塔里木泛哈拉哈塘桑塔木组硬脆性泥岩井壁失稳机理及对策

程善平， 鄢家宇， 曹 鹏， 杨美纯， 周 彪， 许 潇， 汤吉庆， 邓伯龙

(中国石油塔里木油田公司)

奥陶系储层是塔里木油田泛哈拉哈塘区块的主力储层之一，该储层埋藏深，前期的勘探开发以直井开发为主，随着勘探开发的深入，老井开窗或对失利的井进行侧钻，是实现该储层高效开发的一种有效工程技术手段[1]，目前该区块大部分侧钻井的造斜点选在奥陶系桑塔木组(O3s)，桑塔木组泥岩属于中硬到硬脆性泥岩，层理和裂缝发育，易掉块垮塌造成井壁失稳，严重影响钻井时效。

一、硬脆性泥岩井壁失稳机理

(1)该区块桑塔木组的岩性以泥岩为主，属中硬到硬脆性泥岩，压实程度较高，层理和裂缝发育，层理面中的填充物以黏土矿物为主，主要成分为伊蒙间层[2-3]，钻井液滤液沿层理面或微裂隙侵入后，由于伊蒙间层中的伊利石和蒙脱石的吸水膨胀率不同，造成泥岩“内部推挤”作用，减弱了层理面之间的结合力，使泥岩沿层理面或微裂隙裂开，进而形成掉块或坍塌。

(2)该区块泥岩受构造运动的影响，地应力发育强烈且地层破碎[4]，在原始状态下，由于上覆地层的作用，它们保持着力学平衡及完整性，钻开地层后井眼周围失去原有的力学平衡，近井壁泥岩的轴向应力基本保持不变，径向应力在短时间内发生很大变化，钻井液液柱压力一旦平衡不了井眼局部径向应力的变化，易形成应力坍塌。

二、硬脆性泥岩井壁失稳影响因素

1.井斜角对井壁稳定性影响

选取泛哈拉哈塘区块某井，在该井桑塔木组(井深6 751～7 210 m)按取心角(即井斜角)0°、30°、45°、60°、75°、90°进行取心，每一取心角岩心选大小完整性相同的两份，共12份分成两组，将这2组岩心在同一性能的钻井液中浸泡4 d后再做岩石强度试验，其中一组的围压为30 MPa，另外一组的围压为50 MPa，试验结果如图1所示，从该实验结果来看，岩石强度随取心角的增大先降低再升高，当取心角在40°～70°之间时岩石强度最低，最易发生井壁失稳风险。

根据现场实际钻进情况，选取泛哈拉哈塘区块的以下5口井在桑塔木组钻进期间井壁失稳情况进行统计分析，在桑塔木组出现井壁失稳的井段的井斜角在40°～70°之间，验证了上述实验结论。

图1 岩石抗压强度随取心夹角变化曲线

2.钻井液浸泡时间对井壁稳定性影响

选取桑塔木组取心角为30°和60°的岩心各4份，按照取心角不同分成2组，分别将这2组岩心进行在同一性能的钻井液中浸泡5、10、20 d和未浸泡处理，然后在同一围压30 MPa的条件下做岩石强度试验。试验结果如图2所示，从实验结果可得：在相同取心角的条件下，随钻井液浸泡时间的增长，岩石的抗压强度降低，井壁失稳的风险增高。

图2 岩石抗压强度随钻井液浸泡时间的变化曲线

同样选取泛哈拉哈塘区块的7口井在桑塔木组钻进期间的实际情况进行统计分析，钻井液浸泡时间越长，井壁越容易发生失稳风险，验证了上述结论。同时从该表可看出该区块桑塔木组的井壁失稳周期在18 d左右，浸泡时间超过18 d以后，井壁出现失稳的几率就会大大增加。原因是钻井液浸泡时间越长，在压差作用下，钻井液滤液沿岩石层理面和微裂缝渗入量越大，越容易造成泥岩强度和层理面结合力的降低，引起井壁掉块坍塌。

3.钻井液密度对井壁稳定性影响

跃满XC井第一次侧钻钻井液密度1.30 g/cm3，回填后侧钻密度1.35 g/cm3，RPXC2井第一次侧钻钻井液密度1.27 g/cm3，回填后侧钻密度1.30 g/cm3，这2口井在第二次侧钻过程中都将密度提高，井壁失稳的情况都有所改善，失稳井段变短，掉块较少。原因是钻井液滤液的浸入在降低泥岩层理面结合力的同时，也使地层的坍塌压力升高[5]，原本可以稳定住地层的钻井液密度不足以平衡现在的地层坍塌压力，需要提高钻井液密度来稳定地层。

三、硬脆性泥岩井壁失稳应对措施

1.造斜点的选择

造斜点尽量避开桑塔木组，选择在上部的志留系柯坪塔格组。在满足定向要求的情况下，在进入桑塔木组以前将井斜增至最大井斜，以稳斜方式穿桑塔木组，这样一方面可以快速穿过桑塔木组，减少钻井液在桑塔木组浸泡的时间，另一方面可以将井斜为40°～60°井壁失稳风险较高的井段避开。或者将造斜点选在底部井壁比较稳定的良里塔格组，从而避免出现侧钻时井壁失稳的风险。

2.钻井液措施

在井斜40°以前或者是进入桑塔木组18 d以前维护好钻井液性能，提高防塌、封堵和抑制性能。物化封堵-抑制表面水化-有效应力支撑三方面协同作用，减少钻井液沿层理面或微裂缝的渗入[6-7]。同时现场钻井液密度尽量走设计上线，密度大于或等于地层坍塌压力，支撑稳定地层。一旦桑塔木组井壁失稳，在处理钻井液过程中时钻井液性能变化不宜太大，主要控制粘切和失水，大幅度调整容易造成井壁再次失稳。

3.工程措施

工程上积极配合通井划眼，划眼期间尽量简化钻具组合，井壁失稳后容易形成“大肚子”或“糖葫芦”井眼，岩屑很难循环出来，在处理钻井液性能的同时加强划眼，破坏岩屑床，并将大的掉块磨碎，便于循环出来。

四、认识与结论

(1)岩石强度随取心角的增大先降低再升高，当取心角在40°～70°之间时岩石强度最低，最易发生井壁失稳风险。

(2)在相同取心角的条件下，随钻井液浸泡时间的增长，岩石的抗压强度降低，井壁失稳的风险增高。

(3)泛哈拉哈塘区块桑塔木组侧钻期间要充分考虑该区块硬脆性泥岩的特性，在井斜40°以前或者是进入桑塔木组18 d以前必须维护好钻井液性能。