摘要：塔里木盆地群库恰克地区油气产层主要位于石炭系和泥盆系，岩性复杂，已完钻的几口探井钻进过程中共发生了200次井下复杂及钻井事故，严重影响了钻井工程进度、增加了钻井成本。采用X射线衍射仪、页岩线性膨胀分析仪等对该地区失稳井段的地层矿物组分及其理化性质进行了分析测试，结合泥页岩线膨胀率评价试验、滚动回收率评价试验、失稳井段岩石黏土矿物和全岩矿物分析，找到了井壁失稳的原因：①失稳井段泥页岩的矿物成分以伊利石为主，其次为伊/蒙间层、高岭石和绿泥石，缺失蒙脱石，岩样泥页岩膨胀率低；②井壁不稳定的原因主要是伊利石的分散作用；③现场所用水基钻井液体系滤液进入地层是导致井壁不稳定的重要原因之一。据此认为：采用抑制能力和封堵能力强钻井液是预防和减少该区块井壁失稳的重要措施，具体的技术对策包括：①筛选合适的防塌钻井液处理剂及体系；②分地层设计和使用钻井液体系。现场应用结果表明，防塌钻井液和分地层钻井液设计较好地满足了该地区钻井工程的实际要求，降低了井下复杂和钻井事故的发生概率，缩短了钻井周期，提高了钻井效率，节约了钻井成本，经济效益显著。
关键词：塔里木盆地；群库恰克地区；石炭纪；二叠纪；井壁失稳；技术对策；防塌钻井液；分地层钻井液
井壁失稳是石油钻井过程中普遍存在并一直困扰业界的一个大问题，是国内外钻井界一直努力攻关的重要内容[1～10]。
塔里木盆地群库恰克地区岩性复杂，古近系阿尔塔什组发育一套巨厚层白色石膏夹浅灰色泥岩及膏质泥岩，膏质泥岩表现为“软泥岩”特征，易发生蠕变卡钻；石炭系含砾状砂岩、石灰岩，志留系含石英砂岩，可钻性差；地层中含有高压油气层和高压盐水层。钻井复杂及事故统计结果表明，群1、群5、群6、群601、群7这5口探井钻进过程中合计发生各类复杂及事故200次，严重影响了钻井工程安全和工程进度。亟待对此问题进行深入研究，找出破解井壁失稳难题的方法。
1 井下复杂或钻井事故统计分析
研究中按井下复杂或钻井事故发生类型、井段及层位进行了分类统计，统计结果(图1、2、3)表明，各类井下复杂及钻井事故表现出以下特点：①从钻井复杂及事故发生类型看，卡钻(上提遇卡和下钻遇阻)为主要钻井复杂，上述5口井共计发生154次，占钻井复杂及事故总次数的77%；②从钻井复杂及事故发生的井段看，多发井段为3000～6000m，为重点钻井复杂及事故防控井段；③从钻井复杂及事故发生的层位看，多位于新近系阿图什组(N2a)、二叠系阿恰组(P2-3aq)、下石炭统巴楚组(C1b)及泥盆系(D)，钻井复杂发生频繁，这些地层岩性为砂岩、红色泥岩及褐色泥岩，属于不稳定地层。
2 井壁失稳因素分析
井壁稳定问题除力学因素之外，还有钻井液化学因素的影响。钻井液的影响主要是因为钻井时钻井液的液柱压力大于地层孔隙压力产生的压差，在压差的作用下，钻井液滤液进入地层，常常发生滤液使地层中黏土的矿物水化膨胀，导致井径收缩而产生卡钻事件或因泥页岩的剥落掉块造成井壁坍塌、井径扩大。
2.1 失稳井段岩石黏土矿物和全岩矿物分析
群6井是群库恰克地区已完井中发生钻井复杂事件最多的一口井，累计发生钻井复杂事件49次，具有一定的代表性，研究中选取了群6井的失稳井段(4300～4800m)岩屑进行矿物组分及其理化性能分析，黏土矿物和全岩矿物分析结果分别如图4、5所示。
