邢向榮

中石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)地質(zhì)研究所，新疆 克拉瑪依

塔里木油田H9區(qū)塊儲層敏感性分析及鉆井液體系優(yōu)化研究

邢向榮

中石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)地質(zhì)研究所，新疆 克拉瑪依

針對塔里木油田H9區(qū)塊鉆井過程中存在的儲層損害問題，采用黏土礦物分析、掃描電鏡及壓汞法等方法，分析掌握了目標(biāo)區(qū)塊儲層地質(zhì)特征，并結(jié)合儲層敏感性試驗評價，明確了儲層潛在敏感性損害因素，揭示了儲層損害機(jī)理。結(jié)果表明，H9區(qū)塊儲層黏土礦物含量為10%～20%，具有中高孔滲特征，非均質(zhì)性較好，且存在潛在的強(qiáng)速敏和強(qiáng)水敏性損害。針對現(xiàn)場用鉆井液體系存在的抑制性、潤滑性及儲層保護(hù)效果存在的不足，室內(nèi)優(yōu)化了一套綜合性能優(yōu)良的KCl-聚合醇儲層保護(hù)鉆井液體系。通過模擬儲層動態(tài)損害試驗評價可知，儲層巖心滲透率恢復(fù)值可達(dá)85%以上?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，KCl-聚合醇鉆井液體系可較好地抑制泥頁巖水化膨脹分散，有效避免了井眼縮徑、起下鉆遇阻等井下復(fù)雜情況發(fā)生，保障了鉆井施工高效、安全，且儲層保護(hù)效果良好。

敏感性分析，損害機(jī)理，儲層保護(hù)，鉆井液，體系優(yōu)化，塔里木油田

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Sensitivity Analysis, Damage Mechanism, Formation Protection, Drilling Fluid,

System Optimization, Tarim Oilfield

1. 引言

H9區(qū)塊屬于塔北凹陷邊區(qū)新近開發(fā)的縫洞型稠油油藏，主力油層位于X1組和Y1組，探明油氣儲量可觀[1] [2]。H9區(qū)塊前期勘探井統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，鉆探過程中常發(fā)生井眼縮徑、起下鉆遇阻、卡鉆等井壁失穩(wěn)問題，且70%以上發(fā)生在硬脆性泥頁巖互層段，嚴(yán)重影響了鉆井施工安全。此外，鉆完井過程中不可避免的會造成儲層損害，但通過采取適宜的儲層保護(hù)技術(shù)對策，可對其進(jìn)行有效地控制[3] [4] [5] [6]。目前，針對 H9區(qū)塊硬脆性泥頁巖儲層敏感性復(fù)雜等問題，相關(guān)學(xué)者僅從力學(xué)角度進(jìn)行了井壁穩(wěn)定機(jī)理研究，研究不夠深入、全面[7]。因此，深入開展H9區(qū)塊儲層敏感性分析研究，對H9區(qū)塊油藏的進(jìn)一步安全、高效開發(fā)具有十分重要的意義。

2. 儲層敏感性試驗研究

2.1. X射線衍射試驗分析

選取Y1、X1目標(biāo)層位巖樣，利用島津XRD-6100-X射線衍射儀進(jìn)行了全巖礦物及黏土礦物相對含量分析，結(jié)果如表1所示，H9區(qū)塊儲層黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%之間，主要以伊利石和伊–蒙混層為主，其次為高嶺石、綠泥石。伊利石和高嶺石屬于速敏性礦物，在高堿性環(huán)境中容易發(fā)生剝落、分散運(yùn)移，伊–蒙混層屬水敏性礦物，容易引起水敏性損害[8] [9]。因此，預(yù)測儲層可能存在潛在的速敏、水敏及堿敏性敏感性損害。

Table 1. The types of clay minerals of reservoir cores and the analysis result of clay mineral content表1. 儲層巖心黏土礦物類型及含量分析結(jié)果

