性质对井壁稳定性的影响。Ma等[14]采用弱面破坏准则对硬脆性泥页岩地层的井壁失稳原因进行了研究与分析。Liu等[15]、Ma等[16]、李郑涛等[17]对页岩气水平井井壁稳定机理进行了研究，综合分析了弹性与强度的影响。肖志强等[18]建立了泥页岩井壁的流-固-化耦合模型，研究了压力传递和力学界面之间的相互耦合效应。邱正松等[19]、黄维安等[20]提出了“多元协同”井壁支撑理论，并在现场应用中取得了较好的成果。黄维安等[21-22]针对性地提出了“抑制-封堵-应力支撑”三元协同钻井液防塌对策，成功解决了塔河油田深井侧钻中出现的井壁失稳问题。

现针对天环坳陷构造区块乌拉力克组和克里摩里组泥页岩地层井壁失稳问题，通过地层岩样组构分析、理化性质分析以及三轴力学实验分析，得出泥页岩地层井壁失稳机理，提出“封堵+润滑”的多元多尺度协同井壁防塌对策，通过优选封堵防塌剂以及高效润滑剂，构建高效防塌钻井液体系，以起到加强封固地层以及降低水平段摩阻的作用，解决天环坳陷构造区块泥页岩地层的井壁失稳问题。

1 天环坳陷复杂地层井壁失稳分析

1.1 地质概况

鄂尔多斯盆地天环坳陷位于华北克拉通的西部，处于几大构造单元的结合部位，构造较为复杂。其中，乌拉力克组岩性主要为深灰色及灰黑色含灰泥岩、灰黑色泥岩，克里摩里组上部为深灰色、灰黑色花斑状含泥灰岩，中下部为灰黑色、黑色泥岩、云质泥岩、泥灰岩与灰褐色云质灰岩、黑色页岩互层，易出现水化坍塌现象。乌拉力克组地层岩性属于典型的硬脆性页岩，微裂缝、孔隙发育，造成地层水化膨胀、出现卡钻、地层坍塌等井下复杂事故。

1.2 组构分析

1.2.1 矿物组成分析

利用D/max-2500PC衍射仪，进行复杂地层岩样的全岩矿物及黏土矿物相对含量分析，如表1、表2所示。从表1看出，盒八组岩样中石英含量最高(49%)，黏土矿物含量为48%，含有少量菱铁矿(3%)；克里摩里组岩样中以石英为主，平均为40%，其次为黏土矿物含量(平均26.25%)，方解石含量(平均19%)，含有少量斜长石(平均3.5%)，钾长石(平均2.75%)；乌拉力克组岩样中以石英为主，平均为57%，其次为黏土矿物含量(平均26%)，铁白云石含量(平均6.5%)，方解石(平均4.75%)，含有少量钾长石(平均2.5%)，斜长石(平均1.75%)。

表1 天环坳陷复杂地层岩心的全岩矿物分析结果

由表2看出，盒八组地层黏土矿物以高岭石为主，含量为67%，其次是绿泥石(16%)和伊/蒙间层(12%)，间层比均为15%，该层稳定性较差；克里摩里组地层黏土矿物以伊利石为主(平均45.75%)，其次为伊/蒙间层(平均35.25%)和绿泥石(19%)，间层比均为15%；乌拉力克组地层黏土矿物以伊利石为主(平均58%)，其次为伊/蒙间层(平均34%)和绿泥石(平均8%)，间层比平均为18.75%，该层高岭石未发育，属于硬脆性泥页岩。

