方正断陷井壁稳定的钻井液技术

王静

摘要：方正断陷位于依-舒地堑的中北段，该地区井壁稳定性差，井径扩大率超标问题较为突出，易发塌块卡钻事故。通过对施工井的统计，并对易坍塌层位的矿物进行分析，结果表明：该地区硬脆泥岩发育，砂泥岩互层，深层粘土矿物以高岭石为主，伴伊蒙混层，矿物膨胀率低，现场取芯观察微裂隙、层理发育。泥页岩吸水膨胀改变了井眼周围的应力分布，加剧了应力分布的不均衡[1]。而且由于吸水使泥页岩的力学性能参数发生了变化，强度降低，弹性模量减少，泊松比增大等，这就使得泥页岩地层的井壁稳定问题更加严重。在钻井过程中，保障钻井液的抑制能力同时，快速、有效、致密的封堵地层孔隙，减少钻井液侵入深度，是控制硬脆泥岩垮塌的有效途径。施工中采用“刚性粒子架桥+柔性粒子填充+虑失控制”方案，形成封堵钻井液配方，通过现场应用，多口井施工井平均井径扩大率控制在9%以内。

关键词：方正断陷；硬脆泥页岩；钻井液；封堵

井壁稳定问题是一个长期困扰石油工程的重大技术难题，在全世界范围内广泛存在，我国各油田也都不同程度地存在，井塌大多发生在泥页岩地层中，约占90%以上[2]。对于钻井来说，井壁失稳会造成井下复杂情况，影响钻井施工进度，严重时可能导致井眼报废，造成巨大的经济损失。方正断陷井壁失稳情况较为普遍，2010年以来，16口井中有8口井井径超标严重，尤其是宝泉岭组、新安村+乌云组井段稳定性更差。

1、方正断陷井壁失稳原因分析

1.1上部地层胶结性差。方正断陷宝二段中部以上地层，普遍分布一套水进期的碎屑沉积，疏松砂质砾岩胶结差。

1.2深部非膨胀性粘土矿物发育。大庆油田勘探开发研究院应用X一衍射仪对F6井进行了粘土矿物定量检验[3]。方正断陷深部地层粘土矿物以高岭石为主，夹少量伊蒙混层，是典型的非膨胀性粘土矿物。F6井深部地层岩石线性膨胀率在0. 5%-0.9%之间几乎不膨胀；地层岩石滚动回收率在89.4%-92.1%之间，分散性较弱，水化膨胀率低，岩屑回收率高。

1.3岩性硬脆且微裂隙、层理发育。通过钻井取心观察，岩心微裂隙、层理发育，硬脆，易破碎。

2.4存在地应力集中，椭圆井眼

由F23井、F2井四臂井径图可见，井眼呈明显椭圆状，证明方正地区存在应力集中问题，也是影响井眼扩大率偏大的因素。

2.5工程因素影响。

某井宝一段（2368-3102米）实钻岩性中较为连续泥岩砂岩互层，但在使用动力钻具后井径扩大率增大明显。更换常规钻头后，井径有明显变小的趋势，3700左右井径扩大率曲线有个明显的尖峰，分析原因为3702-3718米多段实钻煤层发育。认为，动力钻具的震动对井径扩大率影响较大。

2、封堵剂材料优选

2.1封堵材料优选

根据防塌封堵作用原理：微裂缝、层理是钻井液侵入地层的主要通道，对井壁稳定产生直接影响。依据硬脆微裂缝地层特征和防塌封堵作用原理分析，认为硬脆泥岩宏观裂缝、微观裂纹、层理都较发育，微裂纹开度可达5μm以上[6]，因此钻井液封堵剂应该具有下特点：在一定条件下具有變软变形的特性；封堵剂粒子的平均粒度应小于50 ，最好在3-10 ；封堵剂本身必须是不溶或微溶于水，主要是分散而不是溶于水中。