2.2. 掃描電鏡分析試驗

選取儲層3945.74 m處巖心，利用日立S-4800冷場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。從圖1(a)～(d)可看出，H9區(qū)塊儲層巖樣以粒間孔隙為主(成熟度較低)，同時發(fā)育有溶蝕孔隙和微裂縫。裂縫及裂紋較多發(fā)育，該類裂縫屬于稍大的類型，儲層多表現(xiàn)為中高滲透特征。

Figure 1. The diagram of core SEM analysis at 3945.74 m in Block H9圖1. H9區(qū)塊儲層3945.74 m處巖心掃描電鏡圖

2.3. 壓汞分析試驗

利用全自動壓汞儀AutoPore IV 9500進(jìn)行壓汞試驗分析，結(jié)果見圖2。通過進(jìn)一步計算可知，巖心的孔隙度約為14.45%，總孔隙比表面為1.365 m2/g；平均孔隙半徑均值為108 μm，70%左右的孔隙半徑大于100 μm，屬大孔隙發(fā)育；平均喉道半徑為36.2 μm，40%左右的喉道寬度大于48.5 μm；滲透率約為26.17 mD，孔隙均質(zhì)系數(shù)約為0.38。因此，可判斷該層位巖樣孔隙發(fā)育程度較好，屬于中高滲儲層，非均質(zhì)性較好，對滲透率具有貢獻(xiàn)的孔徑分布在10～100 nm之間。

Figure 2. The results of mercury intrusion analysis of cores at 3945.74 m in Block H9圖2. H9區(qū)塊儲層3945.74.74 m處巖樣壓汞分析試驗結(jié)果

2.4. 儲層敏感性評價試驗

依據(jù)SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》方法，選取儲層巖心進(jìn)行敏感性評價試驗，結(jié)果見表 2。通過敏感性分析試驗結(jié)果可知，該區(qū)塊儲層主要存在潛在的強(qiáng)速敏和強(qiáng)水敏性損害，且臨界流速為0.5 mL/min，臨界礦化度為4375～6536 mg/L。

Table 2. The experimental results of reservoir core sensitivity evaluation in Block H9表2. H9區(qū)塊儲層巖心敏感性評價試驗結(jié)果

2.5. 儲層損害機(jī)理分析

結(jié)合儲層黏土礦物特性對儲層的潛在影響[10] [11]，分別從速敏性損害和水敏性損害角度分析了儲層損害機(jī)理。

2.5.1. 速敏性損害機(jī)理

巖心黏土礦物分析結(jié)果表明，H9區(qū)塊儲層主要以石英、高嶺石及伊利石等速敏性礦物為主，黏土礦物含量較高。當(dāng)受到流體流動的沖擊作用之后，這些原本較為穩(wěn)定的礦物顆粒被破壞而發(fā)生運(yùn)移，進(jìn)而堵塞儲層流通通道，降低儲層滲透率，造成儲層損害。通過掃描電鏡試驗分析可知，儲層微裂縫發(fā)育成熟、中小孔喉分布好、較多溶蝕孔隙，微裂縫越多、孔喉越小、壁面越粗糙，微粒越容易發(fā)生速敏損害，這也是導(dǎo)致強(qiáng)速敏損害的主要原因[12] [13]。

2.5.2. 水敏性損害機(jī)理

水敏性損害主要是由于黏土礦物晶層間存在可交換陽離子，且損害程度取決于巖石中的水敏性黏土礦物的含量以及在巖石中的分布狀態(tài)和在孔隙中的分布形式[8] [14]。儲層黏土礦物引起水敏性損害可分為3個方面[15] [16] [17]：①黏土礦物間膠結(jié)力較弱，遇水發(fā)生水化膨脹，使黏土晶層分散，分散運(yùn)移的固相微?？赡芏氯麅恿魍ㄍǖ?，從而造成儲層損害。②由于儲層中存在大量的黏土礦物，當(dāng)外來的礦化度流體進(jìn)入后會與之大面積接觸，在沖刷作用下增加了顆粒分散運(yùn)移程度，從而堵塞儲層流通通道。③大量的黏土礦物在入井流體作用下，發(fā)生運(yùn)移和沉積作用，這也是造成強(qiáng)水敏損害的原因之一。基于上述原因，H9區(qū)塊儲層存在強(qiáng)水敏性損害。

