油基钻井液常被用于超深井、大位移井等高难度、复杂井, 包括油包水钻井液、全油基钻井液等多种类型。通常, 最常见体系为油包水钻井液, 该类钻井液连续相为油相, 滤失量非常低, 可以有效地减少钻井液滤液对泥岩影响。从目前施工经验来看, 采用油包水体系, 裸露时间少于20 d的泥岩井段, 井径扩大率非常小。但对于大位移井而言, 受限于套管层次, 往往会存在长井段(大于3 000 m), 该类井段施工难度大, 地层长期浸泡后容易垮塌, 即使采用油包水钻井液体系也难以完全避免出现井径扩径, 特别是上部井段(因最早被揭开)。虽然从上世纪60年代开始, 许多学者开展了钻井液滤液在泥岩中扩散机理以及滤液对泥岩损失机理研究^[1-2], 但是建立的模型大多较为复杂, 需要较多实测参数, 很难定量地考察滤液对岩石强度参数影响。目前, 通过钻井液浸泡实验的方法定量地研究不同时间条件下钻井液对岩石强度影响^[3]仍然是常用的方法, 但该类实验研究主要针对不同类型的水基钻井液, 很少涉及油基钻井液; 同时, 岩石结构非均质性强, 需要大量实验才能找到比较真实的统计学规律, 而对于钻井作业, 同一深度岩心往往较少, 很难实现大批量实验。针对该问题, 提供了一种新的钻井液浸泡对强度影响实验方法, 并分析了油基钻井液对岩石强度影响规律。

1 油基钻井液对岩石影响实验 1.1 油基钻井液类型及岩石样品

东海西湖凹陷采用水基钻井液时, 井壁失稳井段较多^[4], 采用油基钻井液后得到了明显改善, 本文采用的油基钻井液为MO-Drilling钻井液体系, 该钻井液体系在东海西湖凹陷开发中得到了较好应用, 具有强抑制性, 能够很好地稳定井眼; 润滑性好, 能够很好地降低磨摩阻、扭矩; 抗高温性能好; 岩心渗透率恢复值高, 储层保护效果好^[5]。

本次实验采用的油基钻井液配方:白油+3%主乳化剂+1%辅乳化剂+1%润湿剂+4%有机土+3%降滤失剂+2%碱度调节剂+2%封堵剂+2%疏水胶体封堵剂+0.5%流型调节剂+1.2%高温流变稳定剂+重晶石(油水比为80︰20)。本文实验使用的MO-Drilling钻井液取自现场泥浆池。

实验采用岩心为西湖凹陷斜坡带某井花港组下段灰色泥岩, 表观无明显裂缝, 岩心埋深为4 186.65~4 186.78 m。

1.2 实验仪器及实验原理

在塑性破坏模式下, 刻划消耗的能量与切割岩屑体积成正比, 岩石固有破碎比功与其单轴抗压强度数值具有很好的关联性, 基于该理论的刻划测试(scratch testing)是利用金刚石刀片沿岩石表面以一定的横切面积和速率切削出一条沟槽并获得岩石抗压强度等岩石力学特性参数的过程^[5]。本次实验采用Terra Tek全尺寸岩心强度连续测试系统(图 1)。该系统可提供岩石抗压强度连续剖面, 评价岩石强度的非均质性。还可评价岩石结构、矿物成分等非均质性对岩石强度的影响, 评估矿物组分、岩石结构、裂缝密度、沉积层序(层理)厚度和沉积岩其他重要结构特点的细微变化情况^[6]。

采用全尺寸岩心强度连续测试方法来评价钻井液浸泡对岩石强度影响, 可以在原位重复实验或者邻近位置实验, 在很大程度上避免岩石非均质性导致结果差异, 并避免由于测点较少, 导致统计学上的误差。

1.3 实验步骤

本文推荐的标准实验流程为:

(1) 设计岩心刻划位置, 根据岩芯实际状况, 取4处适合连续刻划的位置, 标记A、B、C、D, 见图 2;