表2 天环坳陷复杂地层岩心的黏土矿物相对含量分析结果

1.2.2 微观结构特征

利用S-4800冷场扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)分析了该地层克里摩里组和乌拉力克组岩样的微观构造特征，如图1、图2所示。从图1可以看出，Z2井4 177.3 m处克里摩里组岩样裂缝、孔隙和溶蚀颗粒发育，孔隙中有球状黄铁矿残余，黏土矿物以伊利石和伊/蒙间层为主；Z4井4 029.1 m处岩样裂缝、孔隙和溶蚀孔隙发育，溶蚀孔隙中及其周围含有部分有机质，溶蚀颗粒具有黏土化的特点；Z4井4 029.8 m处岩样裂缝、孔隙和溶蚀颗粒发育，溶蚀缝也有所发育，黏土以伊利石为主。从图2可以看出，ZP1井4 268.66 m乌拉力克组岩样裂缝和孔隙发育，并且有片状矿物存在，黏土矿物主要以伊利石为主；ZP1井4 276.88 m处岩样以及ZP1井4 277.66 m处岩样胶结致密，粒间孔隙不发育，颗粒表面被溶蚀，孔隙中有球状黄铁矿集合体，黏土矿物以伊利石和伊/蒙间层为主。

图1 克里摩里组地层岩样SEM扫描电镜照片

图2 乌拉力克组地层岩样SEM扫描电镜照片

1.3 理化性质分析

1.3.1 阳离子交换容量

按照石油天然气行业标准《泥页岩理化性能试验方法》(SY/T 5613—2000)，采用亚甲基蓝方法测试了天环坳陷复杂地层岩样的阳离子交换容量[15-16]，以进一步分析复杂地层的理化性质，计算公式为

(1)

式(1)中：CEC为泥页岩的阳离子交换容量，mmol/100 g；a为滴定所耗亚甲基蓝毫升数；b为滴定所用干页岩的克数。测试结果如表3所示，Z2井岩样阳离子交换容量分布在0.7～3.4 mmol/100 g，黏土矿物含量不高于48%；Z4井岩样阳离子交换容量分布在2.4～3.6 mmol/100 g，平均阳离子交换容量为2.82 mmol/100 g；ZP1井阳离子交换容量最高为3 mmol/100 g，最低为2.5 mmol/100 g，黏土矿物含量为22%～25%。该地层CEC当量数据与伊利石的CEC数据接近，表明这与伊利石和伊/蒙间层的相对含量高有直接关系。

表3 天环坳陷复杂地层岩样阳离子交换容量测试结果

1.3.2 水化性质

图3为天环坳陷复杂地层岩样水化性质分析结果。如图3(a)所示，Z2井地层岩样的膨胀量最高为0.82 mm，最低膨胀量为0.30 mm，膨胀率在3.65%～10.59%；Z4井地层岩样膨胀量为0.49～0.97 mm，膨胀率在6.25%～12.34%；ZP1井地层岩样的膨胀量最高为0.90 mm，最低膨胀量为0.27 mm，膨胀率在2.53%～8.81%，具有一定的水化膨胀性，存在井漏、井塌的风险。如图3(b)所示，复杂地层岩样的回收率在96.48%～99.03%，岩样平均回收率为97.58%，表明复杂地层岩样水化分散性能较弱。

图3 天环坳陷复杂地层岩样水化膨胀及分散性质测试结果

1.3.3 表面润湿性分析

使用接触角测定仪测定了模拟地层水和航空煤油的接触角，为消除操作的影响，测定2～3次，选择效果较好的取平均值。如表4所示，航空煤油在Z2井、Z4井和ZP1井复杂层段岩心亲油性大于亲水性，岩心表面为油润湿。岩心与航空煤油接触角均较小，平均接触角为16.15°，测试岩心表面亲油性良好；模拟地层水接触角较大，平均接触角为46.78°，测试岩心表面亲水性较差。

表4 复杂层段岩样与地层水和航空煤油接触角测试结果

1.4 三轴力学实验分析

采用美国GCTS公司生产的RTR-1000型三轴岩石力学测试系统，选取天环坳陷复杂地层岩心，进行页岩常规三轴压缩强度试验，测试结果如表5和图4所示。测试结果表明，取样角为0°的岩样峰值载荷为121.47 MPa，泊松比为0.27，弹性模量为14.014 GPa；取样角为90°的岩心峰值载荷为265.27 MPa，泊松比为0.1，弹性模量为19.618 GPa。由此看出岩样呈现出显著的各向异性。