3. 現(xiàn)用鉆井液體系性能存在不足及優(yōu)化思路

目前，H9區(qū)塊X1和Y1層位主要采用聚磺鉆井液體系完鉆多口探井，該體系能鉆達(dá)目的層位，但鉆井過程中頻繁出現(xiàn)起下鉆遇阻、倒劃眼困難、蹩扭矩等井下復(fù)雜情況，且在接近儲層段出現(xiàn)嚴(yán)重井眼縮徑問題。

綜合儲層巖性特征分析、鉆井液性能及現(xiàn)場施工措施，可將 H9區(qū)塊已鉆井頻繁出現(xiàn)復(fù)雜情況的主要原因歸納為以下兩方面：

1) 由于儲層黏土礦物含量較高，鉆井液進(jìn)入所在地層后，容易造成泥頁巖水化膨脹運(yùn)移，引起剝落、掉塊、縮徑等問題。上部地層泥巖成巖性較差，各地層均含有不同程度的泥巖，膠結(jié)強(qiáng)度不高，水化膨脹性較強(qiáng)，極易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，進(jìn)而造成了起下鉆遇阻、倒劃眼困難甚至卡鉆等復(fù)雜情況。

2) 現(xiàn)場用聚磺鉆井液體系雖然具有一定的抑制效果，但該體系并不能較好地適應(yīng)H9區(qū)塊地層特性。

因此，鉆井液體系優(yōu)化應(yīng)從改善鉆井液體系抑制性，提高降濾失性能及潤滑性能，增強(qiáng)儲層保護(hù)能力幾方面著手[18] [19] [20]。

4. 儲層保護(hù)鉆井液體系優(yōu)化及性能評價

室內(nèi)針對現(xiàn)用聚磺鉆井液體系性能存在的不足，室內(nèi)優(yōu)選了非滲透暫堵劑 HKTP、陽離子乳化瀝青LQ-1及極壓潤滑劑RHJ-2，并通過配方優(yōu)化試驗形成了一套綜合性能較優(yōu)的KCl-聚合醇鉆井液體系。

配方：3.5%膨潤土漿 + 0.3%NaOH + 0.3%Na2CO3+ 1.5%PF-VIS增黏降濾失劑 + 2.5%降濾失劑SMP-2 + 2.5%聚合物降黏劑JNJ-2 + 3.5%潤滑防塌劑JLX-C + 2.5%陽離子乳化瀝青LQ-1 + 1.5%非滲透性屏蔽暫堵劑HKTP + 2.5%改性石墨GRA + 2%極壓潤滑劑RHJ-2 + 8%KCl (重晶石加重至1.25g/cm3) (配方中的百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

4.1. 常規(guī)性能評價

對KCl-聚合醇鉆井液體系性能進(jìn)行了試驗評價，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，熱滾前后鉆井液體系性能變化不大，性能穩(wěn)定，且形成的泥餅薄而致密；潤滑系數(shù) < 0.1，潤滑性能較好，能夠有效降摩減阻。優(yōu)選的非滲透暫堵劑HKTP與陽離子乳化瀝青LQ-1可產(chǎn)生協(xié)同增效作用，改善泥餅質(zhì)量，有效起到降濾失效果。其次，改性石墨GRA、極壓潤滑劑RHJ-2及聚合醇在鉆井液中能夠形成固–液相協(xié)同潤滑作用，能有效吸附在黏土等微粒表面，形成致密復(fù)合極壓潤滑膜，將微粒之間的直接摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)槟づc膜之間的滑動摩擦，從而達(dá)到良好的降摩減阻效果。

