泥页岩地层油基钻井液封堵防塌技术研究及应用分析

2023-09-20陈忠宇

西部探矿工程 2023年8期

陈忠宇

（大庆钻探工程公司钻井三公司钻井工程技术服务中心，黑龙江大庆163000）

油气勘探开发是一项系统复杂的工程，如何实现井壁的稳定是提升钻井速度的关键所在，而泥页岩地层的井壁稳定性问题又是其中最关键的部分。在已统计的井塌事故中，超过9成发生在泥页岩地层，其中又有三分之二为硬性泥页岩[1]。根据实际开发经验和理论研究成果，发现在泥页岩中存在着大量的微裂缝，这些裂缝使得井壁的稳定性下降，采用高质量滤饼和更高性能的钻井液可以有效提升井壁的稳定性，提高钻井速度和稳定性。近年来，泥页岩的油田勘探开发的规模不断加大，面临的开发状况也越来越多，也给勘探开发团队带来了更多的考验，如超长水平井段的开发等等。为了平衡多方面的因素，钻井液仍然在当前的油井开发中占据着重要的位置[2]。以北美的页岩油气开发为例，油基钻井液在水平井段的利用率达到了近七成，其他类型的钻井液总量和累计占三层左右，在我国，泥页岩开发中也以油基钻井液为主。

1 古龙区块泥页岩储层分析

扫描电子显微镜是观察物质微观形态和微观组成的工具，通过对岩石的微观形态进行观察，明确页岩表面的形态，同时了解页岩空隙的大小，空隙内填充物的成分、大小以及含量等等。见图1。

从电镜的观察照片可以发现，该区块的岩样中存在大量的裂缝和层理，并且裂缝的尺度大小以微米级和纳米级居多，其中约有40%的孔缝在500nm以内，约有50%的孔缝在0.5～10μm之间，观察发现，页岩中存在的孔隙最小直径为2nm，最小裂缝的宽度7nm，孔隙和裂缝天然地成为了钻井液深入的途径。同时，在页岩的表面，存在着大量的树叶状的蒙脱石和蜂窝状的伊蒙混层，在颗粒表面和颗粒之间的缝隙里，依附着立方体状伊利石，这表明粘土中含有大量的矿物质，矿物质的主要成分为伊蒙混层、高岭石。岩样内部的电子显微镜图片可见大量的方解石和白云石颗粒[3]。方解石和白云石脆性较大，这就导致了该区的岩样难以承受较大的压力。所以，在对该区域进行勘探和开发时，需要进行有效的封堵、降低钻井液失水，保障钻探开发的安全。

2 油基钻井液体系封堵剂筛选

在经过大量的试验后，最终确定了油基钻井液中各原料的占比：柴油+2%～4%主乳化剂+1%～2%辅乳化剂+0.2%～0.4%润湿剂+3%油基增粘剂+3%油基降滤失剂+2%氧化钙+20%氯化钙水溶液。

说明：配方中油水比为(80～85)∶( 20～15)；氯化钙水溶液浓度根据储层矿化度进行调整，一般取20%～40%；根据现场施工环境温度的差异，使用柴油的标号也需要更换，一般在秋冬季节选用-35＃柴油，在春夏季节采用0＃柴油。

为了油基钻井液的性能，需要在钻井液中添加各种封堵材料，优化钻井液中的固相颗粒的合理配比，材料添加和固相颗粒配比的基础是明确泥页岩孔缝的大小，经过反复的试验，不断进行封堵剂种类的调整，颗粒比例的确认，最终得到了钻井液配方的组成。

从表1的性能对照表中可以看出，在加入了各种油基封堵材料以后，并没有对钻井液的流动性产生较大的影响，且进一步提升了钻井液的动塑比，高温高压失水和砂床侵入厚度降低明显，破乳电压也有升高趋势，在维持钻井液流变性稳定的基础上，采取多种措施封堵页岩的孔缝，提升泥页岩井壁的稳定。

3 高封堵油基钻井液在古龙区块A井的现场应用

在对古龙区块进行地质勘探以后，测量了孔隙压力，分析了静态资料，对该地层的压力系数进行了评估，同时预测压力梯度的区间为1.63～2.55MPa/100m。在钻进过程中，进行了多次的试验，得到了钻井液的密度窗口为1.55～1.728/cm3。根据实际的工程经验，在允许的密度窗口内，尽量选择较大的密度进行钻进，可以最大限度地发挥钻井液的封堵能力，同时也能够最大限度地平衡地层压力。A井钻井液性能见表2。

表2 A井钻井液性能表

该井使用高封堵油基钻井液的井段为：2261～4810m，水平段长2050m，钻井周期18.16d，在整个井段区间内井壁稳定性良好，该数据为古龙区的泥页岩钻探开发提供了支撑和参考。

4 裂缝性泥页岩地层防塌误区及强封堵防塌对策

当地层的层理和裂缝持续发育时，会提升钻井液侵入的速度，增加了孔隙的压力。在钻井液的持续浸泡下，泥页岩会被软化，造成强度的降低，在这些因素的综合作用下，地层的坍塌机理将会变得更加多样，坍塌压力也会迅速的提升。盲目的提升钻井液密度，虽然能够在短时间内保证井壁的稳定性，但是随着时间的增加，坍塌压力会持续增大，会造成稳定井壁的难度急剧上升，陷入恶性循环。在钻井液温度过大的情况下，甚至会出现井漏现象，对油气层造成污染[4]。

