徐同臺 沙 東 王 偉 劉春華 羅 坤 王雨滔

(1.北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司，北京 昌平 102200；2.中國石油大港油田分公司 灘海開發(fā)公司，天津 大港 300280；3.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)事業(yè)部，天津 塘沽 300452；4.石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(xué))，北京 昌平 102249)

2008年，大港油田在埕海油田2區(qū)鉆大斜度定向井時，沙河街組沙1段地層井塌嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了鉆井速度。為了安全鉆進(jìn)，必須分析該地區(qū)的井壁失穩(wěn)原因，并制定穩(wěn)定井壁的技術(shù)對策。

1 埕海油田2區(qū)沙1段地層特點

埕海油田2區(qū)井塌發(fā)生在東營組地層底部與沙河街組沙1段地層,主要坍塌層為沙1段中與沙1段下，其巖性為灰色灰質(zhì)泥巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖、灰色泥巖、白云巖、泥灰?guī)r和油頁巖。沙1段地層正處于成巖第一脫水帶，受沉積環(huán)境(半深湖寧靜湖灣)、成巖作用、構(gòu)造運動(強(qiáng)烈沉陷與坳陷擴(kuò)張期)等影響，地層層理裂隙發(fā)育，泥巖段孔隙壓力異常。表1和表2分別為張海 21-21L 井坍塌地層的礦物組分及黏土礦物組分。

表1 張海2121L 井坍塌地層的礦物組分

從表1和表2可以看出，坍塌地層的巖性以泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主；黏土礦物均以伊蒙有序混層為主，其含量55%～71%，其次為伊利石和高嶺石，不含或含少量綠泥石；沙1段地層伊蒙混層比為30%～40%，說明這些地層正處在成巖第一脫水帶，伊蒙混層從無序混層向有序混層過渡；沙2段地層中伊蒙混層比為20%，該段地層黏土礦物以伊蒙有序混層為主。非黏土礦物中方解石和白云石含量高達(dá)23%～26%,其次為石英,長石含量很低(0～3%)

表2 張海2121L 井坍塌地層黏土礦物相對含量

表3為坍塌層巖樣的理化性能。從表3可看出，沙1段地層為弱分散地層，回收率為71.5%；中等膨脹，膨脹率為9.9%～11.7%;陽離子交換容量為40～55 mmol/kg。

表3 張海2121L 井坍塌層的理化性能

2 井塌原因分析

依據(jù)該地區(qū)坍塌層段沙1段的地層特點、地層三個壓力剖面及張海 21-21L 井的鉆井情況，對該地區(qū)的井塌原因進(jìn)行討論。

2.1 鉆井液密度低于地層坍塌壓力當(dāng)量密度

井塌是一個力學(xué)問題，當(dāng)井內(nèi)液柱壓力低于地層坍塌壓力時，井壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞，脆性地層產(chǎn)生坍塌掉塊，井徑擴(kuò)大，而塑性地層則向井眼內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，造成縮徑[1-2]。從該地區(qū)沙1段地層的力學(xué)性質(zhì)上看，由于該段地層層理發(fā)育，巖石較為硬脆，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，地層易沿層面產(chǎn)生塑性滑動，鉆井液密度低很容易在井周產(chǎn)生塑性區(qū)，導(dǎo)致井周地層松動，并且松動區(qū)滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原狀地層的滲透率，在鉆井液封堵性不好的情況下，鉆井液濾液向松動區(qū)滲流，導(dǎo)致液柱壓力的有效支撐降低，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致井壁坍塌。

該地區(qū)張海 21-21L 井鉆井設(shè)計所用的地層坍塌壓力是在直井條件下進(jìn)行計算的。而該井上部井段是大斜度井段，下部井段為水平段，其方位位于最大水平地應(yīng)力方向(70°～80°)，井斜角與方位角對地層坍塌壓力有較大影響。采用張海 21-21L 井實際井斜角與方位角所計算出來的地層坍塌壓力，比鉆井設(shè)計所用的地層坍塌壓力要大，因而該井鉆進(jìn)沙1段地層所采用的鉆井液密度低于地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度(見圖1)，從而造成該井鉆進(jìn)φ311.1 mm井段時發(fā)生井塌而導(dǎo)致起下鉆阻卡、卡鉆、斷鉆具等井下復(fù)雜情況與事故的發(fā)生,被迫提前下入φ244.5 mm技術(shù)套管,而且沒下到預(yù)計井深，為三開安全鉆井埋下隱患。該井四開鉆進(jìn)φ155.6 mm井段時，也因鉆井液密度低于按照實際井身剖面而計算出的地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度而發(fā)生了井塌，造成起下鉆阻卡、鉆具無法下至原井深、斷鉆具等井下復(fù)雜情況與事故的發(fā)生?？傊?，張海 21-21L 井由于實際用鉆井液密度低于地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度，造成井周塑性區(qū)過大，最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

