王平全，邓嘉丁，白 杨，王建龙，青胜兰

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.西南石油大学，四川 成都 610500；3.中国石油西南油气田分公司，四川 广汉 618300)

0 引 言

井壁稳定是钻井面临的主要问题之一，影响井壁稳定的因素主要为地质力学因素(原地应力、岩石强度)、地层因素(组分、结构、地层产状等)、工程因素(井眼轨迹、钻井液等)。其中，钻井液对地层岩石强度的影响需重点考虑[1-14]。鄂尔多斯盆地延长组页岩地层具有弱膨胀强分散、微裂缝和微孔发育、低孔低渗、毛细效应突出、掉块坍塌突出等问题[15-30]。针对上述问题，运用岩石三轴抗压实验对不同钻井液浸泡的鄂尔多斯盆地延长组页岩坍塌压力增量进行了研究，通过实验和现场应用证明，该方法适用于评价鄂尔多斯盆地延长组页岩坍塌压力变化。

1 岩样采集及基础物性分析

露头岩心采集点位于陕西省延长市延长县张家滩，岩性致密，裂缝、页理发育，为一套深湖相—半深湖相暗色页岩，分布稳定，具有区域可比性。电性曲线突出，表现为高电阻、高伽马、低电位特征。

延长组岩样黏土矿物总量为10.5%～61.6%，石英含量为17.6%～72.3%，白云石含量较低，为0.0～5.0%。钻井过程中，硬脆性页岩地层与钻井滤液相互作用，初步判断会出现一定的水化作用。

延长组页岩压实程度高、结构紧密；微裂缝发育，自然状态下微裂缝开度可达5 μm。微裂缝的发育将破坏岩石的完整性，弱化原岩的力学性能，同时，为钻井液进入地层提供通道。在钻井正压差以及毛管力的作用下，滤液沿裂缝或微裂缝侵入地层，一方面将可能诱发水力劈裂作用，加剧井壁岩石破碎，另一方面也提高了钻井液与地层中黏土矿物和有机质的作用几率及作用程度，导致地层强度降低，加剧井壁失稳。

2 页岩原始强度特性

根据所采集延长组露头岩样基础物性分析结果，在平行和垂直层理2个方向选取合适的岩心在不同围压下进行三轴压缩实验。取心角度为0 °，即取心方向与层理方向一致，测量围压为0.0、17.5、35.0 MPa下的弹性模量、泊松比及抗压强度。三轴应力应变曲线如图1所示。

图1 原岩应力应变曲线

由图1可知：延长组页岩地层非常致密，在单轴和不同围压下，应力应变曲线中的孔隙、裂隙压密阶段并不明显，轴向应力应变曲线几乎呈线性增加，并当轴向应力达到峰值强度时，岩心内部迅速形成宏观断面，发生脆性破坏而失去承载能力；在单轴条件下，即围压为0.0 MPa时，岩石均为张性劈裂破坏；当围压为17.5 MPa和35.0 MPa时，岩心以剪切破坏为主。

3 不同钻井液浸泡对页岩的影响研究

通过岩石三轴抗压实验，研究不同钻井液浸泡对岩石抗压强度的影响。三轴抗压实验可获得岩石在特定条件下的应力应变曲线，研究岩石的变形和破坏规律，并求得岩石的三轴抗压强度、静态杨氏弹性模量和静态泊松比等量化表征岩石抗破坏能力的基础岩石强度参数。

3.1 清水浸泡实验

使用清水浸泡延长组页岩露头平行层理面岩心，浸泡温度为80 ℃，浸泡环境压力为3.0 MPa，浸泡时间为48 h。清水浸泡后岩心应力应变曲线如图2所示。

由图2可知：浸泡后的页岩地层依然非常致密，在单轴和不同围压下，应力应变曲线中的孔隙、裂隙压密阶段并不明显，轴向应力应变曲线几乎呈线性增加，并且当轴向应力达到峰值强度时，岩心内部迅速形成宏观断面，发生脆性破坏而失去承载能力；在单轴条件下，岩石均为张性柱状劈裂破坏；当围压为17.5 MPa和35.0 MPa时，岩心同时破裂破坏和剪切破坏；浸泡后，水侵层理面，弱化了层理面的强度，导致岩心在受压后出现沿层理面横向破坏的情况。

