定北区块盒1水平井钻井复杂机理实验分析

牛似成



定北区块盒1水平井钻井复杂机理实验分析

牛似成

（中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006）

定北区块盒1储层水平井钻井过程中发生井漏、井壁失稳等现象，通过漏失情况分析、岩心观察及室内岩心裂缝可视化实验分析得出，和尚沟组、刘家沟组和石千峰组上部发育层理及微裂缝，且随着井内液注压力增大，微裂缝张开度越大，漏失越严重。岩石矿物组分分析及理化性能实验结果表明，刘家沟组、石千峰组及石盒子组泥岩黏土矿物含量均在30%以上，多含伊利石、伊/蒙混层和高岭石；刘家沟组和石千峰组泥岩经钻井液浸泡后，岩石强度下降明显，易出现井壁失稳；石盒子组硬脆性泥岩变化不明显，应力敏感性较强，易受井内波动压力影响， 发生井壁坍塌。定北区块钻井复杂机理实验研究可为针对性措施的制定提供技术依据。

定北区块；水平井；井壁失稳；钻井液漏失

定北区块地处鄂尔多斯盆地西部，横跨天环向斜和伊陕斜坡两个构造单元，已探明具有较好开发价值的下石盒子组盒1层，埋深3 600~3 900 m、地温梯度2.95~3.12℃/100 m[1]。2014–2015年，定北区块盒1储层实施8口水平井，发生井漏、井壁失稳等复杂情况，造成单井损失时间25天左右。井漏多发生在和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部，井壁失稳则多发生在石盒子组，复杂机理尚不明确。国内外学者通常采用成像测井、取心观察、岩心室内测试等方法分析此类复杂情况[2–8]。针对定北区块水平井复杂情况，本文通过井况分析、岩心观察及室内裂缝可视化实验等手段分析漏失机理，同时通过易失稳地层岩石矿物组分及理化性能分析明确井壁失稳机理。

1 盒1储层水平井漏失机理分析

定北区块盒1储层多口水平井在和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部发生漏失，统计分析了钻进漏失层钻井液密度、漏失时钻井液密度及漏失发生过程等。和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部在低密度钻井液（1.05~1.10 g/cm3）下易发生渗漏，随着钻井液密度的增加，渗漏逐步转变为恶性漏失或失返性漏失。由此判断和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部地层破漏压力较低，高密度钻井液下易压漏地层，造成恶性漏失或失返性漏失。通过观察和尚沟组、刘家沟组取心结果，发现其局部发育一定程度裂缝。对刘家沟组、石千峰组岩心的电镜扫描结果表明，刘家沟组、石千峰组泥岩层理面较发育、含溶蚀孔洞和裂缝。综合上述分析结果，和尚沟组、刘家沟组、石千峰组层理及裂缝发育且破漏压力较低是造成该段地层低密度钻井液下渗漏、高密度钻井液下压漏的主要原因。

借鉴硬脆性泥页岩微裂缝封堵可视化模拟实验及裂缝性储层可视化实验方法[9–12]，采用室内裂缝可视化模拟实验对刘家沟组、石千峰组层理及裂缝在地层打开过程中的变化过程进行分析研究。打开刘家沟组、石千峰组后，在井内钻井液和地层流体压差作用下，钻井液进入层理裂缝中，引起层理裂缝内流体压力变化，使得裂缝的有效应力减小，裂缝发生变形，引起裂缝开启和膨胀，裂缝宽度及渗透率随之增加。室内裂缝可视化实验即是通过测量裂缝宽度和裂缝渗透率来分析层理裂缝在地层打开过程中的变化过程，裂缝宽度可通过实际测量确定，裂缝渗透率通过式（1）和式（2）计算求得。

f=×/A （1）

f= 8.33×1062f（2）

式中:f为裂缝孔隙度（又称裂缝性系数），小数；为裂缝宽度，mm；为裂缝总长度，mm；为裂缝岩样的渗滤面积，mm2；f为裂缝渗透率，μm2。

室内裂缝可视化实验通过改变刘家沟组、石千峰组岩心的围压来模拟地层的打开过程，根据刘家沟组、石千峰组垂深2 000 m左右确定围压变化范围在0~20 MPa，实验结果见图1和图2，可以明显看出裂缝随围压增大而增大。

图1 刘家沟组岩心裂缝随围压变化图谱

图2 石千峰组岩心裂缝随围压变化图谱

通过测量刘家沟组、石千峰组岩心裂缝宽度并计算裂缝渗透率，绘制出裂缝宽度、裂缝渗透率随围压的变化曲线，分别见图3和图4。由图3和图4可看出，刘家沟组、石千峰组岩心裂缝随着围压减小，裂缝宽度及裂缝渗透率均大幅增加，即在刘家沟组、石千峰组被打开过程中，裂缝诱导展开，且随着井内液注压力增加，微裂缝张开度越大。