2.2 鉆井液封堵性與泥餅質(zhì)量差

鉆井過程中，當(dāng)鉆井液與井壁接觸時，如果鉆井液泥餅質(zhì)量和封堵性能不好，鉆井液濾液進(jìn)入地層會產(chǎn)生非常復(fù)雜的物理、物理化學(xué)作用。概括起來，鉆井液對地層的影響可表現(xiàn)為以下幾個方面：

圖1 張海 2121L 井φ 311.1 mm井眼安全鉆井液密度窗口

1)孔隙壓力升高鉆井液濾液進(jìn)入地層，由于壓力傳遞和濾液與地層黏土礦物之間通過水化作用產(chǎn)生水化應(yīng)力，引起地層孔隙壓力升高 。

2)近井筒地層力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化鉆井液濾液進(jìn)入地層，引起地層中含水量升高，導(dǎo)致地層力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化：彈性模量E隨地層含水量的增大而激劇降低；泊松比隨地層含水量的增大而增大；地層強(qiáng)度參數(shù)黏聚力C和內(nèi)摩擦角則隨地層含水量的增大而下降。

綜上所述，由于地層中所含黏土礦物吸水會發(fā)生水化膨脹，形成水化應(yīng)力，改變了井筒周圍地層的孔隙壓力與應(yīng)力分布，引起井壁巖石強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致地層坍塌壓力發(fā)生變化，當(dāng)井壁巖石所受到的周向應(yīng)力超過巖石的屈服強(qiáng)度時，就會發(fā)生井塌[3-4]。

由于該地區(qū)張海 21-21L 井鉆遇的沙1段地層層理裂隙發(fā)育，雖然該井鉆進(jìn)沙1段地層所用鉆井液具有很強(qiáng)的抑制性(回收率達(dá)91%)、良好的流變性能、較低的API濾失量與高溫高壓濾失量(8.8 mL)，但其泥餅質(zhì)量不好，封堵性差，高溫高壓砂床濾失為全失。因而采用該鉆井液鉆進(jìn)層理裂隙發(fā)育的沙1段地層時，在壓差作用下鉆井液濾液進(jìn)入地層，一方面造成近井筒地層孔隙壓力升高，從而引起地層坍塌壓力升高，另一方面引起巖石強(qiáng)度下降。由于地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度增大，而鉆井過程中鉆井液密度沒有增大，因而引起了井塌。圖2為張海 21-21L 井沙1段地層坍塌掉塊在不同鉆井液中浸泡后的強(qiáng)度測試結(jié)果。從圖2可以看出，該井沙1段地層坍塌掉塊在原鉆井液中浸泡48 h后，巖石強(qiáng)度下降近40.0%；而在提高封堵性鉆井液中浸泡48 h后，巖石強(qiáng)度下降近17.5%。

圖2 鉆井液對沙1段地層坍塌掉塊巖石強(qiáng)度的影響

張海 21-21L 井側(cè)2井眼盡管采用了與坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度相接近的鉆井液鉆進(jìn)(見圖3)，但在鉆進(jìn)中仍發(fā)生井塌，其原因之一是在鉆進(jìn)過程中雖然能平衡地層坍塌壓力，但在起下鉆過程中，由于所使用鉆井液形成泥餅的質(zhì)量和封堵性差而引起近井壁地層坍塌壓力升高，鉆井液液柱壓力小于地層坍塌壓力，導(dǎo)致井壁坍塌。該井φ215.9 mm井眼鉆井過程中，雖然采用的鉆井液密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度，但鉆井過程中仍存在井塌，出現(xiàn)大量塌塊，起下鉆阻卡，其原因亦與鉆井液的泥餅質(zhì)量和封堵性差有關(guān)。圖4為張海 21-21L 井沙1段地層坍塌壓力與所用鉆井液浸泡時間的關(guān)系曲線，圖4中坍塌壓力隨時間的變化也可以驗證以上的分析。