Table 3. The conventional properties of KCl-polyalcohol drilling fluid system表3. KCl-聚合醇鉆井液體系常規(guī)性能

4.2. 抑制性評價

4.2.1. 泥頁巖滾動分散試驗

泥頁巖滾動分散試驗結(jié)果如表4所示，KCl-聚合醇鉆井液體系的滾動分散回收率均遠(yuǎn)高于清水滾動分散回收率，且二次回收率仍高于90%，具有較強(qiáng)的抑制泥頁巖水化分散作用。

Table 4. The results of mud shale rolling and dispersion experiment表4. 泥頁巖滾動分散試驗結(jié)果

4.2.2. 泥頁巖水化膨脹試驗

將X54-01井4089.03 m巖樣記為1#，X52-06井4165.24 m巖樣記為2#，膨脹試驗結(jié)果如圖3所示，KCl-聚合醇鉆井液體系作用下的巖屑膨脹率小于4.0%，遠(yuǎn)低于清水的膨脹率，且在1 h后巖屑膨脹量趨于穩(wěn)定，對泥頁巖水化膨脹具有較好的抑制效果。

Figure 3. The results of mud shale hydration and expansion experiment圖3. 泥頁巖水化膨脹試驗結(jié)果

優(yōu)化KCl-聚合醇鉆井液體系具有良好的抑制防塌效果。其原因主要是陽離子乳化瀝青中的陽離子成分與黏土礦物之間產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用，從而帶正電荷的瀝青微粒能夠牢固地吸附在黏土礦物表面，形成一層較為致密的疏水薄膜，進(jìn)而可有效削弱黏土水化滲透作用，起到良好的抑制效果。同時，聚合醇分子中含有較多的醚鍵，其在黏土表面的吸附作用強(qiáng)于水分子，因此聚合醇分子可優(yōu)先吸附在黏土顆粒表面，阻止水敏性礦物的水化分散，從而達(dá)到較好的抑制防塌目的。

4.3. 模擬儲層動態(tài)損害試驗

分別選取H9區(qū)塊X48-02井4164.75 m和X52-03井4228.63 m處天然巖心，依據(jù)SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價方法》，采用高溫高壓動態(tài)損害評價儀進(jìn)行模擬儲層動態(tài)損害試驗，評價體系的儲層保護(hù)性能。

試驗條件：模擬地層溫度為130℃；圍壓為5.0 MPa；壓差為3.5 MPa；損害時間為120 min。

試驗結(jié)果見表 5、圖 4。結(jié)果表明，KCl-聚合醇鉆井液體系作用下的巖心滲透率恢復(fù)值(切割污染端0.7 cm)達(dá)85%以上，儲層保護(hù)效果較好，且對儲層造成的損害可通過后期射孔作業(yè)有效解除。主要是由于優(yōu)選的非滲透暫堵劑HKTP的粒徑分布范圍與儲層孔隙尺寸具有較好的配伍性，能夠?qū)赢a(chǎn)生有效的屏蔽暫堵作用，切去巖心污染端后，可較大程度地減輕對儲層的損害，達(dá)到儲層保護(hù)的目的。

Table 5. The evaluation results of simulation experiment of formation damage表5. 儲層損害模擬試驗評價結(jié)果

Figure 4. The curve of reservoir core permeability recovery圖4. 儲層巖心滲透率恢復(fù)曲線

5. 現(xiàn)場試驗

在室內(nèi)研究工作基礎(chǔ)上，KCl-聚合醇儲層保護(hù)鉆井液體系在 H9區(qū)塊的多口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。其中，X56-01井主力油層為Y1、X1組，埋深在3905.15～4391.32 m之間，實鉆井深在4450 m左右，該層段存在較大井壁失穩(wěn)風(fēng)險。鉆開試驗井儲層階段時，在嚴(yán)格按照室內(nèi)鉆井液實施方案基礎(chǔ)上，采用所提供的鉆井液體系，現(xiàn)場鉆井液應(yīng)用實施情況良好，特別是鉆井液流變性能、濾失性及潤滑性等主要性能良好、穩(wěn)定(表6)，未出現(xiàn)剝落、掉塊等復(fù)雜情況，安全順利完鉆。