4.1 井田裂缝性泥页岩地层井塌分析及处理误区

石千峰组、石盒子组等裂缝发育，其崩塌程度最大，井径扩展率达22%以上。并且在钻井的过程中经常发生卡钻事件，导致需要很长的时间和成本进行维护，严重影响了钻井效率，也大大提升了钻井的成本

（1）矿物组分及理化性能分析。石千峰和石盒子组中含量最高的成分是石英，含量次之的是粘土矿物，比例达到28%～39%；在粘土矿物中，伊利石和伊蒙混层的含量最高。泥岩水化程度为弱分散、中等偏强膨胀。

（2）岩石力学实验。通过三轴压缩实验可以得到以下结论：石千峰和石盒子组的岩芯主要是劈裂型，应力峰值对应的应变不大于1.5%，地层强度比邻近地层低，压强度和内聚力较差[5]，表现出较强的脆性。该区域的脆性岩石一旦出现了应力聚集现象，则就会加速裂缝的扩展，形成更大的裂缝，造成岩石强度下降，承载能力丧失[6]。

（3）典型井井塌处理误区。以Y1 井为例，该井二开设计钻井液密度不大于1.14g/cm，但是在钻井过程中，频繁出现掉块问题，憋钻问题也频繁出现，需要花费大量的时间划眼。为了抑制井塌事故，现场不断提升钻井液密度，但是坍塌现象却越来越严重，当钻井液的密度提升到1.24g/cm3时，井漏和井塌现象同时出现，井下的条件也变得更加复杂[7]，该井钻井液密度以及井径曲线见图2。盲目地提高钻井液密度也会影响到储层的特征。要实现科学正确的处理井塌问题，就需对垮塌原理进行深入探究，科学的认识到裂缝发育对稳定性造成的危害。

图2 Y1井裂缝性地层提高钻井液密度防塌效果分析

4.2 裂缝发育等破碎性地层井塌机理

再以Y2 井为研究对象，对地层进行分析后发现该地层为常压地层，设计方案中钻井液密度不大于1.14g/cm3，在钻井过程中，由于出现井塌，密度逐渐提升到1.18g/cm3，但是防塌效果并没有得到提升，石千峰组、石盒子组等地层井径扩大率普遍达到20%。实验数据表明，钻井液的侵入会导致岩石的强度降低，在一周的时间内，强度降低了20%，并且裂缝处的孔隙压力密度上升了5%，达到了1.05g/cm3，根据实验结果绘制了坍塌压力变化图。从图3中可以看出，裂缝发育的石千峰和石盒子组等地层揭开初期，由于裂缝中钻井液液柱压力较大，能够短时间内维持稳定，随着时间的增加，钻井液会沿着裂缝渗入，导致地层被浸泡，导致坍塌压力逐渐增加，在经过一段时间后，坍塌压力就会高于液柱压力，井壁的稳定性就难以维持。当进一步提升钻井液密度，就会导致裂缝的宽度加大，钻井液渗入就会变得更加简单，从而形成了一种恶性循环，加速了井壁的坍塌。从上述的研究分析，在进行裂缝封堵时，其中一个关键的注意事项就是尽量避免钻井液的侵入。

图3 Y2井裂缝性地层坍塌压力动态分析

4.3 裂缝性地层钻井液封堵剂优选

封堵剂的优选方法和堵漏剂的优选原理基本一致，核心都在实现不同颗粒级的合理搭配。在理论研究的基础上，结合压力传递试验，评估磺化沥青FT-1封堵剂存在的缺陷，然后另外选取微米弹性封堵剂SDFD、纳米封堵剂SDGS 两种封堵剂，通过实验确定3种封堵剂的最佳比例，形成最佳的钻井液体系。

结合石千峰和石盒子组裂缝性泥页岩埋深，通过保持上下游压力差的值为4MPa，对比现用的钻井液和本文研究的强封堵钻井液在性能方面的差异，结果见图4。

图4 基于压力传递实验的裂缝性地层钻井液封堵性评价

（1）在现场使用常规的钻井液，由于裂缝的存在和压差作用，封堵剂逐渐地深入到裂缝中，初步形成了一定的封堵并减缓了压力的传递，在前10h，可以有效地抑制地层压力的提升速度。但是由于钻井液中没有弹性颗粒，难以保证封堵强度，随着时间的推移，压力的传递路径会逐渐畅通，到了20h以后，压力已经上升到井筒压力，此时封堵作用完全失效，在实验后对现场进行观察，岩体的裂缝宽度明显增加。

（2）在钻井现场使用强封堵钻井液，首先由于裂缝和压差的存在，纳米封堵剂SDGS 逐渐渗入到裂缝中，首先实现了初步的封堵，然后封堵剂SDFD中的弹性颗粒会在裂缝中形成支架，进一步加强了封堵的能力，有效地隔断了压力的传递，使得地层的压力不会持续增加，在实验后对现场进行观察，岩体的裂缝宽度无明显增加(见图5)，表明该封堵液的性能明显升高。当前，该封堵液体系已经开始在井田逐步推广。