英买力地区古近系地层钻井液技术

张作清，窦金涛，付建国，蒲 杰，吴迎彰

（1.中国石化华东石油局测井公司，江苏扬州225007；2.西南石油大学研究生院，四川成都610500；3.中国石油西部钻探工程公司准东钻井公司，新疆库尔勒841000）

在钻井中经常会遇到井壁失稳问题，尤其是在含有盐膏岩、泥页岩的地层中更为普遍，导致井壁坍塌、卡钻、掉块、井漏等一系列井下故障[1-4］，严重影响勘探开发的进程，为此，国内众多学者做了大量研究，并取得了一定的成果。例如，梁大川等人[5］采用岩石力学性能测试的方法证明，在聚合物或聚磺钻井液中加入抑制剂和封堵材料可以降低地层的坍塌压力；孟庆生等人[6］用室内试验的方法，验证了聚磺欠饱和盐水钻井液体系在塔河油田盐膏层钻井是可行的。但是这些研究大多都局限于单纯的盐膏岩以及泥页岩地层，对于含有膏岩、泥岩和盐岩的复合地层目前研究仍然很少，而英买力地区古近系地层上部膏泥岩伴有裂缝发育，膏岩和泥岩吸水膨胀使井壁更容易发生坍塌；而中部的盐膏层，埋藏深，在上覆地层压力的作用下，盐膏层蠕动变形易造成缩径卡钻，盐的溶解造成井径扩大，并影响钻井液性能稳定，含盐泥页岩中泥页岩的水化分散和盐的溶解更增加了井壁的不稳定性[7-9］。针对上述问题，笔者对古近系地层井壁失稳机理进行了多方面的分析研究，为钻井液体系的选择和制定技术对策提供了理论依据。

1 地层特点

1）英买力地区上部膏泥岩段由于地质运动作用，地层破碎程度高，存在微裂缝且胶结程度差，膏泥岩多伴有裂缝发育，水很容易沿裂缝进入地层深处，使井壁周围地层中的黏土矿物发生水化；膏岩具有吸水膨胀性，且存在裂缝，使井壁更容易坍塌。泥岩遇水极易发生水化膨胀，造成膏泥互层或含膏泥岩的分散、剥落，使井壁发生掉块、坍塌[1］；同时，膏泥不等厚互层中层理、裂缝的存在，加上膏岩、泥岩的吸水膨胀性不同，更增大了井壁失稳的风险。

2）中部盐膏层段的盐岩在与钻井液接触时会发生溶解，造成井径扩大和盐水侵，并直接污染钻井液，影响钻井液的性能；盐岩在受到井下应力作用时会发生塑性变形，造成缩径。

2 岩石组分及理化性能分析

统计分析英买力地区钻井井下故障发现，古近系上部地层钻井井下故障频发，几乎每口井在该层段都会出现井壁失稳的情况，因此首先应从岩石组分及理化性能角度研究膏泥岩段井壁失稳的原因。

2.1 岩石组分分析

地层中所含矿物的种类和质量分数是影响井壁稳定的关键，因此首先对所含矿物尤其是黏土矿物的种类和含量进行深入分析。利用X衍射仪对YM322-H4井古近系上部层段进行了全岩矿物和黏土矿物组分分析，结果见表1和表2。

表1 YM322-H4井全岩矿物分析Table 1 Whole-rock mineral analysis for Well YM322-H4

表2 YM322-H4井黏土组分分析Table 2 Type and content of clay minerals in Well YM322-H4

从表1可以看出，古近系地层黏土矿物的质量分数并不高，膏泥岩段主要含有硬石膏，由于其具有很强的吸水膨胀性，所以其含量在某种程度上对井壁的稳定性起到一定影响。另外，钻进膏泥岩层时钻井液易被石膏污染，造成钻井液性能不稳定，使井壁更容易出现失稳。

从表2可以看出，伊利石的质量分数最高，其次为伊／蒙混层和绿泥石，间层比为25%。当钻遇到含伊利石的泥页岩时，井壁发生剥落掉块，因此对钻井液的抑制性和封堵性的要求较高。但该层段膨胀性黏土矿物含量并不高，可见井壁失稳并不是由黏土矿物的吸水膨胀引起的。

2.2 膨胀性和分散性试验

为了解古近系地层的水化膨胀性和分散特性，按照试验标准在室内对上述岩样进行了膨胀性和分散性试验，结果见表3。

表3 古近系地层岩样膨胀性和分散性分析Table 3 Expandable and dispersive analysis of core in Paleogene strata

从表3可以看出：岩样的线性膨胀率普遍较低，且膨胀率随时间变化不大；只有岩样3的膨胀率略微偏高，这与其硬石膏含量和黏土矿物含量都普遍偏高有关，而这种关系在其他岩样中并未出现。回收率为4.0%～30.5%，处在较低的水平，可见该膏泥岩地层膨胀性较差，但较易分散。

由黏土矿物和理化性能试验结果可知：伊利石是英买力区块古近系上部膏泥岩层段的主要黏土矿物，伊／蒙混层含量较少，而伊利石的膨胀性差，属于弱膨胀性黏土矿物，因此黏土矿物的膨胀性对井壁失稳的影响较小。

