李先烽，和鵬飛，袁則名，卓振州，邊杰

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司（天津300452）

錦州油田鉆井防塌技術的工程實踐

李先烽，和鵬飛，袁則名，卓振州，邊杰

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司（天津300452）

錦州油田南區(qū)東營組坍塌壓力高，井壁失穩(wěn)嚴重，一期開發(fā)過程中，由于井壁坍塌造成的復雜情況頻繁出現(xiàn)，導致起鉆效率較低。在勘探開發(fā)的過程中，通過對鉆井液性能的不斷優(yōu)化，試驗在原弱抑制鉆井液體系-小陽離子體系中加入無機鹽NaCl,通過抑制地層水進入井筒內(nèi)，促使井壁內(nèi)外離子濃度平衡，達到井壁穩(wěn)定的目的。闡述了改進后綜合陽離子體系的技術要點、維護及工程措施，通過應用這些措施，結果表明對于錦州油田井壁穩(wěn)定實現(xiàn)有效控制。

錦州油田；井壁坍塌；鉆井防塌技術；陽離子體系；井壁穩(wěn)定

在油氣勘探開發(fā)中，鉆井成本比例較大，如何保證鉆井高效、安全是降低成本的主要技術著力點。鉆井過程由于井壁失穩(wěn)而造成復雜情況，如井塌、縮徑等問題具有普遍性。隨著渤海油田開發(fā)的深入，水平井、大斜度井、大位移井等復雜井也不斷增加，鉆完井作業(yè)難度和風險逐步增加[1-4]。錦州油田前期作業(yè)的井館陶底礫巖段、東營組及沙河街組的砂泥巖互層段倒劃眼期間鉆具憋卡嚴重，東二下段、東三段和沙河街組泥巖段部分井井壁垮塌嚴重，造成鉆具阻卡嚴重、套管下不到位等復雜情況，影響作業(yè)時效[5-7]。針對前期作業(yè)過程中出現(xiàn)的倒劃眼困難和井壁垮塌的問題，對井壁穩(wěn)定性進行了綜合的分析，在優(yōu)選鉆井液體系的基礎上對鉆井液的防塌性能進行了系統(tǒng)的優(yōu)化，成功應用了12口井，作業(yè)過程中井壁穩(wěn)定，作業(yè)安全順利。

1 技術背景及難點分析

1.1 油田地質(zhì)情況

錦州油田位于渤海遼東灣海域，平均水深22.7～24.6m，構造在區(qū)域上位于遼西低凸起中北段，西側以遼西大斷層為界緊鄰遼西凹陷中洼，東南呈緩坡向凹陷過渡，毗鄰遼中凹陷中、北洼。

油田鉆遇的地層自上而下有：第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營組和沙河街組及太古界，見表1。含油層系為沙河街組和太古界。在東二下段、東三段及沙河街組泥巖段坍塌壓力較高，坍塌壓力系數(shù)在1.35左右。

表1 地質(zhì)分層及主要巖性

1.2 前期作業(yè)情況分析

錦州油田開發(fā)井型主要以大斜度井和水平井為主，此區(qū)塊311.15 mm（12.25"）井眼由于穿越地層較多，并且每個層位都有自己鮮明的特點，給鉆井工程方面造成了起泥球、井壁垮塌、鉆進及倒劃眼時憋壓、蹩扭矩嚴重以及部分井套管下不到位等復雜情況。針對以上難點，先后嘗試了PEC、PEM、陽離子體系和綜合陽離子體系[8-10]，但是鉆井液攜砂、起下鉆阻卡以及井壁穩(wěn)定問題均未能得到較好的解決。

對比分析前期已鉆311.15 mm（12.25"）井段41口，分別采用了PEM、PEC、陽離子及綜合陽離子等鉆井液體系鉆井，總結出鉆井過程中發(fā)生的井下復雜情況與事故，見表2。

表2 不同鉆井液體系存在的問題

由此可見，井壁防塌已經(jīng)成為該油田開發(fā)的主要問題，直接涉及鉆井安全和作業(yè)效率提升。其一，劃眼困難，存在卡鉆風險；其二井眼揭開后褐眼時間長，污染儲層；其三，處理時間長，容易出現(xiàn)二次垮塌。

2 防塌陽離子體系的試驗運用

2.1 防塌陽離子體系研究思路

關鍵思路：膨潤土漿、聚合醇JLX-C+封堵劑LPF、LSF+包被劑PLUS+降失水劑CPA、PAC-LV、VIF+抑制劑KCl、NaCl及CPI。“平衡抑制+活度抑制”的思路，充分發(fā)揮KCl、CPI、NaCl三種抑制劑的作用，合理控制鉆井液體系抑制性和失水，提高大段泥巖的井壁穩(wěn)定性。KCl抑制性（吸附、鑲嵌作用）+物理和化學封堵（采用LSF、LPF改善泥餅質(zhì)量、利用聚合醇JLX-C的濁點效應封堵微裂縫）+活度及膜效應（KCl和NaCl復配降低體系活度、采用成膜劑PF-LPF提高膜效應）。

