冀东油田深层泥岩钻井液防塌性能评价方法研究

冀东油田深层泥岩钻井液防塌性能评价方法研究
李战伟１，
蒋　卓２，邓　威１，肖　和２，于国伟１，李全乐１（１．冀东油田勘探开发建设工程事业部，河北唐山　０６３００４；２．湖北汉科新技术股份有限公司，湖北荆州　４３４０９９
） 摘　要：
冀东油田深层泥岩主要是以伊利石、伊蒙混层为主的硬脆性泥岩；在钻井过程中，泥岩的剥落掉块容易引起井壁失稳，经常造成井壁坍塌掉块、钻具阻卡、电测遇阻等井下复杂情况。

针对冀东油田深层泥岩的理化特性和硬脆性泥岩的坍塌机理，研究了钻井液封堵性评价方法；通过高温高压滤失速率、纳米微孔滤膜测试技术和泥岩压力传递测试技术，来评价钻井液体系对硬脆性泥页岩微－纳米孔喉的封堵效果。

这些方法对提高钻井液对硬脆性泥岩的封堵能力有一定的指导作用，可以用于现场施工过程中对井壁失稳预防及处理，指导钻井液防塌性能的现场监督管理和调整维护。

关键词：井壁稳定；评价方法研究；硬脆性泥岩；微纳米封堵；压力传递
中图分类号：
ＴＥ２５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９８１（２０１７）１０—０１０３—０４ 井壁失稳一直是困扰石油钻探的一个大问题，在世界许多油田都存在，也一直没能够得到很好的解决。

根据数据统计，９０％以上的井塌发生在泥岩地层，其中硬脆性泥岩地层约占２／３，软泥岩地层约占１／３。

传统的实验方法很难解决所有的井壁失稳问题，对于高含量蒙脱石的软泥岩的水化膨胀引起的井壁坍塌问题，用常规的实验方法能很好地在室内得到评价———如热滚回收评价、线性膨胀评价等；但是对一些以伊利石、伊蒙混层为主的硬脆性泥岩引起的井
壁失稳，一直未能找到很好的评价方法［
１、２
］。

冀东南堡深层东三至沙河街组地层发育大段硬脆性泥岩，钻井过程中经常因泥岩掉块而发生井眼失稳造成钻具阻卡、电测遇阻等井下复杂情况，严重影响钻井效率。

因此，建立对硬脆性泥岩井壁稳定的评价方法，来监督管理现场钻井液防塌性能和调整维护，指导现场施工十分必要。

１　冀东深层泥岩理化性能
１．
１　櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆
冀东油田深层岩屑全岩和黏土矿物部位，剩余油较富集，采用井网加密，油井压裂进行挖潜。

３
．３　断层－有注有采剩余油主要集中在断层的边部，剩余油较富集，采用水井细分、调剖，井网加密，油井压裂进行挖潜（图２）。

图２　席状砂砂体注采挖潜模式
４　结论①注采关系不完善形成的剩余油是太１
９０及葡北一断块剩余油分布的主要类型之一，其可以分为有注无采型和有采无注型两种，特别是以有采无注
型为主。

②在断层附近由于连通关系、注采关系复
杂，局部因水驱程度差，形成了一定剩余油。

③微构造与剩余油有一定关系；微构造高点处是剩余油分布的有利区，是剩余油富集区。

［参考文献］
［１］　刘洪涛，
王长生，等．葡北油田密井网精细地质描述及剩余油潜力研究［Ｒ］
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０００，（１２）．［２］　高瑞琪，
蔡希源，等．松辽盆地油气田形成条件与分布规律［Ｍ］．石油工业出版社，１
９９７．３０
１　２
０１７年第１０期 内蒙古石油化工收稿日期：２０１７－０７－２５
冀东油田深层泥岩黏土矿物含量较低，一般小于１０％；地层黏土矿物组分以伊蒙间层矿物和伊利石为主，其次是绿泥石、高岭石。

其特点为硬脆性，分散性弱，由于黏土矿物膨胀性和水化力的差异易造成井壁剥落掉块和井壁坍塌。

１．２　岩屑水化分散性评价
室内研究统计了冀东油田深层泥岩的分散性和膨胀性实验数据，从泥岩分散膨胀性实验可以看出，冀东油田深层泥岩岩屑在清水中的回收率比较高，其清水的滚动回收率基本都在７４－９５％左右，而其膨胀率也相对较高，大致在１７－２５％左右，因此属于弱分散中等膨胀的泥岩。