图4 三轴压缩应力应变图

表5 三轴力学强度测试结果

1.5 井壁失稳机理及防塌对策

通过对天环坳陷构造区块内Z2井、Z4井及ZP1井复杂地层岩样的矿物组成、微观构造、理化性质测试以及三轴强度测试综合分析，复杂地层井壁失稳机理如下：盒八组地层岩样黏土矿物成分以高岭石为主，克里摩里组和乌拉力克组地层岩样以稳定较高的伊利石为主，属硬脆性泥页岩，其水化膨胀能力较强；复杂地层岩样构造不致密，发育有微裂缝和微孔隙，黏土矿物充填其中或分布在颗粒表面，钻井液滤液易通过微裂隙和裂缝侵入地层，引起泥页岩的局部水化，水化膨胀压会导致井壁失稳，易出现坍塌掉块。

针对得出的天环坳陷复杂地层井壁失稳物化机理和力学性质分析，提出“封堵+润滑”的双效协同井壁防塌对策，通过加强泥页岩水化抑制性，阻止水分子侵入，增强地层封堵作用，深度封堵泥页岩微孔隙及微裂缝，阻缓钻井液滤液进入页岩地层，减缓压力传递效应，加强地层应力支撑，从而达到稳定井壁的效果。

2 防塌钻井液技术研究

2.1 核心处理剂优选

2.1.1 封堵防塌剂

现场水基钻井液配方为4%膨润土400 mL + 3.0%G303 + 0.5%XCD + 3.0%G314 + 5.0%NaCOOH + 1.0%G307。以“现场水基钻井液 + 2.5%封堵防塌剂”为实验浆，测试各实验浆140 ℃/16 h热滚前后的流变性、滤失性，以热滚后140 ℃/3.5 MPa下的高温高压(high temperature and high pressure，HTHP)滤失量为主要指标，优选综合性能较好的封堵防塌剂。DYFT-Ⅱ为低荧光磺化沥青，EFD-2为高温封堵防塌剂，WFT-666为低荧光阳离子防塌剂，ZK601为磺化沥青。从表6看出，EFD-2高温高压滤失及中压滤失都是最低，故选择高温封堵防塌剂EFD-2作为封堵防塌剂。

表6 封堵防塌剂优选实验结果

2.1.2 高效润滑剂

以“现场水基钻井液 + 2.5%EFD-2 + 1.5%高效润滑剂”为实验浆，测试各实验浆140 ℃/16 h热滚后的极压润滑系数和黏附系数，以润滑性为主要指标优选出性能较好的润滑剂，测试结果如表7所示。实验结果表明，优化后钻井液表观黏度上升，API滤失量降低，其中液体润滑剂RT101黏滞系数为0.064 7，润滑系数为0.086 3，较其他润滑剂的润滑性能较好，优选推荐液体润滑剂RT101用于水平段钻井。

表7 高效润滑剂优选实验结果

2.2 防塌钻井液性能评价

通过进一步优选其他处理剂和优化体系配伍性，构建了防塌钻井液体系，钻井液配方为：4%膨润土 + 3.0%G303 + 0.5%XCD + 3.0%G314 + 5.0%NaCOOH + 1.0%G307 + 2.5%EFD-2 + 1.5%液体润滑剂RT101(密度加重为1.55 g/cm3，记为THFT)。

2.2.1 抗污染性能

分别对THFT体系的抗NaCl性能、抗CaCl2性能以及耐劣土性能(过100目筛网)进行评价，考察体系140 ℃/16 h前后流变和滤失性能变化来评价该体系的抗污染能力。天环坳陷构造区块防塌钻井液配方抗污染性能评价结果如表8所示，向THFT体系中加入5%NaCl后，该体系黏度略有下降，滤失量不变，加入10%NaCl后，体系表观黏度和塑性黏度有所下降，滤失量变化不大；加入0.5%CaCl2后，该体黏度降低，滤失量不变，加入1.0%CaCl2后，体系表观黏度和塑性黏度均降低，滤失量稍有增加；加入6%劣土后，该体系表观黏度略有下降，滤失量稍有增加。加入10%劣土后，该体系黏度降低，滤失量变化不大。综上所述，THFT体系的抗NaCl能力为10%，抗CaCl2能力为1.0%，其抗劣土能力为10%。