2.2 陽離子體系的配方

3%膨潤土漿+0.4%～0.6%PF-PAC-LV+1%～1.5%PF-LSF+1%～2%PF-NRL+1%～1.5%PF-LPF+ 12%NaCl+1%～5%KCl+0.5%～1%PF-CPI+0.5%～1% PF-VIF+0.5%～0.8%PF-PLH+重晶石（加重）。

配電網(wǎng)重構是個NP-hard(Nondeterministic Polynomial-time Hard)問題，一般會根據(jù)選擇不同的目標函數(shù)對應建立不同的配電網(wǎng)重構的數(shù)學模型，常見的有以配電系統(tǒng)中的有功損耗最小為目標函數(shù)，或是配電系統(tǒng)運行的安全可靠性為目標函數(shù)，也可能是以故障時候恢復供電時間短以及故障時候停電范圍小作為目標函數(shù)。

由圖1可知，隨著NaCl加量增大，鹽水活度降低，加量在大于12%以后活度降低、速率降低，考慮成本控制以及現(xiàn)場可操作性，最終確定其加量為12%。

圖1 NaCl不同濃度鹽水活度曲線

采用K+抑制頁巖水化：K+的水化能低，因而K+優(yōu)先被黏土所吸附。由于水化能低，會促使晶層間脫水，使晶層受到壓縮，形成緊密的結構，從而能夠有效地抑制黏土水化，如圖2所示。K+直徑大小為剛好可以進入兩個氧六角環(huán)之間的空間，因而能進入伊利石的層間。當K+失去吸附水化膜時，稍微變小，相鄰晶層的四面體晶片互相靠近。隨著上述過程繼續(xù)進行，收縮作用迫使K+進入裸露表面的自由空間，它立刻被牢固地保留在適當位置上。由于K+形成鍵合，從而限制了相鄰硅酸鹽晶片的膨脹和分離。這種致密構造不會在水中再發(fā)生較強的水化。

CPI是一種小分子量的有機陽離子聚合物，其分子量比通常的有機陽離子小的多，帶有較高的正電荷，通過靜電吸附于黏土顆粒的表面，可降低黏土表面的負電荷，降低黏土活性，使之趨于穩(wěn)定。KCl與CPI復配使用可有效解決井壁硬化的問題，達到平衡抑制的效果，另外結合活度抑制，能夠更加合理地控制鉆井液體系的抑制性，提高大段泥巖的井壁穩(wěn)定。

圖2 不同鉆屑加量對KCl含量的影響

2.3 陽離子體系在鉆井過程中性能維護措施

311.15 mm（12.25"）井眼上部采用海水膨潤土漿鉆井液，鉆進至館陶組地層開始進行鉆井液體系轉化，在鉆進至東營組前完成轉化工作，轉化成果為NaCl陽離子體系，具體性能參數(shù)見表3。

表3 鉆井液性能指標

1）轉化后鉆井液同時需降低失水，至3.6 mL以下，進東營后失水必須降至3.2 mL以下。

3）轉化后，般土含量控制在28～35 g/L，用于給井壁提供泥餅。在泥餅形成過程中，有堵漏材料作為支撐，鉆井液的質(zhì)量更加堅韌，支撐性好，更能穩(wěn)定井壁。補充膠液中也應添加隨鉆堵漏材料，緩慢補充進入井漿內(nèi)。目的是為了給泥餅提供源源不斷的支撐物。

4）攜帶性：由于大部分井311.15 mm(12.25″)井段井斜都處在不利于攜砂的井斜段，鉆進過程中密切關注振動篩巖屑返出情況，調(diào)整性能使3/6轉最小值不小于7，YP不低于12，不要過于追求低黏，最終的目的是利于巖屑攜帶，降低巖屑床厚度。

5）階梯式提高鉆井液密度：出館陶前密度提高到1.32 g/cm3;鉆進至東下段易跨塌層前，密度提高到1.34 g/cm3；進入沙一段前，密度提高到1.35～1.38 g/cm3。

6）封堵性：底礫巖鉆進過程中進入東營前及時調(diào)整封堵性及潤滑性，失水控制在3.6以下，提高泥餅質(zhì)量，避免在東營組上部及館陶組滲透性好的砂泥巖井段形成虛厚泥餅，同時通過控制失水降低泥巖因失水過大引起的坍塌。進入東下段易垮塌井段前提高LPF、LSF等封堵材料加量，由1.5%提高至2.5%?；瘜W封堵劑聚合醇JLX-C加量由2%～3%提高至3%～5%。