图2 清水浸泡后岩心应力应变曲线

3.2 不同钻井液浸泡实验

页岩与流体接触后，其强度会受到影响，不同种类的流体对页岩强度的影响是不同的。当页岩与钻井液接触时，一般存在表面水化、离子水化和渗透现象，这些都会降低坍塌压力。因此，页岩地层所使用的钻井液需提高抑制性和封堵性，以保证井壁稳定。使用现场用水基钻井液、油基钻井液、两性离子钻井液和有土甲酸钾钻井液等4种钻井液对延长组露头岩心进行浸泡，浸泡环境压力为3.0 MPa，温度为80 ℃，时间为48 h。不同钻井液浸泡后的力学数据见表1。

表1 不同钻井液浸泡下岩心强度变化情况

由表1可知：经钻井液浸泡后，岩心的强度和内聚力都有所下降，且浸泡对岩石的内聚力影响较大，即岩心的力学强度均有一定程度的降低，浸泡后的岩心出现多条张性破裂缝，也印证了这一点；经油基钻井液浸泡后的岩心单轴、三轴抗压强度与内聚力降低幅度最小，其次为有土甲酸钾钻井液、两性阳离子钻井液，水基钻井液浸泡后的岩心单轴、三轴抗压强度与内聚力降低幅度最大，说明油基钻井液抑制页岩水化的能力最强，但由于油基钻井液成本太高，现场施工时根据条件可选择有土甲酸钾钻井液。

3.3 页岩地层坍塌压力计算

地下一定深处的原地应力一般用3个主应力描述，即垂向应力和水平方向2个主应力。钻井过程扰动并破坏了地层应力的自然平衡状态，使井周出现应力集中，因此，井壁稳定评价可以简化为平面应变问题来分析。在不考虑水化应力，只考虑水化对岩石强度的降低作用的条件下，要保证井眼不垮塌，井筒内当量钻井液密度必须提高。当量钻井液密度增量至少由3个部分构成：①支撑强度变低后由地应力作用产生的坍塌压力增量；②支撑强度变低后由孔隙压力作用产生的坍塌压力增量；③支撑地层自身强度降低(弱面强度降低)产生的坍塌压力增量。

对于结构面欠发育地层，若不考虑①、②两个部分的影响，则受钻井液浸泡后的最低钻井液密度增量(坍塌压力增量)可表示为：

(1)

式中：Δρmc为受钻井液浸泡后的最低钻井液密度增量(坍塌压力增量)，g/cm3；H为地层深度，m；Co为浸泡后岩心内聚力，MPa；Ko为浸泡后岩心渗透率，μm2；Ci为浸泡前岩心内聚力，MPa；Ki为浸泡前岩心渗透率，μm2。

以延长组页岩原始力学数据为基础，根据式(1)计算受钻井液浸泡后的坍塌压力增量：经油基钻井液、有土甲酸钾钻井液、两性阳离子钻井液、水基钻井液浸泡后，岩心的坍塌压力增量分别为0.31、0.38、0.42、0.50 g/cm3。

以原岩的坍塌压力密度为参照，钻井液浸泡后均导致地层坍塌压力升高。与水基钻井液相比，两性阳离子钻井液、有土甲酸钾钻井液浸泡后的地层坍塌压力均较低；油基钻井液效果最好，地层坍塌压力增量最小，但其成本太高，不适合现场钻井施工。有土甲酸钾钻井液效果较好，地层地层坍塌压力增量较低。可见，在钻井液中加入一定量的甲酸钾后，可有效控制页岩地层坍塌压力的增加。因此，充分利用抑制型处理剂甲酸钾抑制水化作用的原理，可有效控制页岩地层坍塌压力的增加，为页岩井壁稳定提供强有力的安全保障。

4 现场应用

试验井为X9井，该井地处陕西省延安市延川县，地质构造为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡。试验地层厚度为几米至几十米，由厚层深灰、灰黑色页岩，灰绿色、深灰色泥质粉砂岩，粉砂质泥岩，粉、细砂岩的薄互层、韵律层组成。黏土矿物总量为50.6%～64.2%，石英含量为23.5%～29.1%，白云石含量较低，为0.0%～3.2%。