圖3 張海 2121L 井(側(cè)2井)井眼安全鉆井液密度窗口

圖4 張海 2121L 井沙1段坍塌壓力隨井眼鉆開時間的變化規(guī)律

2.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

坍塌壓力、漏失壓力、破裂壓力差別較大的明化鎮(zhèn)組、館陶組、沙1段地層均處于同一φ311.1 mm井段，該井段井斜角變化幅度較大，不利于確定合理鉆井液密度。此外二次增斜又在易坍塌沙1段地層，從而增加了鉆井工程的難度。

由于井塌，提前下入了φ244.5 mm技術(shù)套管，但該層套管沒有完全封住高坍塌壓力的地層，在四開時，所采用的鉆井液密度又低于沒封住的高坍塌壓力地層，從而在套管鞋下面的地層又發(fā)生了井塌，以及無法繼續(xù)鉆進(jìn)。

3 井壁穩(wěn)定技術(shù)措施

1) 依據(jù)坍塌層特點選用鉆井液。埕海2區(qū)張海 21-21L 井側(cè)鉆φ155.6 mm井眼時，根坍塌層特點采用了強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵氯化鉀聚合醇鉆井液。

2) 依據(jù)所鉆井實際井身剖面、地應(yīng)力確定的地層坍塌壓力系數(shù)確定鉆井液密度。張海 21-21L 井側(cè)鉆φ155.6 mm井眼時，根據(jù)側(cè)鉆井段地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度(見圖5)，并考慮接立柱、起下鉆過程壓力激動等因素，確定強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵氯化鉀聚合醇鉆井液密度為1.55 kg/L。

圖5 張海 2121L 井側(cè)鉆φ 155.6 mm井眼的安全鉆井液密度窗口

3) 改善鉆井液泥餅質(zhì)量，提高鉆井液封堵性能，有效防止鉆井液進(jìn)入地層而引起的地層巖石強(qiáng)度下降。張海 21-21L 井側(cè)鉆φ155.6 mm井眼所用的強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵氯化鉀聚合醇鉆井液，在沙1段地層的巖屑回收率高達(dá)98%，高溫高壓濾失量低于10 mL，泥餅質(zhì)量良好，封堵性強(qiáng)(見表4和表5)。

表4 張海 2121L 測鉆φ155.6 mm井眼所用鉆井液性能

表5 張海 2121L 側(cè)鉆φ 155.6 mm井眼所用鉆井液封堵性能

4) 控制鉆井液中膨潤土的含量，以保持鉆井液具有良好的泥餅質(zhì)量與性能。

5) 調(diào)控鉆井液流變性能，并適當(dāng)提高鉆井液的動塑比，以利于鉆屑攜帶，防止形成巖屑床。

張海 21-21L 井側(cè)鉆φ155.6 mm井眼時，采取了以上技術(shù)措施，在側(cè)鉆過程中，井壁穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)井下復(fù)雜情況與事故，僅用時7 d就鉆穿了易坍塌的沙1段地層，鉆至井深4 070 m，順利完鉆，且測井、下篩管、完井等作業(yè)均順利完成。

4 結(jié) 論

1) 大港油田埕海二區(qū)發(fā)生井塌的沙1段地層巖性為灰色灰質(zhì)泥巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖、灰色泥巖、白云巖、泥灰?guī)r和油頁巖，該段地層方解石含量高，黏土礦物以伊蒙有序混層為主，地層層理裂隙發(fā)育，屬于硬脆性地層，為弱分散、中等膨脹地層。

2) 造成埕海二區(qū)沙1段地層井塌的主要原因是鉆井液密度低于地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度、鉆井液封堵性與泥餅質(zhì)量差。此外，還與井身結(jié)構(gòu)和井身剖面設(shè)計不合理、部分工程措施欠妥有關(guān)。

3) 依據(jù)所鉆井實際井身剖面、地應(yīng)力確定的地層坍塌壓力系數(shù)確定鉆井液密度，采用強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵、泥餅質(zhì)量良好的氯化鉀聚合醇鉆井液，并在鉆井過程中采取合理的工程措施，可有效防止大港油田埕海2區(qū)沙河街組地層坍塌，為安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。

參 考 文 獻(xiàn)

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