(2) 浸泡实验前, 在岩心两端垂直各取2块小岩心柱, 进行岩石强度参数的标定; 利用岩心平整断面碎岩屑矿物进行3组左右岩石矿物组成分实验;

(3) 在A处进行浸泡前连续刻划实验;

(4) 全直径岩心柱及小岩心柱浸泡;

(5) 浸泡10 d, 在B处完成连续刻划实验; 浸泡20 d, 在C处完成连续刻划实验;

(6) 浸泡30 d, 在D处完成连续刻划实验及浸泡后小岩心柱岩石力学测试。

2 油基钻井液对岩石强度影响分析

受到岩心条件限制, 本次实验采用实验流程与1.3节标准流程有所差异, 主要区别为:(1)可用岩心较短, 无法散开布点来满足浸泡前和浸泡后标定实验的需求; (2)实验用岩心为经过半刨开的半边(圆)岩心柱, 不具备全圆周布点条件, 也就只能选择同一位置进行实验。实验用岩心见图 3~图 5, 实验原始结果见图 6, 由于浸泡后岩心端部有侵蚀, 导致岩心长度变化, 所以进行了位置还原, 见图 7。

2.1 钻井液浸泡对岩石抗压强度影响

从实验结果(图 6)可以看出, 沿着长度方向样品(长约12 cm)单轴抗压强度波动非常大, 最小值低于30 MPa, 最大值高于130 MPa; 如果采用常规钻取小岩心柱来分别浸泡的实验方法, 会因为这种长度方向上的抗压强度波动, 引起很大的误差。

如图 6~图 8所示, 浸泡前单轴抗压强度平均值为87.96 MPa, 浸泡10 d单轴抗压强度平均值为80.52 MPa, 浸泡20 d单轴抗压强度平均值为75.61 MPa。可以看出, 经过油基钻井液浸泡后, 岩石单轴抗压强度有明显下降。将岩心按照3 cm一段研究各段的规律, 从图 8可以看出, 四段总体规律一致, 均是随着浸泡时间增加, 单轴抗压强度下降, 但下降趋势略有不同, 说明每段泥岩与钻井液作用有所差异, 主要原因是各段泥岩黏土矿物组分不同, 导致钻井液侵入岩心后, 对岩石强度削弱有所不同。

2.2 钻井液浸泡对岩石弹性参数影响

连续刻划实验无法直接提供弹性模量数据, 目前弹性模量与单轴抗压强度之间关系研究较多, 本文采用的转化公式^[7]如下所示:

$ {{E}_{s}}=0.5\left( 0.8411UC{{S}^{2}}+423.8UCS-2486.9 \right)/1000 $

(1)

式中:E_s为弹性模量, GPa; UCS为单轴抗压强度, MPa。

通过上述模型对该实验的弹性模量进行了计算, 结果见图 9。浸泡前弹性模量平均值为:20.65 GPa, 浸泡10 d弹性模量平均值为:18.54 GPa, 浸泡20 d弹性模量平均值为: 17.18 GPa。由实验结果可以看出, 岩石弹性模量随着浸泡时间增加而降低, 弹性模量的变化会进一步引起井周应力的变化。

3 结论与建议

通过实验对油基钻井液浸泡后岩石的单轴抗压强度及弹性模量变化规律研究, 可以得到以下结论:

(1) 相对于单点实验, 连续刻划实验更适合于研究外界流体或者条件变化对岩石特性影响规律。

(2) 油基钻井液虽然具备很好的稳定井壁能力, 但是在浸泡时间足够长时仍然会使泥岩单轴抗压强度和弹性模量降低, 表明即使采用油基钻井液, 仍然存在井壁垮塌周期问题。

(3) 使用油基钻井液的井垮塌周期相对较长, 探井作业周期一般不会超过油基钻井液垮塌周期, 但对大位移井长裸眼井段应该注意垮塌周期必须满足该井段的作业需求。