Table 6. The test results of conventional property of field drilling fluid表6. 現(xiàn)場漿常規(guī)性能測試結(jié)果

分別取不同井深現(xiàn)場試驗漿，測定儲層巖心滲透率恢復(fù)值，評價現(xiàn)場漿的儲層保護(hù)效果，結(jié)果如表7所示。室內(nèi)模擬儲層條件下的巖心動態(tài)污染滲透率恢復(fù)值達(dá)到85%以上，儲層保護(hù)效果好。

Table 7. The evaluation results of core permeability recovery value with field drilling fluid表7. 現(xiàn)場漿作用下巖心滲透率恢復(fù)值評價試驗結(jié)果

6. 結(jié)論

1) H9區(qū)塊儲層屬于中高滲儲層，以粒間孔隙為主，微裂縫發(fā)育，非均質(zhì)性較好，且對滲透率具有貢獻(xiàn)的孔徑分布在10～100 nm之間。

2) 黏土礦物中伊利石和伊–蒙混層含量較高，儲層存在潛在的強(qiáng)速敏性損害和強(qiáng)水敏性損害，盡可能采用近平衡壓力鉆井及高效致密暫堵技術(shù)；施工作業(yè)過程中應(yīng)注意控制外來工作液的流速，同時有效控制固相含量，提高工作液的抑制性能。

3) 優(yōu)化KCl-聚合醇儲層保護(hù)鉆井液體系具有強(qiáng)抑制、高潤滑的特點；現(xiàn)場試驗效果良好，有效解決了剝落、掉塊及卡鉆等井壁失穩(wěn)問題，取得了有效保護(hù)儲層的效果。建議在 H9區(qū)塊及周邊類似儲層后續(xù)鉆采過程中進(jìn)行推廣應(yīng)用，有望取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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[編輯]帥群

Analysis of Reservoir Sensitivity and Optimization of Drilling Fluid System in Block H9 of Tarim Oilfield

Xiangrong Xing
Fengcheng Geological Institute, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay Xinjiang

Feb. 20th, 2017; accepted: Apr. 25th, 2017; published: Jun. 15th, 2017

In allusion to the problem of formation damage in drilling of Block H9 in Tarim Oilfield, various methods including clay mineral analysis, SEM and mercury intrusion were used for analyzing the geological characteristics in the target zone, and combined with the evaluation of reservoir sensitivity test, the potential sensitivity damage factors and damage mechanism were determined. Results show that the clay mineral content is 10% to 20% in the block. It has the feature of middlehigh porosity and permeability with obvious heterogeneous and there potentially exist strong velocity and water sensitivities. In consideration of the inhibition and lubrication property in the drilling fluid system and poor effect of formation protection, a set of good performance KCl-polyalcohol drilling fluid system is optimized in laboratory. It is known in the dynamic test on reservoir simulation that the core permeability recovery value can be up to 85%. Field test result shows that KCl-polyalcohol drilling fluid system can be used for better control of shale hydration and expansion, effective avoiding the downhole complexity such as hole shrinkage stuck in tripping, it ensures a high efficient and safe well drilling and a good formation protection effect is obtained.

邢向榮(1977-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事油田動態(tài)開發(fā)相關(guān)研究工作。

2017年2月20日；錄用日期：2017年4月25日；發(fā)布日期：2017年6月15日

文章引用:邢向榮. 塔里木油田 H9區(qū)塊儲層敏感性分析及鉆井液體系優(yōu)化研究[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2017, 39(3):69-77. https://doi.org/10.12677/jogt.2017.393030

國家油氣重大專項(2011ZX05012-004)。