邻井X9-1井使用的钻井液为国内常用的水基钻井液，配方为4.00%膨润土+0.20%碳酸钙+6.00%磺化酚醛树脂+6.00%磺化褐煤+3.00%乳化石蜡+5.00%磺化沥青+8.00%聚丙烯酰胺钾盐+1.00%纳米润滑剂，加重剂为重晶石。在页岩井段常发生井塌、井漏现象，多次加入大量封堵材料进行堵漏作业，钻井液密度急剧上升，导致液柱压力大于地层压力，压破地层后又发生井漏，如此循环，钻井成本大幅增加。对X9-1井水基钻井液进行了评价，经其浸泡后的岩心单轴抗压强度为41 MPa，三轴抗压强度为175 MPa，内聚力为10 MPa，坍塌压力增量为0.50 g/cm3。根据上文研究结果，对该水基钻井液各组分进行了替换和筛选，更换为有土甲酸钾钻井液，配方为：4.00%膨润土+0.20%碳酸钙+18.00%甲酸钾+0.05%氧化钙+5.00%乳化石蜡+7.00%润滑型聚合醇，加重剂为重晶石。经测试，经其浸泡后岩心单轴抗压强度为59 MPa，三轴抗压强度为185 MPa，内聚力为15 MPa，坍塌压力增量为0.38 g/cm3。与X9-1井所用水基钻井液相比，岩心抗压强度大幅增加，且坍塌压力增量由之前的0.50 g/cm3降至0.38 g/cm3，抑制页岩水化能力大大增强。将优化后的钻井液体系运用于X9井，使用效果见表2。

由表2可知：X9-1井使用水基钻井液，在钻进过程中由于地层微裂缝发育，多次出现漏失情况，钻井液滤液沿裂缝或微裂缝侵入地层。一方面将可能诱发水力劈裂作用，井壁地层岩石破碎，大量固相颗粒进入钻井液中；另一方面也提高了钻井液与地层中黏土矿物和有机质的作用几率及作用程度，地层强度降低，大量加入随钻堵漏材料，导致钻井液密度大幅提高，同时严重影响钻井液性能，高温高压滤失量大于5 mL。X9井所用的钻井液为优化后的有土甲酸钾钻井液，性能总体稳定，密度较小，在钻井过程中无井漏现象发生，故未引入其他固相颗粒，整个钻进过程中钻井液密度保持在1.03～1.05 g/cm3，高温高压滤失量始终保持在5 mL以内。在整个钻井施工中未发生井漏情况，故不需要进行堵漏作业，X9井从开钻到完井历时70 d，较X9-1井钻时降低25 d，大幅缩短了钻井周期。

表2 钻井液优化前后性能情况

5 结 论

(1) 不同钻井液浸泡对延长组裂缝发育页岩地层坍塌压力影响不同，其中，水基钻井液导致的坍塌压力增加量最大，油基钻井液最小，两性阳离子钻井液和有土甲酸钾钻井液介于二者之间。

(2) 通过调节处理剂种类及加量，尤其是降滤失剂、抑制剂、封堵剂等，可降低钻井液对裂缝发育页岩地层坍塌压力的影响。

(3) 通过分析钻井液浸泡前后页岩应力应变曲线变化情况，能够更加详细了解页岩地层井壁不稳定机理，从而从钻井液密度、抑制性和黏结能力等方面为页岩气井防塌钻井液设计提供技术参考。

[1] 张守军.杜66块火驱注气井耐高温泡沫调剖技术[J].特种油气藏，2017，24(6)：152-156.

[2] 温航，陈勉，金衍，等.硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合研究[J].石油勘探与开发，2014，41(6)：748-754.

[3] 王永炜，李荣西，杨全枝，等.鄂尔多斯盆地陆相中生界页岩气储层井壁失稳机理研究[J].油气藏评价与开发，2017，7(2)：78-82.

[4] 张卫东，李孟，姜在兴.煤层气井壁坍塌破裂准则研究[J].中国煤层气，2011，8(6)：37-41.

[5] 谭强，邓金根，张勇，等.各向异性地层定向井井壁坍塌压力计算方法[J].断块油气田，2010，17(5)：608-610.

