不同钻井液体系对坍塌压力的影响分析

张 成，马金凯，蒲军宏，王 军，雷 刚

（1.中石油川庆钻探有限公司川东钻探公司，重庆401120；2.中石油西南油气田分公司川东北气矿工监部，四川达州635000）

不同钻井液体系对坍塌压力的影响分析

张 成*1，马金凯1，蒲军宏2，王 军1，雷 刚1

（1.中石油川庆钻探有限公司川东钻探公司，重庆401120；2.中石油西南油气田分公司川东北气矿工监部，四川达州635000）

提高钻井速度，缩短钻井周期是钻井工程研究的一个重要目标。利用低密度钻井液钻井是提高钻井速度的一个重要手段，但是钻井液密度降低和带来的井壁垮塌问题是一个对立的过程。为此，针对不同工区钻井液体系下，弹性模量、软化模量、扩容系数等岩石力学参数的变化情况进行了分析，通过分析可发现不同体系的钻井液对岩石力学参数都存在明显的影响，即现场密度都是在井眼与钻井液发生作用后增大了钻井液密度值，随钻井液体系不同而不同，所以降低地层坍塌压力将有很大的空间。

坍塌压力；钻井液；内聚力；弹性模量；软化模量；扩容系数

钻井液体系对地层坍塌压力的影响主要体现在水敏性地层和破碎性地层上。不同钻井液体系与钻井打开的地层相接触，将会影响其岩石力学性质，钻井液体系不同，对岩石的力学性质的影响程度不同，最终坍塌压力也就不同，对于水敏性地层表现的尤为突出；另一方面，钻井液体系不同，其封堵性不同，钻井液对微裂隙的撑开作用也不一样，最终反映在对破碎性地层坍塌压力的影响不同[1-4]。现场实践表明，使用的可以防止地层坍塌的钻井液密度随钻井液体系不同而异，而且所用防塌钻井液密度都是在井眼与钻井液发生作用后增大了钻井液密度值，所以降低地层坍塌压力将有很大的空间。因此，改进和发展钻井液技术则可能降低地层坍塌压力和防塌所用的钻井液密度，而且可能降低的空间还较大。

坍塌压力由2部分组成[5]：①由地应力和岩石力学因素产生，一般情况下都不太大(正常情况下多为零，地应力异常地层等特殊情况除外)；②由钻井液各种作用而产生的坍塌压力，其增加的值因地层和钻井液类型而异。因此降低地层坍塌压力坍塌压力实际上是改进和发展钻井液技术来消除②的影响和作用（即降的是钻井液各种作用而产生的坍塌压力）。

1 工区钻井液体系情况

根据钻井液与地层作用增加坍塌压力，且钻井液体系不同其大小不同的原理，我们可以开展不同钻井液体系与岩石作用后测量其强度等特征，基于这些值计算其坍塌压力，获得其规律，然后形成针对不同地层钻井液体系进行选择，以达到优选出更低坍塌压力的钻井液体系，将它应用于井下，使用它所钻地层的坍塌应力比现在的坍塌应力有一个明显的降低，从而降低所用的钻井液密度，为已有成熟的优快钻井技术效能的充分发挥打下良好的基础，同时减少因井壁不稳定导致的井下复杂[6-8]。

工区常用钻井液体系如表1所示。

表1 工区常用钻井液体系（单位：%）

我们分析，确定了优快钻井液体系的建立原则：

①聚合物为主处理剂建立聚合物钻井液基本体系；

②加入5%～10%的KCl抑制地层水化膨胀；

③加入1%～3%EP加强对泥页岩微裂缝的封堵；

④加入1%～3%聚合醇加强对泥页岩微裂缝的封堵，进一步提高体系的抑制性。

通过以上原则，可以配置不同类型的钻井液体系，如：聚泥＋KCl(5%)，聚泥＋KCl(7%)，聚泥+EP-Ⅰ(3%)；聚泥＋KCl(5%)＋EP-Ⅰ(3%)+聚乙二醇；聚泥＋KCl(7%)＋EP-Ⅰ(3%)；聚磺＋KCl(7%)；聚磺＋KCl (5%)；聚磺＋KCl(5%)＋EP-Ⅱ(3%)；聚磺＋KCl(7%)＋EP-Ⅱ(3%)；聚磺+EP-Ⅱ(3%)+聚已二醇(3%)+KCl (7%)等等。通过进行实验，观察其对岩石力学参数及坍塌压力的影响，最终优选出合适的钻井液体系。

2 岩石力学参数的影响分析

为了讨论钻进液体系岩石力学参数的影响，我们选用工区钻井所要经历的F组和E组作为研究对象，对工区F组（3000m）取芯，对E组（3200m）取芯。

通过对F组、E组岩芯基本分析，确定F组和E组地层是属于易水化的泥页岩地层。对上述岩芯利用配置的钻进液进行浸泡，然后试验可以确定其岩石力学参数。其它岩石力学参数浸泡后基本不变，F组岩芯：内摩擦角29°，比沃系数0.5，泊松比0.31；E组取岩芯：内摩擦角32°，比沃系数0.6，泊松比0.32。