图3 刘家沟组裂缝宽度、渗透率与围压关系

图4 石千峰组裂缝宽度、渗透率与围压关系

2 盒1储层水平井井壁失稳机理分析

定北区块多口水平井在石盒子组发生井壁失稳，造成遇阻或卡钻，通过统计分析遇阻或卡钻发生层位、钻井液密度等，初步明确了井壁失稳的发生原因，见表1。LP10H和LP11H井长时间堵漏造成泥岩井壁失稳，LP12H、LP14H、LP15H、LP13H、LP16H和LP17H井均在二开或三开完钻后，在泥岩段发生遇阻或卡钻。石盒子组在钻进过程中采用高密度钻井液，一定程度上抑制了井壁垮塌，但长时间浸泡后仍会发生膨胀或掉块。

分析失稳地层岩石矿物组分及理化性能是明确井壁失稳机理的常用方法[13–16]，刘家沟组、石千峰组及石盒子组泥岩的矿物组分分析结果表明，刘家沟组、石千峰组及石盒子组泥岩黏土矿物含量30%以上，黏土矿物以伊利石、伊/蒙混层及高岭石为主，易发生分散运移、水化膨胀等[4]，见表2。采用等温平衡吸附实验测定刘家沟组、石千峰组和石盒子组泥岩吸水膨胀能力，等温平衡吸附实验以不同饱和盐溶液标定相对湿度，得到了不同层位泥岩在一系列相对湿度下的等温平衡吸附量，见表3。石千峰组和石盒子组泥岩等温吸附量略高于刘家沟组，即吸水膨胀能力稍强[4]。

采用岩石三轴抗压强度实验，测定刘家沟组、石千峰组及石盒子组泥岩经钻井液浸泡后的应力—应变曲线，并由此计算出岩石抗压强度、泊松比、弹性模量等参数；测试围压根据地层埋深而定，测定结果见表4。由表4可看出，石千峰组泥岩浸泡后岩石强度参数变化最大，其次为刘家沟组泥岩，浸泡前后岩石强度参数变化最小的是石盒子组，这与泥岩黏土矿物组分和等温吸附结果相对应。易水化伊/蒙混层含量由高至低依次为刘家沟组、石千峰组和石盒子组，刘家沟组、石千峰组易水化膨胀造成掉块，石盒子组泥岩偏向硬脆性，施工过程中易受应力变化产生掉块造成钻具遇阻或卡钻[7]，多口水平井在通井划眼过程中因波动压力大诱发井内掉块遇阻。

表1 定北区块盒1储层水平井井壁失稳情况统计

表2 各层位泥岩全岩性及黏土矿物分析

表3 不同层位泥岩在不同饱和盐溶液下的等温平衡吸附量 %

表4 不同层位泥岩经钻井液浸泡前后的岩石强度参数

3 水平井井漏、井塌相关性分析

以上分析结果表明，和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部地层层理及裂缝发育且破漏压力较低，刘家沟组、石千峰组泥岩易水化，石盒子组泥岩易受应力变化发生掉块、地层坍塌，压力较低。定北区块盒1储层水平井实钻过程中，直井段穿越和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部，斜井段穿越石千峰组及石盒子组；直井段打开和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部；后续钻进过程中，应采用较低的钻井液密度和低波动压力，以有效防漏；斜井段钻进石千峰组及石盒子组，需要钻井液具有较高的密度和抑制性，以防井壁坍塌，由此造成斜井段钻井液密度窗口窄，井内液注压力控制不当或波动压力过大，即诱发井漏或井壁失稳。

4 结论及建议

（1）定北区块直井段和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部层理及裂缝易诱导张开造成漏失，斜井段石盒子组泥岩坍塌压力较高，安全钻井液密度较窄，井内液注压力控制不当或波动压力过大会诱发井漏或井壁失稳。

（2）建议针对定北区块“上漏下塌”复杂特征，采用先进防漏技术封堵和尚沟组、刘家沟组及石千峰组上部，斜井段提升钻井液封堵性和抑制性，以有效防止井壁坍塌。

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编辑：张 凡

1673–8217（2017）05–0106–04

TE25

A

2016–11–15

牛似成，1987年生，2012年获中国石油大学（华东）油气井工程硕士学位，现从事钻完井优化设计、油气井流体力学等方面的研究工作。

“十三五”国家科技重大专项“低丰度致密低渗油气藏开发关键技术”（2016ZX05048）。