岩石力学特性在钻井液优选中的应用

岩石力学特性在钻井液优选中的应用

杨宝强

长城钻探有限公司钻井液公司西南项目部

摘要：

以塔里木盆地塔5地层为例，从岩石力学的角度对现用钻井液及优化后的钻井液进行了评价，通过硬度分析、强度分析和坍塌压力变化综合多项岩石力学参数对钻井液进行优选。优选出了具有良好效果的钻井液A体系，为其他同类地层的钻井液提供依据。

关键词：页岩；岩石力学；坍塌压力；钻井液

0 前言

塔里木盆地塔5段页岩地层属于低孔低渗的富有机质页岩，微裂缝比较发育，黏土矿物含量较高，具有弱水化膨胀性能，钻井过程中经常出现掉块等井壁失稳的问题[1-2]。现场所用的钻井液为水基钻井液，通过对其性能评价发现，其抑制性，封堵效果较差等问题。

1工区地层特征

本次实验岩心取自塔河地区A井，为塔里木盆地塔5段页岩。通过研究钻井液对地层强度的影响，可以深入分析得到其坍塌压力的变化，为合理的钻进提供参考，同时也为钻井液的优化提供了重要依据。

1.1工区地层硬度

页岩的硬度是反应其抵抗工具侵入破坏能力的参数，是反应岩石力学强度的重要参数。本次实验采用史氏压入硬度的测定方法，通过计算岩石破坏时的所加的压力和压头的面积计算岩石的硬度。采用公式为[1,2]：

                    （1）

本次实验的样品为原岩，进行了五组实验，实验结果统计见表1。

表1原岩的硬度实验统计结果

通过硬度的实验统计结果表1，可以发现，原岩的硬度介于123.95MPa~604.48MPa之间，平均硬度为328.96MPa，因硬度与岩石的组成结构，胶结程度等有关系，故采用多次实验的平均值作为参考。

1.2工区地层抗压强度

三轴压缩试验是评价地层岩石力学变形破坏特征，获取岩石力学参数最常用的方法[7]。通过设计不同围压下的三轴压缩试验，可以得到对应的应力-应变曲线，进而可以得到岩石的杨氏弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等参数，从而对岩石的力学特征进行综合性分析[3,4]。本次采用不同围压（0MPa，15MPa，30MPa），对塔5段岩心进行了三轴压缩试验，实验结果见图1。

(a) 围压为0MPa           (b)围压为15MPa          (c)围压为30MPa

图1 原岩的应力-应变曲线

2  根据岩石力学特征进行钻井液优选

2.1根据地层硬度特征

为了评价钻井液A体系的性能，将塔5段页岩浸泡于优化后的钻井液A体系中，作用48h，对取出的页岩进行三轴压缩实验。实验结果见表2。

表2 钻井液A浸泡48h后钻井液的硬度统计结果

从表2可以看出，钻井液A作用后的页岩硬度分为在68.49MPa~200.11MPa之间，平均硬度为151.01MPa。钻井液A体系作用后的页岩与原岩相比，硬度也有了较为明显的下降。从328.96MPa下降到151.01MPa，说明钻井液会对页岩的硬度具有较大的影响。

为了评价钻井液B体系的性能，将塔5段页岩浸泡于优化后的钻井液B体系中，作用48h，对取出的页岩进行三轴压缩实验。实验结果见表3。

表3钻井液B浸泡48h后钻井液的硬度统计结果

2.2根据岩石强度和坍塌压力

分别将塔5段页岩浸泡于现场及优化后的钻井液（A和B）中，作用48h，对取出的页岩进行三轴压缩实验。实验结果见图2。

a围压为0MPab围压为15MPac围压为30MPa

图2 钻井液A作用后地层的应力-应变曲线

从钻井液A作用后塔5段段页岩的地层强度为44.74MPa，与原岩地层强度相比，有所降低。围压为30MPa条件时的抗压强度为123.93MPa，应力-应变曲线来看，曲线特征与原岩类似，轴向应力应变曲线基本呈直线上升，达到峰值后迅速下降，这说明随着轴向应力的增大，页岩发生了脆性破坏。

3现场应用

为了更好的验证基于岩石力学特性优选钻井液方法的效果，将筛选出的钻井液A体系，于2020年10月在塔里木盆地的Q-58井进行了现场试验。在塔5段页岩的钻进过程中，并未出现垮、塌掉块等钻井事故。为了更好的对比钻井液的效果，我们采用原有钻井的同地区的Q-45井为对比对象，以塔5段钻井过程中的井眼扩径率为参考。塔5段地层主要分布在1200m~1600m之间，扩径率的对比结果见图3。

图3现场钻井液与钻井液A作用地层后的扩径率对比图

从图3可以看出，现场钻井液钻井过程中，塔5段扩径率较高，最高扩径率在9%以上，整个塔5段的平均扩径率在5%左右。而筛选出来的钻井液A体系具有良好的维持井壁稳定的效果，其扩径率基本都在5%以下，平均扩径率在3%左右。这说明通过岩石力学特性优选的钻井液A体系，能够很好的维持地层的原始力学特性，较好的维持了井壁稳定。同样也说明根据岩石力学特性进行优选的钻井液具有可行性，对现场指导具有重要意义。

4.结论

（1）塔里木盆地塔5段页岩的单轴抗压强度为69.82MPa，破坏方式属脆性破坏，坍塌压力当量密度为0.51g/cm3，具有较宽的安全密度窗口。但塔5段页岩微裂缝比较发育，这为钻井液进入地层与页岩发生水化提供了通道，而页岩的水化作用是造成井壁失稳的重要原因。

（2）钻井液作用后，地层的硬度有了较为明显的下降，这可能是因为钻井液浸泡后，钻井液进入岩样，发生水化，导致产生新的裂缝或固有裂缝扩展造成的。钻井液A和钻井液B对地层硬度的影响相近。

（3）塔5段页岩与现场钻井液作用48h后，地层的强度大幅度下降，安全密度窗口变窄，极大的缩短地层的坍塌周期，不利于钻井过程的井壁稳定。

参考文献

 [1] 张洁，王双威，徐俊杰，等. 神木区块致密砂岩气藏储层保护钻井液优选[J]. 油气地质与采收率. 2017, 24(02): 111-115.

[2] 王晓军，余婧，孙云超，等. 适用于连续管钻井的无固相卤水钻井液体系[J]. 石油勘探与开发. 2018, 45(03): 507-512.

[3] 刘向君，曾韦，梁利喜，等. 龙马溪组页岩地层井壁坍塌周期预测[J]. 特种油气藏. 2016, 23(05): 130-133.

[4] 程远方，张锋，王京印，等. 泥页岩井壁坍塌周期分析[J]. 中国石油大学学报(自然科学版). 2007(01): 63-66.

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