2.2.2 抑制性能

选取ZP1井复杂地层过100目岩屑，采用页岩膨胀仪，以THFT钻井液体系为试液，测试岩心水化膨胀性质，如图5(a)所示。THFT钻井液体系的水化膨胀量与优化前一致，8 h线性膨胀率均为零，无膨胀，表明THFT钻井液体系抑制水化膨胀能力较强；如图5(b)所示，THFT钻井液体系较现场钻井液抑制水化分散能力略有提升，回收率为99.6%，抑制水化分散能力较强，表明THFT钻井液体系具有优良的抑制防塌性能。

图5 THFT钻井液体系抑制性能评价结果

2.2.3 封堵性能

(1)渗透性封堵性能测试。通过砂床滤失实验，选用60～80目和80～100目石英砂，评价THFT钻井液体系渗透性漏失的封堵性能。评价结果如表9所示，配方THFT对60～80目石英砂的侵入深度为11.2 mm，对80～100目砂床侵入深度为8.4 mm，较现场水基钻井液渗透性封堵性能有明显提升。

表9 THFT防塌钻井液砂床滤失评价结果

(2)裂缝性封堵性能测试。采用高温高压堵漏模拟实验装置，选用200 μm和400 μm裂缝模块，评价THFT钻井液体系的封堵承压能力。评价结果如表10所示，现场钻井液能够封堵200 μm模拟裂缝，但无法封堵400 μm模拟裂缝，加压至0.5～1.0 MPa时，漏失少许，后慢慢变小至停止；加压至2.0 MPa时出现穿透现象，漏失量较大。THFT钻井液配方能够完全封堵200 μm和400 μm模拟裂缝，实验压力达到最大的5 MPa时均未出现漏失，具备优良的裂缝性封堵能力。

表10 THFT防塌钻井液配方裂缝封堵性评价结果

3 现场应用

3.1 概况及钻井液难点

ZP1井区即位于西缘冲断带中段马家滩逆冲席东北部的苦水构造带上，井深5 621 m，水平段长1 600 m，造斜点深度为3 700 m，目的层为奥陶系乌拉力克组，井深结构如图6所示。钻井过程中，下部井段会出现硬脆性泥页岩以及煤层，钻井液易发生井壁失稳问题，造成坍塌和卡钻等复杂事故，因此要做好防塌工作，提高钻井液密度，控制地层压力。

图6 ZP1井井身结构示意图

3.2 现场应用效果

构建的THFT防塌钻井液体系在ZP1井进行了有效试验，成功解决了该井水平段出现的井壁失稳问题，使得水平段的平均井径扩大率低于6%，如图7所示，平均钻速达到4.7 m/h，API滤失量控制在5 mL以下，在润滑防塌、井眼净化及储层保护方面都起到了很好的效果，表明THFT体系具有较好的抑制性能和防塌性能，钻进过程中没有出现过井壁剥落掉块等复杂情况，为保证天环坳陷构造区块的其他井的顺利钻进提供了借鉴意义。

图7 ZP1井三开井段地层井径扩大率对比

4 结论

(1)天环坳陷复杂地层岩样盒八组黏土矿物以高岭石为主，克里摩里组和乌拉力克组黏土矿物以伊利石和伊/蒙间层为主，属于硬脆性泥页岩，微裂缝、孔隙发育，易水化膨胀，造成地层井壁失稳。

(2)基于理化性质分析和三轴力学实验发现，天环坳陷复杂地层岩样膨胀率在2.53%～12.34%，岩样平均回收率为97.58%，具有一定的水化膨胀性和弱分散性，阳离子交换容量分布在0.7～3.6 mmol/100 g，岩心表面亲油性良好、亲水性较差，岩样呈现出显著的各向异性。

(3)构建的THFT防塌钻井液体系抑制防塌能力强，能够有效抑制地层岩样水化膨胀，具有较强的封堵能力和抗污染能力，流变性及滤失性好。

(4)THFT防塌钻井液体系在ZP1井进行了有效现场应用，数据表明，成功解决了该井水平段出现的井壁失稳问题，水平段的平均井径扩大率低于6%，平均钻速达到4.7 m/h，API滤失量小于5 mL，在润滑防塌、井眼净化及储层保护方面都起到了很好的效果。