梨树断陷井壁失稳机理分析与技术对策

                        梨树断陷井壁失稳机理分析与技术对策

刘聪

中国石化东北油气分公司   吉林 长春   130062

摘要：对松辽盆地梨树断陷井壁失稳地层（主要为硬脆性泥页岩地层）井壁失稳机理进行了阐述并形成井壁稳定钻井液技术对策，优选出抑制剂、封堵防塌剂、降滤失剂等关键处理剂，

进而构建出适合梨树断陷失稳地层井壁稳定的防塌钻井液体系，并形成配套钻井液施工工艺。

关键词：梨树断陷；井壁失稳；机理分析；技术对策

1 梨树断陷井壁失稳原因分析

随着裸眼井段的延长，地层泥页岩发育，钻井施工过程中易出现井壁失稳现象，造成局部地层井径扩大。为弄清地层岩石组分，分析敏感性矿物影响因素，结合工程地质特征，分析井壁失稳原因。

  由局部井径扩大率统计表所示，姚家组以下地层都存在不同程度的局部井径扩大现象。为了找出井壁失稳原因，开展了工程力学分析及岩石矿物组分分析。由相关井坍塌压力剖面数据及实钻钻井液密度可知，现场所使用钻井液的密度基本高于坍塌压力当量密度，维持了力学平衡。

通过分析矿物的组分及各组分的相对含量，可以初步判断地层岩石的类型及其失稳机理，进而选择合理的井壁稳定评价模型，制定适当的稳定井壁措施。室内衍射实验评价分析主要是对从现场获取的井下岩心进行X-Ray衍射实验，并对实验获得的数据进行相关处理，以获得样品中各种粘土矿物分布的相对含量。室内X衍射实验项目主要包括全岩分析和粘土矿物组分分析两项，全岩分析能够获得岩石样品中的各种矿物组分的相对含量分布。为深入分析井壁失稳原因，选取了苏3、苏4、河山3井全井段的岩屑，测定全岩矿物组成及粘土矿物组成。

由全岩矿物分析得出，粘土矿物在各层位都有分布，主要集中在泉头组以上地层，营城组地层含量也较多。

从粘土矿物组分随深度变化分布图中可以看出，地层深度不同，岩层粘土矿物组分含量不同，并且某些矿物含量变化较大，其中高岭石含量普遍偏少，大多数地层含量低于10.0%，有些地层含量甚至为0。

伊/蒙间层和绿泥石在地层中的含量随深度变化规律相反。在2000m以下的较浅地层，伊/蒙间层的含量较高，平均含量超过了 50.0%，有些地层高达70.0%，而绿泥石含量较少，低于10.0%；在2000~3000m地层，伊/蒙间层的含量稍低，低于20.0%，而绿泥石含量较高，在20.0%~40.0%之间；在3000m以上地层，伊/蒙间层的含量变化较大，但整体要高于20.0%，绿泥石含量变化也较大，但整体含量位于10.0%~30.0%之间。

伊利石在1000m以下地层含量较少，在1000m以上地层含量较多，但地层中含量变化较大，最高达70.0%。地层中伊/蒙间层比基本上为20.0%，个别较浅地层伊/蒙间层比较高，达到60.0%。

由以上粘土矿物成分分析得出，各层位伊蒙混层比都占有粘土矿物的主要比例，而蒙脱石又是粘土矿物水化膨胀的主要源头，伊利石是分散运移的主要源头，由此需要对失稳地层岩石的水敏特征和目前现场所使用的抑制剂的抑制能力进行综合评测。

当泥页岩与钻井液接触时，在水力梯度和化学势梯度的驱动下，引起水和离子的传递，包括钻井液液柱压力与孔隙压力之间的压力差驱动及由钻井液与泥页岩之间的化学势差驱动的离子扩散。在这些因素的作用下，泥页岩发生水化。泥页岩水化膨胀可分为三个阶段：第一个阶段是表面水化；第二个阶段是离子水化；第三个阶段是渗透水化。

表面水化：表面水化是由粘土颗粒表面吸附水分子作用而引起的，是颗粒间的短程相互作用，其主要驱动力为表面水化能。所有粘土矿物都会发生表面水化，在这一阶段，大约吸附4个水分子层厚的水，作用距离为l.0nm，从而导致结晶膨胀。表面水化所吸附的水与一般的水不同，由于与粘土表面吸附力很强，具有固态水的性能，故又把它称为固态水。

离子水化：离子水化是指粘土矿物所含硅酸盐晶片上的补偿性阳离子周围形成水化壳。离子水化一方面给粘土带来水化膜，同时水化离子与水分子争夺粘土晶面的连接位置。粘土矿物中所含有的交换性阳离子对粘土的膨胀程度有着重要的影响。在粘土晶体中，交换性阳离子与水分子竞争活性晶位。一般来说，高价阳离子比低价阳离子更容易吸附，因此带有低价交换性阳离子的粘土比带有高价交换性阳离子的粘土更容易膨胀。