[6] 邹大鹏.大庆油田致密油水平井强抑制防塌水基钻井液技术[J].石油钻采工艺，2015，37(3)：36-39.

[7] 邱春阳，赵立新，司贤群，等.强抑制、抗高温防塌钻井液在董8井中的应用[J].石油钻采工艺，2015，37(4)：45-49.

[8] 程玉生，罗鸣，胡文军，等.莺琼盆地高温高压井水基钻井液技术[J].石油钻采工艺，2015，37(5)：37-40.

[9] 马芳侠，李耀华，葛云锦，等.鄂尔多斯盆地延长组致密油有效烃源岩评价[J].特种油气藏，2017，24(5)：37-41.

[10] 马天寿，陈平.页岩层理对水平井井壁稳定的影响[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2014，36(5)：97-104.

[11] 王禹诺，曹青，刘宝宪，等.鄂尔多斯盆地西南部致密砂岩气成藏主控因素[J].特种油气藏，2016，23(4)：81-84.

[12] 徐四龙，余维初，张颖.泥页岩井壁稳定的力学与化学耦合(协同)作用研究进展[J].石油天然气学报，2014，36(1)：151-153.

[13] 冯子齐，于炳松，曾秋楠，等.鄂尔多斯东南部页岩气储层特征及其主控因素[J].特种油气藏，2013，20(6)：40-43.

[14] 翁凯，李鑫，李荣西，等.鄂尔多斯盆地东南部上古生界烃源岩评价及有利区预测[J].特种油气藏，2012，19(5)：21-25.

[15] 梁大川，罗平亚，刘向君，等.钻井液处理剂及体系对泥页岩坍塌压力的影响研究[J].钻采工艺，2011，34(2)：83-85.

[16] 刘书杰，李相方，周建良，等.适于西非深水油田的水基钻井液室内评价[J].石油钻采工艺，2015，37(1)：76-79.

[17] 卢运虎，陈勉，袁建波，等.各向异性地层中斜井井壁失稳机理[J].石油学报，2013，34(3)：563-568.

[18] 王倩，王刚，蒋宏伟，等.泥页岩井壁稳定耦合研究[J].断块油气田，2012，19(4)：517-521.

[19] 王倩，周英操，唐玉林，等.泥页岩井壁稳定影响因素分析[J].岩石力学与工程学报，2012，31(1)：171-179.

[20] 王居峰，郭彦如，张延玲，等.鄂尔多斯盆地三叠系延长组层序地层格架与沉积相构成[J].现代地质，2009，23(5)：803-808.

[21] 姚素平，张科，胡文瑄，等.鄂尔多斯盆地三叠系延长组沉积有机相[J].石油与天然气地质，2009，30(1)：74-84.

[22] 陈五泉，陈凤陵.鄂尔多斯盆地渭北地区延长组沉积特征及石油勘探方向[J].石油地质与工程，2008，22(4)：10-13.

[23] 王峰.鄂尔多斯盆地三叠系延长组沉积、层序演化及岩性油藏特征研究[D].成都：成都理工大学，2007.

[24] 王冕冕，郭肖，曹鹏，等.影响页岩气开发因素及勘探开发技术展望[J].特种油气藏，2010，17(6)：12-17.

[25] 李松，康毅力，李大奇，等.裂缝性地层H-B流型钻井液漏失流动模型及实验模拟[J].石油钻采工艺，2015，37(6)：57-62.

[26] 崔云海，刘厚彬，杨海平，等.焦石坝页岩气储层水平井井壁失稳机理[J].石油钻采工艺，2016，38(5)：545-552.

[27] 徐建永，武爱俊.页岩气发展现状及勘探前景[J].特种油气藏，2010，17(5)：1-7.

[28] 张慧元，李文厚，张慧军，等.鄂尔多斯盆地华池地区三叠系延长组长4+5油层组沉积相研究[J].特种油气藏，2010，17(2)：27-30.

[29] 韩继超，王夕宾，孙致学，等.利用多点地质统计学模拟河流相沉积微相[J].特种油气藏，2011，18(6)：48-51.

[30] 张磊，龚福华，任瑞清，等.鄂尔多斯盆地胡尖山-王洼子地区长4+5储层成岩作用及成岩相研究[J].特种油气藏，2009，16(5)：40-43.