由图4可以看出：①所分析井段的黏土矿物以伊利石、绿泥石、高岭石、伊/蒙间层、绿/蒙间层矿物发育，缺失蒙脱石为特点。伊利石相对含量介于25%～48%，绿泥石相对含量介于4%～35%，高岭石相对含量介于3%～15%，伊/蒙间层相对含量介于8%～46%，绿/蒙间层相对含量介于6%～45%；②各井段的黏土矿物组成中伊利石含量均占有较高比例；③在分析的10个井段中，有6个井段的伊/蒙间层含量较高，离子间强键较蒙脱石减少，非膨胀性和膨胀性黏土相间，一部分比另一部分水化能力强，导致非均匀性膨胀，进一步减弱了泥页岩的结构强度导致地层岩石容易脆裂，发生井下垮塌和掉块。实践证明，伊/蒙间层是难以对付的地层。
由图5可以看出，群6井失稳井段的全岩矿物以石英(相对含量介于11%～47%)、黏土矿物(相对含量介于6%～37%)、斜长石(相对含量介于6%～24%)、方解石(相对含量介于1%～17%)、白云石(相对含量介于3%～31%)为主，还含少量的钾长石、石膏和黄铁矿，缺失方沸石、菱铁矿和盐岩。同时处于4500～4550m井段的地层硬石膏相对含量较高，达到了44%，属石膏泥岩层，当钻井过程中钻遇到该地层时，钻井液液柱压力不能平衡地层坍塌压力，地层在地层坍塌压力作用下向井眼挤压，或者钻井液中抗盐抗钙处理剂加量不足，使石膏吸水膨胀、分散，从而造成井下坍塌、掉块、卡钻等钻井复杂事件。
群6井失稳井段黏土矿物分析结果表明：黏土矿物以伊利石、绿泥石、高岭石、伊/蒙间层、绿/蒙间层矿物发育，缺失蒙脱石为特点。由于泥岩主要由伊利石组成，很少或不含膨胀层黏土矿物，其地层的泥岩压实程度较高，水平层理发育，泥岩裂隙发育。因此，在钻井过程中，泥浆滤液沿层理面或微裂隙侵入，大大加剧了泥岩的水化和分散，减弱了泥岩的结合强度，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。在钻具、钻头的碰撞作用下和钻井操作时的波动压力作用下，出现掉块坍塌。水沿泥岩裂缝和微裂缝渗入黏土层面而引起该类黏土矿物的剥落是造成井塌的主要原因，从而为采用有封堵裂缝和微裂缝能力的钻井液添加剂，防止该类地层的坍塌提供了依据。
2.2 泥页岩线膨胀率评价试验
将群6井失稳井段(4400～4500m)泥页岩岩屑样品烘干后粉碎成粉末，用100目分样筛过筛，收集100目筛下的岩屑粉末。取该粉末10.0g于页岩膨胀性测定仪的样品筒中，在4.1MPa压力下压5min，然后放入页岩膨胀性测定仪中，在室温条件下，测定样品在自来水和钻井液滤液中的浸泡不同时间后岩心的总高度及岩心的膨胀率。室内模拟配制了第二次开钻(以下简称二开)、第三次开钻(以下简称三开)及第四次开钻(以下简称四开)钻井液体系，配方采用现场配方。实验结果如表1所示。
由表1可以看出，群6井该段的泥页岩在自来水16h后的线膨胀率为15.50%，属较易膨胀泥页岩。同时，随着从二开到四开钻井液抑制能力的增强，泥页岩的水化膨胀得到了一定的抑制，但仍存在较大的改进空间。
2.3 滚动回收率评价试验
按照石油天然气行业标准SY/T 5613—2000《泥页岩理化性能试验方法》中的标准滚动回收率法评价了群6井失稳井段(4400～4500m)的泥页岩在不同的钻井液及自来水中的滚动回收率，分析其在不同介质中的分散性。实验结果如表2所示。
从表2中可以看出，群6井该失稳井段泥页岩岩样在自来水滚动回收率较低，属易分散泥页岩，三开、四开钻井液中加入硅酸钾、聚合醇等防塌剂后，钻井液整体的防塌能力得到了增加，页岩滚动回收率明显提高。
以上井壁失稳因素综合分析结果表明：①通过泥页岩理化性能分析，群6井失稳井段泥页岩的矿物成分以伊利石为主，其次为伊/蒙间层，高岭石和绿泥石，缺失蒙脱石，岩样泥页岩膨胀率低；②泥页岩膨胀性和标准滚动法实验评价结果表明，该井段的泥页岩水化膨胀较小，井壁不稳定的原因主要是伊利石的分散作用；③现场所用水基钻井液体系滤液进入地层是导致井壁不稳定的主要原因之一。由此认为，采用抑制能力和封堵能力强钻井液是预防和减少该区块井壁失稳的重要措施之一。