渗透水化：渗透水化是粘土在完成了表面水化和离子水化过程之后的水化过程。水化的离子在液体中离解，远离粘土矿物表面。粘土矿物间形成扩散双电层，双电层斥力和渗透压共同作用而产生的水化作用为渗透水化。因此，只有表面存在可交换阳离子的粘土才会产生离子水化，也只有阳离子交换容量大的粘土矿物才会发生明显的渗透水化，渗透水化作用距离可达10nm以上，体积膨胀较大。

矿物的本性对粘土水化膨胀的强弱起决定性影响。蒙脱石晶层间仅有较弱的范德华力，其不足以抗衡粘土的水化能，因此能在蒙脱石晶层及颗粒外表面进行水化作用，蒙脱石吸水膨胀性强。对伊利石而言，水化作用不能在晶层间进行，只能在颗粒外表面进行，吸水膨胀性弱，其原因是伊利石晶层之间连接很紧，晶层之间存在K+嵌力。高岭石晶层之间的连接力是氢键和范德华力，其连接力足以抗衡表面水化能，水化仅在高岭石颗粒外表面进行，其吸水膨胀性差。其次，补偿阳离子的类型、粘土表面扩散双电层的厚度、介质的pH值及含盐量对粘土的水化膨胀性也有很大的影响。补偿阳离子的水化能越大，粘土水化膨胀性越强。扩散双电层越厚，水化膨胀性越强。介质的pH值越高，粘土表面的

ζ电位越大，粘土的水化膨胀性越强。介质含盐量越大，或者盐的阳离子价数越大，由于盐对粘土表面双电层的压缩作用使ζ电位降低，从而导致粘土的水化作用减弱。

因此，基于以上粘土矿物的水化作用机理分析，为评价井壁失稳地层岩石的水敏性，选取了苏4-1HF井、梨6-2HF井、梨深2-1井和梨页1井泉头组掉块进行水化分散和膨胀测试。

选取掉块10.0g研磨成0.015mm~0.044mm的粉末，在4.0MPa下压实5.0min，放入放满清水的实验舱中，使用NP-01页岩膨胀仪分别测试常温条件下岩屑粉末在不同时刻的膨胀率，实验结果如表1所示。

表1  掉块的线性膨胀率（%）

从表1中可以看出，4口井的掉块均呈现出一定程度的水化膨胀特征。随着浸泡时间的延长，其线性膨胀率越高。而在实际的钻井施工中，井壁岩石的水化膨胀则会直接影响到井径的大小，实钻过程中的起下钻不畅，在很大程度上归咎于井壁岩石的水化膨胀。

因此，现场采集优选了3种用于抑制水敏性黏土矿物水化膨胀的包被抑制剂，即两性离子型包被抑制剂（产地：四川成都），标记为A，聚丙烯酰胺类包被抑制剂（产地：山东东营），标记为B；螯合金属聚合物类包被抑制剂（河南新密），标记为C，并对其抑制效果进行了评价。

选取掉块10.0g研磨成0.015mm~0.044mm的粉末，在4.0MPa下压实5.0min，放入放满浓度为0.5%实验浆的实验舱中，使用NP-01页岩膨胀仪分别测试常温条件下岩屑粉末在浸泡16h后的膨胀率，实验结果如表2所示。

表2  掉块在不同实验浆中的线性膨胀率（%）

从表2中可以看出，掉块浸泡在3种抑制剂溶液中的线性膨胀率明显低于其浸泡于清水的线性膨胀率，表明现有的钻井液抑制剂对于抑制水敏性黏土矿物的水化膨胀具有一定的作用效果，尤其是对于螯合金属聚合物类包被抑制剂，其抑制水敏性黏土矿物的适用性更佳。相比于清水，针对4口井掉块的抑制率分别提高了35.50%，30.43%，25.39%和38.18%。

将掉块粉碎成6~10目岩屑，40.0g分别放入装有清水的高温老化罐中，于90℃和120℃条件滚动老化16.0h后取出，冷却至室温，先后过28目筛和40目筛回收岩屑，105℃烘干至恒重，称取岩屑质量，计算滚动回收率，实验结果如表3和表4所示：

表3  不同抑制剂的岩屑滚动回收率（90℃×16h）

表4  不同抑制剂的岩屑滚动回收率（120℃×16h）

从表3和表4可知，苏4-1HF井、苏6-2HF井、梨深2-1井和梨页1井泉头组掉块具有一定程度的水敏性，温度越高，掉块的分散能力越强。而在实钻的过程中，应该降低此类岩石在钻井液中的浸泡时间。在钻遇此类岩石构成的地层时，常规的处理方法即是提高钻井液的动切力，尽快将岩屑返出，避免此类岩石长时间停留在井筒内。