１．３　泥岩的孔喉结构
为了进一步了解冀东深层泥岩的特点，室内对
该区块泥页岩的孔喉结构进行了分析，从压汞资料分析来看，孔喉半径分布范围４．０～１６０ｎｍ。

９０％的孔隙小于１００ｎｍ。

其中最大孔喉半径１６０．０ｎｍ，中值孔喉半径４２．５ｎｍ，平均孔喉半径为３３．８ｎｍ。

说明该区块硬脆性泥岩孔喉较小，属于纳米级孔隙；对于钻井液来说，除非裂缝开启，钻井液重的固相颗粒是很难进入到地层的，因此，影响该区块深层硬脆性泥页岩的主要是钻井液滤液和压力的传递。

１．４　泥岩岩块浸泡实验
室内对冀东深层沙河街组的岩样进行浸泡实验并局部放大观察，实验现象见图１；通过局部放大可以看出泥岩与水接触５分钟时间泥岩就出现气泡，随着浸泡时间的增加，１６ｈ时泥岩出现裂缝。

图１　泥岩在水中的浸泡实验
从浸泡实验来看，冀东深层泥岩微裂缝非常发
育，浸泡过程中，看是完整的岩样表面马上出现大量
的气泡，表明岩样就具有很强的自吸水能力，同时一
段时间后，肉眼观察不到的裂缝增非常明显的出现，
表明微裂缝的发育以及水侵入后对微裂缝开启的影
响。

２　冀东油田深层泥岩失稳机理
冀东深层硬脆性泥岩的垮塌、掉块主要分为两
个阶段［３、４］：第一阶段，钻开井眼后，钻井液滤液在
正向压差和毛管力的作用下沿微裂缝和毛细管侵入４
０
１内蒙古石油化工 ２０１７年第１０期　
泥岩内部，井壁围岩内孔隙压力显著提高，再叠加上“压力传递”作用，降低有效应力支撑作用，导致井壁力学失稳；第二阶段，侵入微裂缝的滤液通过泥页岩内部黏土矿物水化膨胀，造成岩块受力不均，加剧了滤液的侵入和微裂缝的开启。

当一个岩块周围的微裂缝完全被滤液充满时，该岩块就被滤液完成了一次“水力切割”，于是便与周围的岩体分离开来，宏观上表现为泥页岩的剥落掉块。

３　冀东油田深层泥岩钻井液防塌性能评价方法的建立
通过对冀东深层井壁失稳机理研究来看，对硬脆性泥岩来说，有效封堵纳米级微孔隙，防止微裂缝开启是关键。

现有的评价方法模拟出来多为砂岩孔隙类型（１～１２０μｍ）和裂缝（＞１００μｍ），在一定程度上能够反映出钻井液的封堵效果，但在模拟硬脆性泥岩的纳米级孔隙时存在一定缺陷，无法真正模拟地层情况，室内通过研究分别构建了纳米微孔滤膜测试技术以及泥岩压力传递测试技术。

３．１　实验用钻井液处理剂
实验选用了纳米封堵剂ＨＳＭ、微米级封堵剂ＷＦＤ和微纳米封堵剂ＨＧＷ等３种封堵剂［５］。

其粒径分布如下：
表１　封堵材料激光粒度分析
序号封堵剂粒度范围（μｍ）粒度中值（μｍ）平均粒径（μｍ）
１微米级封堵剂ＷＦＤ　０．１－２２９．７　１２．０５　１６．９７
２微纳米封堵剂ＨＧＷ　２００．６７－５４２．４３×１０－３　３００．５２×１０－３　４３３．５３×１０－３
３纳米封堵剂ＨＳＭ　１．４２－１６．７１×１０－３　４．０８×１０－３　２８．９６×１０－３
３．２　钻井液封堵性评价
室内分别使用滤纸和纳米滤膜作为封堵介质，通过滤失量和滤失速率，考察了不同的封堵材料对微米级和纳米级封堵介质的封堵情况。

３．２．１　滤纸介质
实验室使用的滤纸孔径为２０μｍ，具体实验情况如下。

钻井液配方：２％淡水土浆＋０．３％ＮａＯＨ＋０．３％ＬＶ－ＰＡＣ＋２％降滤失剂ＨＦＬ－Ｔ＋２％抗高温降滤失剂ＳＭＰ－２＋３％ＫＣＬ＋２％液体润滑剂ＨＬＢ＋１％胺基硅醇ＨＡＳ＋重晶石加重至１．３ｇ／ｃｍ３实验结果分别见图２、图３。