优选各种处理剂优选评价高温高压虑失量评级不同封堵材料的，封堵能力。应用5%膨润土浆为基浆做对比样实验结果表明刚性粒子非渗透封堵效果最好；沥青材料荧光级别高，不适合探井施工，柔性粒子中优选白沥青DWF-1。综合考虑封堵材料对钻井液的性能的整体影响，应用3%的非渗透封堵剂+2%白白沥青组合

2.3封堵钻井液配方

在方正应用多年的聚合物钻井液体系基础上改进为封堵钻井液配方：

膨润土7-10%+WYDZ-1 0.3%+HX-D 0.3%+非渗透3%+白沥青DWF-1 2%+HPAN 1%+JS-Ⅰ1%+SF260 1% +（PAC0.3%）。

2.4封堵钻井液性能评价

2.4.1砂层封堵性能评价

应用中压可视中压砂床滤失仪，评价封堵钻井液体系的封堵能力，

封堵钻井液体系封堵砂层的相比常规聚合物钻井液体系效果较优，对40-60目砂和20-40目砂的侵入深度均小于10cm，封堵钻井液体系具有较强的封堵砂层的能力。

2.4.2封堵强度评价实验

取不同渗透率的人造岩芯，用封堵钻井液体系进行实验，通过测定不同驱替压力下的渗透率评价封堵强度，随驱替压力的增大，岩心的渗透率逐渐降低，当驱替压力达到9MPa时，岩芯的渗透率接近或等于零，也就是说，当压力为9MPa时，未见渗透率突然增加，说明封堵带并没有受到破坏，在不同渗透率岩心上形成的封堵带至少能承受9MPa的压力。

3、封堵钻井液体现场应用

针对方正断陷的地层特点。宝二段提高钻井液有效粘度，增加固相含量，提高钻井液密度，减少上部弱胶结地层冲蚀、垮塌失稳问题，；宝一段以后降低钻井液的触变性，减少压力激动带来复杂问题，转化为封堵钻井液体系。

3.1现场处理维护方案

（1）宝一段以上地层钻进中，主要以0.3～0.5%wydz-1的和复合铵盐1～2%的水溶液交替维护，每钻进200米补加50kg预水化膨润土浆，配置钻井液补充新浆。

（2）宝一段以下钻进密度执行设计上限，将钾盐共聚物钻井液转化封堵钻井液。

（3）在进入宝一段，调整性能，降低钻井液劣质固相含量和粘度；在宝一段前50米在循环罐中一次补加3%的超钙+2%白沥青。

（4）震动筛使用时间占总循环时间100%；加重前离心机使用时间占总循环时间80%以上；

（5）每钻进400米定期倒换新浆50方，丰富钻井液固相颗粒级配。

3.2现场应用效果

4、认识与建议

（1）硬脆泥岩，在钻井液抑制能力的基础上，钻井液能够快速、有效、致密得封堵岩石的微裂隙层，减少钻井液液相对地层力学参数的影响，是有效的解决硬脆泥岩井壁失稳得手段。

（2）硬脆泥岩井段的井壁稳定问题，是各因素多方作用的结果，钻井工具的选择、参数的选择对硬脆泥岩井壁稳定影响明显。

（3）封堵工艺的探索，就各钻井液体系的应用情况来看，针对脆性地层，就钻井液方面核心是封堵，封堵材料的选择，可以在主动承压封堵，提高封堵层的封堵效果，提高地层的稳定能力。

参考文献

[1]蒋祖军 郭新江 王希勇 主编《天然气深井超深井钻井技术》 中国石化出版社 2011

[2]鄢捷年主编《钻井液工艺学》中国石油大学出版社 2001

[3]沈守文，沈明道，梁大川，等.泥页岩的 X 射线衍射定向指数与理化性能及井壁稳定的关系[J].沉积学报，2003

[4]邓金根 程远方 陈勉 蔚宝华 编《井壁稳定预测技术》石油工业出版社 2003

[5]赵维超 《硬脆性页岩井壁稳定性影响因素研究》西南石油大学 2014

（作者单位：大庆钻探钻井一公司）