防塌技术

塔河油田硬脆性地层防塌技术研究

刘贵传郭才轩江山红

中石化勘探开发研究院德州石油钻井研究所

摘要：本文通过对塔河油田易扩径的三迭石炭系硬脆性地层地质特征及工程因素等方面进行综合分析研究，研究出了该地层井壁坍塌扩径的主要原因，并从钻井液

化学及岩石力学等方面提出了解决井径扩大的主要技术途径。并介绍了防扩径钻井液

技术在塔河油田应用情况，现场应用效果明显。

主题词：塔河油田硬脆性地层井径扩大坍塌掉块坍塌压力地层微裂隙泥饼质量钻井液

引言

井壁失稳是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的技术难题，井壁不稳定不仅会影响工程质量，甚至会造成井眼报废。井壁失稳的因素很多，不仅与钻井液化学及岩石力学有关，还与工程技术、管理因素密切相关，是一个系统工程。自一九九七年下半年以来，塔河油田成为中国石化新星石油公司的石油勘探开发的重点工区，但钻井过程中也随之出现了诸多复杂情况，尤其是三开井段三迭系、石炭系地层坍塌掉块产生的严重井眼扩大问题，部分井段井径大于Φ355mm（有的井达到Φ508mm，如S47井Φ216mm井眼达Φ546mm，扩大率达154%，其平均井径扩大率为17.22%；S62井三开最大井径达Φ570mm，扩大率达164%），这对钻井、固井工程质量及后期的储层评价开发产生较大的影响。为此，新星公司对塔河三开井径扩大问题进行了分析研究，确定合理的钻井液方案，基本解决了塔河油田三迭系石炭系井径扩大问题。为固井工程质量的提高打下了坚实基础。

一、硬脆性地层地质特征及坍塌原因分析

(一)基本地质特征

1、粘土矿物分析

我们选取了扩径最严重的层位泥岩岩样进行了粘土矿物及全岩矿物X-射线衍射分析，从粘土矿物和全岩矿物X-射线衍射分析结果可知，粘土总量为45~62%，其中粘土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，两者合计达70%。随着井深的增加伊/蒙混层增高，且混层比也增大，而伊利石、绿泥石、高岭石随之降低。蒙脱石是产生吸水膨胀的基础物质，伊利石遇水产生分散，从而造成该地层易水化分散、剥落掉块。部分实验数据如表1-1、1-2。

2、泥页岩吸附膨胀和分散性分析

利用T401井易扩径地层泥页岩进行吸附膨胀实验和分散实验，结果分别见表1-3、表1-4。

表1-1 T401井全岩矿物X-射线衍射分析结果

表1-4 T401井泥页岩分散实验结果

表1-5 T401、T402井坍塌压力（当量密度）计算结果

由分散实验和膨胀实验结果可知，CST值在148.4~266.7，Mt在0.4847~0.720，其膨胀性和分散性属中等。且该地层伊/蒙混层矿物水化膨胀不均匀，当滤液沿裂隙进入地层深部时，很容易使泥岩水化膨胀，产生强大的膨胀压，从而加剧了地层的坍塌掉块。

(二)岩石力学特性分析

利用测井资料分析计算其压力剖面，其中地层孔隙压力与地层坍塌压力数据见表1-5。

由坍塌压力数据表可看出，该地区地层存在着较高的坍塌压力，其当量密度数值可达到1.28~1.32g/cm3左右。而且不同地层有着明显的差异，大约在4300m以上，坍塌压力值低于孔隙压力，而自4300m以下，则坍塌压力高于孔隙压力。

(三)井壁坍塌扩径原因分析

综上实验结果及塔河油田施工实践，可得出以下结论：

1、三迭下部、石炭系地层粘土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，混层比高，其膨胀性和分散性属中等，且伊/蒙混层矿物水化膨胀不均匀，当钻井液滤液沿地层微裂隙侵入到地层深部时，随着泥页岩水化膨胀的进行，地层将产生强大的膨胀压，井壁失去平衡，导致坍塌掉块。

2、三迭下部、石炭系地层存在着较高的坍塌压力，且坍塌压力大于孔隙压力。当按孔隙压力设计钻井液密度时，相对于地层坍塌压力而言即形成“欠平衡”。因此，钻井液密度过低是导致易坍塌地层扩径原因之一。

3、钻井液体系及其性能控制不当将难以防止井壁坍塌，尤其是钻井液滤失量和泥饼质量直接关系到防坍塌掉块的成败。滤失量大，将增加进入地层微裂隙的滤液量和深度，导致膨胀与坍塌，而泥饼质量差，将不能有效防止滤液进入地层，尤其是当其抑制性较差时，无法起稳定井壁的作用。

4、不合理的冲刷井壁或长时间定点冲孔导致井壁垮塌掉块，造成井眼扩径。

此外，一些井钻井周期长造成井眼浸泡时间长，加剧井壁坍塌，又增加了防井壁坍塌的难度。

二、井壁稳定性技术方法及措施

根据塔河工区三迭石炭系坍塌原因，其解决办法，除了选择合理的钻井液密度、强抑制性钻井液体系外，还应降低钻井液滤失量，提高泥饼质量，封堵地层微裂隙，阻止外来流体侵入。采用封堵固壁技术，可封固地层微裂隙，提高地层整体强度，形成薄而韧的泥饼，减少滤失量，达到稳定井壁的目的。

(一)选择合理的钻井液体系

1、选择抑制封堵固壁型钻井液体系

（1）选择抑制钻井液，可提高侵入到地层的钻井液滤液抑制性，减小泥页岩的水化膨胀作用；

（2）选择封堵固壁型钻井液，可提高泥饼质量，封堵地层微裂隙，阻止钻井液滤液侵入。封堵剂主要选择改性磺化沥青FT-1和多元醇成膜树脂FGA。改性磺化沥青主要作用是靠

一定温度和压差下发生变形，来封堵地层微裂隙，在井壁形成致密的内泥饼，提高对微裂隙或破碎地层的粘结力，并阻止钻井液滤液侵入地层。多元醇成膜树脂，主链上全部是碳原子，侧链上大多数是羟基，其分子量在5~10万之间，基本上没有包被作用，而主要靠大量羟基的吸附交联，粘结成膜，并吸附在井壁上，降低滤失量，提高泥饼韧性，使井壁地层强度提高，从而起封固稳定井壁的作用。

从实验结果看，加入改性磺化沥青、多元醇后，岩芯的完整性及其抗压（针入）强度显著提高。详见表2-1。

表2-2 典型钻井液配方钻井液性能表

2、钻井液配方

根据塔河工区特点，确定的基础钻井液配方为聚磺钻井液，其配方为：4~5%坂土+0.06~0.1%KPAM+1%KPAN+2%SMP+1~2%OSAMK+2%WFT666+2~3%FT-1，并在此基础上加入1~3%多元醇（FGA）。

(二)确定合理的钻井液密度

根据对塔河油田多口井的测井资料分析处理及中测数据，地质设计提供的地层孔隙压力密度当量值偏低（最高 1.24kg/l），明显低于地层坍塌压力，故进行钻井液设计时应考虑地层坍塌压力，使钻井液密度≥坍塌压力当量密度值。建议三开钻井液密度其最大值为

1.30~1.32kg/l以上。

(三)合理的钻井工艺

选择合理钻井液流变性，保持环空层流，减少井壁冲刷。避免长时间冲孔，特别是定点冲孔，以免冲垮井壁。此外，设法提高钻速，缩短钻井周期长，缩短井眼浸泡时间，也有利井壁稳定。