7）抑制性：先期選擇一口井作為試驗井，在這口井的鉆井作業(yè)過程中，嘗試探索不同鉀離子含量對井壁穩(wěn)定的影響。作業(yè)后總結出一套可行操作的思路，即鉆穿底礫巖換完鉆頭后后東營組第一趟鉆進400～500 m，短起前，循環(huán)干凈，在循環(huán)期間，把KCl提到4%～5%，鉀離子0.02～0.025。短起前注意事項：加KCl要均勻；倒劃眼起鉆有效破壞已形成的巖屑床，并且循環(huán)干凈；短起下到底后進入東三前進一步提高鉆井液的封堵性及潤滑性，失水最好控制在3 mL以內(nèi)，返出巖屑對比如圖3、圖4所示。

圖3 鉆井液體系改進后返出巖屑

圖4 原鉆井液體系返出巖屑

3 工程防塌措施

1）避免采用負壓鉆井，根據(jù)地質(zhì)預告，鄰井情況及隨鉆地層壓力監(jiān)測情況，確定合適的鉆井液密度，使鉆井液液柱壓力足以平衡地層壓力，支撐井壁。

2）盡可能地減少激動壓力。具體措施包括：為了避免憋漏地層引起液柱突降而造成井塌，在下鉆到底后，應慢慢轉動鉆具，先小排量開泵頂通鉆井液，循環(huán)正常后再加大至正常排量。為防止泥包，避免抽吸作用，在易泥包地層鉆進，應加防泥包劑并控制起鉆速度。為了防止對塌層產(chǎn)生劇烈的沖刷作用，應嚴格控制鉆井液的流變性及排量，以確保在塌層井段鉆進時，鉆井液呈層流狀態(tài)，而且嚴禁在塌層長時間循環(huán)鉆井液。起鉆時連續(xù)灌滿鉆井液，避免液面較大幅度下降使液柱壓力降低。

3）加快鉆井速度，盡量縮短地層浸泡時間，因為地層受鉆井液浸泡的時間越長，發(fā)生井塌的可能性越大。

4）發(fā)現(xiàn)井塌預兆時，要堅持不停地活動鉆具和循環(huán)，可適當調(diào)節(jié)排量，提高鉆井液黏度和密度，增強攜砂能力。

4 效果分析

現(xiàn)場試驗新型鉆井液體系，對井壁穩(wěn)定起到了較好的作用，通過對三壓力剖面的仔細分析，優(yōu)化鉆井液密度控制梯度。無機鹽NaCl的加入，使地層自由水進入井筒減少，井壁穩(wěn)定得到鞏固。工程措施的輔助運用，對保護井壁起到了決定性作用。鉆井過程中，每鉆進300～400 m做一次短起下，用以修整井壁，減少破壞巖屑床厚度，從而提高了本區(qū)塊起下鉆效率，最終達到降本增效的目的。

5 結論與建議

1）陽離子體系的使用，對該區(qū)塊東營組防塌效果較好，且返出掉塊明顯變小。但在鉆進過程中需勤監(jiān)測其性能，特別是在東營組泥巖段，黏度嚴禁忽高忽低，東營組嚴格控制失水小于5 mL，并且保證鉆井液性能穩(wěn)定。

2）工程防塌措施同樣重要，在起下鉆過程中嚴格按照規(guī)程操作，防止抽吸、激動壓力破壞井壁穩(wěn)定。嚴禁在易坍塌井段大排量循環(huán)，造成井塌。倒劃起鉆過程中，應分段掃稠漿攜帶巖屑。

3）在東營組及下部井段鉆進時，建議每鉆進300～400 m進行一次短起下，用以修整井壁，破壞巖屑床。

4）防塌措施的正確選擇，減少了復雜情況的產(chǎn)生，極大地提高了鉆井效率，達到了降本增效的目的。

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The collapse pressure of the Dongying formation in the southern part of Jinzhou oilfield is high and the well wall is unstable. During the first stage of development,the complicated situation caused by the borehole collapse frequently occurs,which results in lower drilling efficiency.In the process of exploration and development,it is continuously tried to add inorganic salt NaCl in original weak inhibition drilling fluid system-small cation system to optimize drilling fluid performance,to inhibit formation water into the wellbore and to promote the balance of ion concentration inside and outside the borehole wall to realize wellbore stability.The technical points,maintenance and engineering measures of the improved integrated cationic system are expounded.The application results of these measures show that the stability of the borehole wall in Jinzhou oilfield is effectively controlled.

Jinzhou Oilfield;borehole collapse;drilling anti-collapse technology;cation system;borehole stability

王梅

2017-03-23

李先烽（1984-），男，工程師，主要從事海洋石油鉆完井技術監(jiān)督工作。