3 技术对策
在充分认识群库恰克地区井壁失稳影响因素和失稳机理的基础上，并结合该地区地层的实际特点，突出重点解决的问题，以针对性、系统性和有效性为原则，提出了如下技术对策。
3.1 筛选合适的防塌钻井液处理剂及体系
针对群库恰克地区地层岩性特点，筛选和研制合适的防塌钻井液处理剂及体系，提高钻井液的抑制性，增强钻井液的造壁性和封堵能力，优选钻井液流型与流变参数，以满足安全、快速钻井要求。
1) 提高钻井液的抑制性：采用无机钾盐聚合醇组合、正电胶 聚合醇组合等抑制性处理剂，防止泥页岩地层水化、膨胀和分散，稳定井壁。
2) 增强钻井液的造壁性和封堵能力：控制钻井液的失水量，对于裂缝发育的坍塌层，封堵裂隙，在井壁周围形成渗透率接近零的封堵带，将井筒钻井液与井壁地层隔绝为两个系统，控制和减少钻井液滤液沿微裂隙侵入地层，以达到稳定井壁的目的。
3) 优选钻井液流型与流变参数：钻井液流变性对井壁稳定和携屑影响很大，通常在维护和处理钻井液时，往往出现改善钻井液流变性或造壁性，则削弱钻井液的抑制性；而增强抑制性时，又常以损害钻井液的稳定性为代价。优选钻井液流型与流变参数，同时兼顾钻井液的抑制性就显得十分必要。
3.2 分地层设计和使用钻井液体系
在正确认识群库恰克地区地层的特性和潜在失稳机理的基础上，根据各防塌钻井液体系的特点和适用范围，对井壁不稳定地层分别设计和使用合适的钻井液体系。常用防塌钻井液及其适用范围如表3所示。
4 现场应用情况及效果
现场试验井为群5-1H井，设计井深5395m，该井为甲方在群库恰克地区的第一口开发水平井，位于塔里木盆地西南坳陷麦盖提斜坡群苦恰克构造带巴什托普鼻状构造西端。主要钻井目的为落实构造、储层、流体分布规律，为油气藏滚动勘探开发提供依据，并建立高产稳产井组，提高储量的动用程度，增加产能。
群5-1H井钻井技术难度主要表现为：三开后，随着裸眼段的延长，容易发生井壁坍塌。同时，由于钻井液密度的提高，容易引起钻井液中有害固相增加，造成钻具遇卡和下套管遇阻。为此，对该井采用了分井段钻井液技术设计(表4)。
现场应用效果如表5所示，从表5可以看出，群5-1H井整体钻井复杂发生次数(13次)大幅降低，相对邻井群5井降低了67.5%，群6井降低了73.5%，群7井降低了69.0%。同时，产生了显著的经济效益，群5-1H钻井成本显著降低：相对于邻井群5井节约了781万元、相对于群6井节约了1253万元、相对于群7井节约了540万元。
5 结论
1) 群库恰克地区井壁不稳定的原因主要是伊利石的分散作用，现场所用水基钻井液体系滤液进入地层是导致井壁不稳定的重要原因之一，采用抑制能力和封堵能力强钻井液是预防和减少该区块井壁失稳的重要措施之一。
2) 针对不同地层研究开发出的分段钻井液体系较好地满足了群库恰克地区钻井工程的实际要求，降低了井下复杂及钻井事故的发生概率，缩短了钻井周期，提高了钻井效率，节约了钻井成本，经济效益显著。
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(本文作者：谢水祥1 蒋官澄1 陈勉1 邓皓2 李再钧3 1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室；2.中国石油集团安全环保技术研究院；3.中国石油塔里木油田公司)
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