从以上实验数据可以看出，针对微米级孔隙的封堵介质，加入纳米封堵材料ＨＳＭ对滤失量和滤
失速率基本没有影响。

加入微米级封堵剂ＷＦＤ和微纳米封堵剂ＨＧＷ，滤失量和滤失速率均有降低。

说明高温高压滤失量，适合评价微米孔隙的封堵。

３．２．２　纳米微孔滤膜介质
室内研究针对纳米级微孔隙特点，有针对性的特制了纳米微孔滤膜，尺寸与常规滤纸相同，孔径微纳米级，范围在１０～１５０ｎｍ之间。

钻井液配方：２％淡水土浆＋０．３％ＮａＯＨ＋０．３％ＬＶ－ＰＡＣ＋２％降滤失剂ＨＦＬ－Ｔ＋２％抗高温降滤失剂ＳＭＰ－２＋３％ＫＣＬ＋２％液体润滑剂ＨＬＢ＋１％胺基硅醇ＨＡＳ＋重晶石加重至１．３ｇ／ｃｍ３实验结果分别见图４、图５。

图２　
微米介质上滤失量的变化情况
图３　微米纸介质上滤失速率的变化情况
从实验数据可以看出，针对纳米级孔隙的封堵介质，体系中含有纳米封堵材料ＨＳＭ和微纳米封堵剂ＨＧＷ，其滤失量和滤失速率降低相对明显，说明含有纳米封堵材料的体系对纳米级孔隙具有更好的封堵能力。

５
０
１
　２０１７年第１０期 李战伟等　冀东油田深层泥岩钻井液防塌性能评价方法研究
综合以上实验结果表明，采用滤纸评价钻井液体系对纳米级孔隙的封堵效果滤失量表现不是很明显；采用滤膜评价钻井液体系对纳米级孔隙的封堵效果滤失量具备一定的参考价值，可以通过滤失量和滤失速率的大小来评价钻井液对纳米级孔隙的封堵效果。

图４　
滤膜介质上滤失量的变化情况
图５　滤膜介质上滤失速率的变化情况
３．３　泥页岩压力传递测试技术
由于泥页岩渗透率极低，通过钻井液“液相侵入”和“压力传递”情况可反映钻井液对泥页岩井壁封堵效果和稳定性。

表２　不同钻井液体系在泥岩上的压力传递平衡时间
配方上压力（ＰＳＩ）下压力（ＰＳＩ）平衡压力（ＰＳＩ）平衡时间（ｈ）基浆１００　６００　６５６　２．４基浆＋３％ＷＦＤ　１００　６００　５６８　９．６基浆＋３％ＨＧＷ　
１００　
６００　６７３　６６．３基浆＋３％ＷＦＤ＋３％ＨＧＷ＋２％ＨＳＭ　１００　
６００　
６３２　
８９．８
实验方法：
利用人工模拟泥岩岩心，实验通过精密压力传感器监测下游端压力变化情况，考察钻井液对泥岩压力传递的速度和量。

室内使用泥岩压力传递装置测试了不同钻井液体系在泥岩上的压力传递情况，考察微纳米封堵技术对泥岩的封堵能力。

从实验结果中可以看出，
基浆压力平衡的时间为２．４小时左右；加入微米级封堵材料后压力平衡的时间为９．６小时；加入微纳米封堵材料后压力平衡时间为８９．８小时；相对比较，针对泥岩岩心微纳米封堵钻井液的压力传递速率远小于常规钻井液的压力传递速率。

通过压力传递随时间变化的情况可以评价钻井液对泥岩微纳米孔隙的封堵能力。

４　结论
①根据冀东深层井壁失稳机理研究，对纳米级微孔隙的封堵评价方法进行了研究；分别构建了不同封堵介质的封堵性评价测试技术以及泥岩压力传递测试技术。

②常规封堵介质，对纳米级孔隙的封堵效果表现不是很明显；采用纳米微孔滤膜介质，通
过滤失量和滤失速率的大小来评价钻井液对纳米级孔隙的封堵效果。

③通过钻井液对在泥岩上的压力传递情况，根据钻井液对泥岩压力传递的速度，来评价钻井液体系对硬脆性泥岩的封堵能力。

④由于压力传递实验仪器较大，实验时间较长，不易用于现场测试；建议室内先用纳米微孔滤膜介质进行评价，再使用泥岩压力传递装置进行评价，确定对应控制指标。

［参考文献］
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１内蒙古石油化工 ２０１７年第１０期　。