3 钻井液技术措施

3.1 技术难点

由于构造运动作用，古近系上部膏泥岩段地层破碎，岩块间胶结程度差，且膏岩、泥岩裂缝发育，在钻井液的压力下极易沿裂缝进入地层深部，不仅增加了井漏风险，也使岩石内部的孔隙压力增大，膏泥岩内部的膨胀压力增强引起岩石破碎，造成井壁剥落和垮塌[10-11］。因此，在选择钻井液时，一方面，必须尽可能地阻止钻井液中的水相进入膏泥岩的裂缝中，即钻井液中要有快速、有效的封堵材料；另一方面，必须增强钻井液体系的抑制性，降低泥页岩的水化分散程度，即钻井液要有强的抑制剂[3-4］。此外，从全岩分析可以看出，在钻进时钻井液极易被石膏污染，Ca2＋的质量浓度对钻井液性能的影响很大[3］，因此钻井液中要加入适当的抗钙处理剂，并适当提高钻井液的pH值，增强钻井液的抗Ca2＋污染能力[12-13］。

古近系中部的盐膏层会给钻井液性能造成影响。相邻井井径变化与钻井液性能情况统计情况见表4。

表4 盐膏层井径变化与钻井液密度、离子浓度的关系Table 4 Relationship among hole size，drilling fluid density and ion concentration in salt-gypsum formation

从表4可以看出：盐岩层井段的井径变化与钻井液密度和Cl-质量浓度有关，钻井液密度增大能抑制盐岩的蠕变变形，减小井径的缩径量；同时Cl-能控制盐岩的溶解，若其质量浓度过低，则加速盐岩的溶解，使井径扩大。YM321-H1井的Ca2＋质量浓度明显高于其他2口井，钻井液受到钙侵，使其流变和滤失性能受到破坏，这也是该井段井壁失稳的原因。从埋藏深度看，盐膏层埋藏深，在高温作用下钻井液性能极易发生变化（如黏度、切力上升）[7，13-14］，这就要求钻井液具有良好的抗温性能。由此可见，在钻遇盐膏层时，钻井液的密度、Cl-质量浓度、Ca2＋质量浓度和抗温性能都是影响井壁失稳的因素。

3.2 钻井液体系的选择

对古近系膏泥岩、盐膏岩地层复杂岩性和地质结构研究认为，钻井液除了具有较好的抗盐、抗钙污染、抗高温能力外，还必须具有良好的流变性、稳定性、抑制性及润滑性能，只有这样才能保证井壁稳定和钻井顺利进行[15-17］。这就要求必须选择合适的钻井液体系，还要进行与该钻井液相适应的设计，并给出维护处理措施。针对该地层的特点，结合盐膏层钻井的技术和经验，根据设计要求和室内试验结果，确定采用KCl-聚磺欠饱和盐水钻井液体系。

4 应用实例

YM2-6井古近系上部地层使用聚磺钻井液体系钻进时，出现了严重的井壁垮塌。为了降低井壁失稳风险，结合对英买力地区古近系井壁失稳机理的研究和对现场钻井液技术措施的分析，针对井壁稳定中出现的问题，在邻井YM2-H10井将钻井液体系转换为KCl-聚磺欠饱和盐水钻井液体系，其基本配方为：3.0%～5.0%膨润土＋0.2%～0.3%NaOH＋0.5% ～0.7%80A51-2＋0.2% ～0.4%MAN101＋0.2% ～0.3%NH4-HPAN-2＋3.0%SMP＋2.0%SPNH＋1.5%～2.0%PSC＋2.0%～3.0%FT-1A＋1.0% ～3.0% 润 滑 剂 SY-A07＋3.0%～5.0%KCl＋7.0%～10.0%NaCl＋加重剂，基本性能见表5。

表5 YM2-H10井KCl-聚磺欠饱和盐水钻井液性能Table 5 Performance of KCl-polysulfonate unsaturated brine drilling fluid for Well YM2-H10

YM2-6井和YM2-H10井古近系膏泥岩段井径对比情况见表2。

表6 膏泥岩段不同钻井液体系对应井径对比Table 6 Average hole enlargement ratio in gypsum mudstone section produced by different drilling fluids

从表6可以看出，YM2-H10井应用KCl-聚磺欠饱和盐水钻井液后，平均井径扩大率为8.2%，与YM2-6井相比，平均井径扩大率降低24.7百分点，井壁稳定性明显增强。KCl-聚磺欠饱和盐水钻井液中的K＋能够抑制黏土矿物的水化，提高钻井液的抑制性和防塌性能[13］，控制上部泥页岩的垮塌。Cl-含量控制在合理的范围之内，能够很好地控制中部盐膏层的蠕变，维持井壁稳定；同时大分子和中小分子聚合物使钻井液有很好的抑制性和滤失控制性[18］。由于该区块古近系埋藏深（超过3 700m），钻井施工周期较长，因此要防止钻井液老化，并严格控制固相含量，防止固相细分散[19-20］。现场应用证明，KCl-聚磺欠饱和盐水钻井液体系能够满足英买力地区古近系地层井壁稳定的要求，减小发生井下故障的风险。

5 结论与建议

1）对英买力地区地层岩石结构特点、组分及理化性能进行分析，是指导该区块古近系地层钻井液体系选择和维护处理的关键。

2）KCl-聚磺欠饱和盐水钻井液不仅能够解决泥页岩地层的坍塌掉块问题，而且能很好地控制盐膏层的蠕变和盐层的溶解。现场应用表明，该钻井液有效抑制了英买力地区古近系地层钻井过程中井径的扩大，确保了井壁稳定。

3）对于埋藏深的盐膏层，有关适用的高密度、抗高温钻井液方面的研究及应用较少，应加强该方面的研究。

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