泥页岩的微观结构主要揭示构成它的粘土矿物晶体的定向排列及胶结结构。页岩的微观结构与其剥裂性有密切关系，粘土片呈近于完全平行排列的泥页岩中具有较强的剥裂性，可以剥裂成具有光滑表面的纸片状；具有中等-弱剥裂性的泥页岩中的粘土片虽大体呈定向排列，但还是有相当数量的粘土片呈与层理面不同角度的相交排列，非剥裂性泥页岩的粘土片则呈随机排列。为深入分析泥岩地层的微观结构，对苏4-1HF井、苏6-2HF井、梨深2-1井和梨页1井泉头组、登娄库组、营城组和沙河子组掉块制作成岩石切片进行电镜扫描，从测试结果可知，泉头组——沙河子组硬脆性泥页岩孔隙1.0-3.5μm，裂缝长10-25μm，裂缝宽0.5-2.5μm，而梨树断陷工区所使用的封堵防塌材料的粒径最小为800目，即15μm。此类封堵材料对于封堵长裂缝是有一定效果的，但不能封堵尺寸更小的孔缝。

因此，综上井壁失稳分析，现场施工钻井液密度高于地层坍塌压力当量密度，基本满足井壁稳定所需的力学平衡。而井壁坍塌的主要原因在于地层粘土矿物含量高，地层膨胀型粘土矿物含量高，钻井液抑制性还需提高，化学抑制性能还有待加强。另外，现场所使用的封堵防塌材料的粒径大小与易垮塌井段岩石微孔缝的尺寸并不匹配，及容易造成井筒压力向地层扩散，从而快速改变原地层岩石的受力平衡，缩短了坍塌周期。因此，造成井壁失稳的原因仍在于目前所使用的钻井液材料并不能满足梨树断陷井壁稳定的技术需要。

2 梨树断陷井壁稳定控制对策

梨树断陷井壁失稳技术思路为拓宽安全密度窗口，利用随钻封堵材料提高井壁的的承压能力。另外，在使井壁达到力学平衡的同时，加入与地层岩性相适应的钻井液抑制剂，减缓地层岩石水化进程。在实钻过程中，合理的钻井液参数也是提高井壁稳定不可或缺的技术措施，一般地，要求在井壁失稳井段，要求钻井液的动切力不小于8.0Pa。

综上所述。可将井壁稳定措施概括为“力学平衡，强抑制、强封堵以及合理的钻井参数”。

（1）选用合理的钻井液密度。为了保持井壁处于力学稳定状态，钻井液的密度须根据所钻遇地层的坍塌压力以及破裂压力来确定，以防止井壁坍塌及塑性变形。

（2）优选防塌钻井液类型及配方，采用物理化学方法防止或抑制泥页岩层的水化膨胀以及选择合理的工程施工措施。阻止或抑制泥页岩层水化作用的技术措施主要有以下2种：①在钻井液中加入性能优异的页岩强抑制剂，抑制粘土的水化分散膨胀，提高钻井液的防塌性能；②利用页岩抑制剂与各种处理剂之间的协同效应，结合物理封堵和化学封堵法，封堵地层孔喉和缝隙，减小孔隙压力传递及泥饼的渗透率，阻止钻井液的滤液侵入地层，提高井壁周围岩层的有效强度。

3 小结

分析了梨树断陷工区地质特征，归纳了2019年完钻的31口井钻井情况，并基于现场掉块、钻屑，分析了复杂地层矿物组分以及黏土矿物成分，用扫描电镜对页岩微观结构进行了分析，并对泥岩的理化性能特征进行了分析。研究结果表明：

（1）梨树断陷工区的井壁失稳井段主要为硬脆性泥岩地层，主要表现为剥落掉块、井径扩大率大，显示地质分别为青山口组、泉头组、登娄库组、营城组和火石岭组。

（2）井壁失稳地层的岩石具有一定程度的水敏性，岩石切片上来看，泉头组——沙河子组硬脆性泥页岩孔隙1.0-3.5μm，裂缝长10-25μm，裂缝宽0.5-2.5μm，因此抑制地层岩石的水化和封堵岩石表面的微裂隙，是抑制垮塌掉块的主要手段。

（3）综合分析认为梨树断陷地层井壁失稳不仅仅是地层因素，合理调控的钻井液密度、增强钻井液的抑制性和封堵能力、以及设置现场所使用的钻井液的流变性能，是应对井壁失稳所必须考虑的外围因素。因此，确定“力学平衡，强抑制、强封堵以及合理的钻井参数”的井壁稳定对策。