（1）岩石强度参数的影响评估。研究泥页岩与不同钻井液体系接触过程中的强度变化研究是泥页岩地层井壁稳定性研究的重要内容，同时也是优选钻井液的重要依据。

①井下取芯。

②使用三轴仪测岩石的力学性质（抗压强度、泊松比、弹性模量等)和应力应变曲线。

岩样：尺寸大小1″×2″；实验条件：地层围压。

③样品处理。将岩样与不同类型工作液（不同抑制性工作液、不同封堵能力的工作液、油田常用各类典型钻井液体系）在仪器中设定地层温度作用一段的时间。

④对处理后的岩芯利用三轴岩石强度测试仪开展取样岩石的力学性质测定（如弹性模量、泊松比、各类强度）及应力应变曲线绘制。

⑤进行对比分析不同钻井液体系对岩石强度等参数的影响

从图1可以看出，不同的钻井液类型及体系下，岩石的内聚力变化情况不一样，总体上看对于聚泥钻井液体系（原体系）和聚磺钻井液体系（原体系）而言，其岩石内聚力最低，随着钻井液体系成分的改变，其内聚力值均增大。同理，对于残余内聚力而言，其变化规律也比较类似，如图2所示。

图1 不同钻井液体系下岩石内聚力的变化情况示意图

图2 不同钻井液体系下岩石残余内聚力的变化情况示意图

图3 不同钻井液体系下岩石弹性模量的变化情况示意图

图4 不同钻井液体系下岩石软化模量的变化情况示意图

从图3可以看出，不同的钻井液类型及体系下，岩石的弹性模量变化情况不一样，总体上看对于聚泥和聚磺（原体系）而言，其岩石弹性模量最低，但是对于聚磺钻井液体系而言，其弹性模量值随着钻井液体系的改变变化不大。而对于岩石的软化模量而言，其变化规律则不同。

从图4中可以看出，对聚泥钻井液（原体系）而言，其软化模量值最大，而对于聚磺（原体系）而言，其软化模量值最小。

图5给出了不同钻井液体系下岩石扩容系数的变化情况，总体上看对于聚泥和聚磺钻井液体系而言，其扩容系数变化不大，其值均在原体系时达到最大。

图5 不同钻井液体系下岩石扩容系数的变化情况示意图

同理，按照上述实验要求，我们对E组的岩芯在不同的钻井液体系下进行浸泡，其岩石力学参数见表3。

表2 各浸泡钻井液体系代号（聚泥）

表3 E组岩芯不同钻井液体系处理后的岩石力学参数

经过分析可以得知经不同钻井液的侵泡作用后，岩石与钻井液发生反应，其强度都表现为降低。对于不同钻井液体系，其强度降低的程度不一样，对于抑制性越高，对强度的影响越低。

3 结论

对不同钻井液体系对岩石力学参数的影响进行了评价，通过分析可发现不同体系的钻井液对岩石力学参数都存在明显的影响，即现场密度都是在井眼与钻井液发生作用后增大了钻井液密度值，随钻井液体系不同而不同，所以降低地层坍塌压力将有很大的空间。因此，有需要对这种影响的规律进行深入细致的研究，为选择合适的钻井液体系，为降低钻井液密度提供依据。

[1]丁振龙,刘川生,贺彬，等.哈萨克斯坦扎那若尔油田钻井液技术探索与实践[J].钻井液与完井液,2008(03)：

[2]刘德胜,刘坤,李晓光，等.哈萨克斯坦滨湖地区强抑制性钻井液工艺技术[J].钻井液与完井液,2007(S1).

[3]吕开河,王树永,刘天科，等.由一种多功能处理剂和盐配成的新型水基钻井液[J].钻井液与完井液,2009(02).

[4]刘金华,鄢捷年.正电聚醇钻井液的室内实验研究[J].钻井液与完井液,2007(02).

[5]马德新.两向水平应力不等条件下泥浆密度的确定[J].西南石油学院学报,1998,20（3）：45-49.

[6]杨勇,吴国辉，等.井壁稳定性的弹塑性有限变形理论分析[J].哈尔滨工程大学学报,2010，31(11):1460-1463.

[7]翟芳芳,夏宏泉，等.川西深井地层压实趋势线的研究[J].国外测井技术，2007,22(5）：23-25.

[8]张辉,李进福，等.塔里木盆地井壁稳定性评价初探[J].西南石油大学学报：自然科学版，2008,30(5):32-36.

TE21

A

1004-5716(2015)12-0018-03

2014-12-18

2015-01-06

张成（1983-），男（汉族），四川广安人，工程师，现从事钻井工程方面研究工作。