王 群

(中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南 新鄉(xiāng) 453700)

1 東勝氣田鉆井施工現(xiàn)狀

東勝氣田地層壓力低，鉆井液密度窗口窄，塌漏同層，劉家溝組和石千峰組地層甚至是負(fù)壓力窗口。井壁穩(wěn)定問題已經(jīng)是東勝氣田施工效益的主要流失點(diǎn)，特別是隨著東勝氣田的深入開發(fā)，很多井布置在已開采的老井場施工，由于前期鉆井過程中鉆井液滲透作用使地層巖石的力學(xué)強(qiáng)度降低和巖石的應(yīng)力分布改變。老井，使井壁穩(wěn)定難度大大增加。井壁穩(wěn)定的問題越發(fā)突出明顯，給東勝氣田的開發(fā)造成巨大的損失，嚴(yán)重制約了工區(qū)水平井提速增效，成為鉆井工程效益流失的一個(gè)主要缺口。影響本區(qū)塊井壁穩(wěn)定性的因素有很多，既有普遍性因素，如力學(xué)因素、化學(xué)因素和工程技術(shù)因素[1]，也有特殊性因素，如本區(qū)塊構(gòu)造復(fù)雜，非均質(zhì)強(qiáng)，區(qū)域內(nèi)褶皺、斷裂帶縱橫交錯(cuò)的因素，同時(shí)也有多年來的開采開發(fā)導(dǎo)致地層壓力變化，原有平衡被打破有關(guān)。并且本地區(qū)上部易漏失的劉家溝組和下部易坍塌的“石千峰組、上下石盒子組”暴露在同一裸眼井段，鉆井液的安全密度窗口窄給本區(qū)塊的井壁穩(wěn)定技術(shù)提出難題。2015年東勝氣田共發(fā)生井壁失穩(wěn)回填5井8次，累計(jì)回填段長達(dá)到3000 m，合計(jì)耽誤時(shí)間76.44 d。其中水平段失穩(wěn)4次，造斜段失穩(wěn)4次。

2 東勝氣田區(qū)域地層及巖性特征

表1為東勝氣田地層特征，可以看出泥巖井段粘土含量大，水化膨脹性強(qiáng)。

表1 東勝氣田地層特征分析

二疊系石千峰組和上石盒子組地層不穩(wěn)定，泥頁巖易剝落、坍塌、掉塊；山西組、太原組，易發(fā)生煤層跨塌，容易形成“大肚子”井眼。對石千峰組—太原組泥巖進(jìn)行粘土礦物分析和理化特性分析(具體見表2、表3)可以看出：鄂爾多斯盆地二疊系和石炭系中的泥巖中粘土礦物含量20%左右，地層粘土礦物組分以伊蒙間層和伊利石為主，水化能力強(qiáng)，易發(fā)生非均勻膨脹[2]，減弱了泥頁巖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，實(shí)踐證明，伊蒙混層是最不穩(wěn)定的地層。通過電鏡掃描分析(圖1、圖2)：180倍下泥巖巖石致密，孔隙發(fā)育差，2556倍下伊利石粘土發(fā)育及微孔縫可見。

表2 東勝氣田二疊系和石炭系泥巖中粘土礦物分析

表3 東勝氣田二疊系和石炭系泥巖理化特性

圖1 石千峰組泥巖180倍電鏡掃描照片

圖2 石千峰組泥巖2556倍電鏡掃描照片

東勝氣田劉家溝組、石千峰組、和尚溝組及上石盒子組的砂泥巖互層十分薄弱，天然裂縫發(fā)育，同時(shí)極易造成誘導(dǎo)裂縫[3]。一旦發(fā)生漏失，大漏和失返性漏失占漏失井的比例相當(dāng)大，達(dá)到了61.91%。而且劉家溝組的漏失壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地層的正常破裂壓力梯度(當(dāng)量密度1.4～1.8 g/cm3)，易漏區(qū)塊的劉家溝組的漏失壓力當(dāng)量鉆井液密度僅0.96～1.08 g/m3。

綜合以上分析造成井壁不穩(wěn)定客觀上存在地層因素，主要有以下幾點(diǎn)。

(1)二疊系和石炭系中的泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層的層理發(fā)育、具有較多的微裂縫，濾液進(jìn)入引起孔隙壓力升高，導(dǎo)致井壁剝落。

(2)地層密度窗口窄，不能夠建立力學(xué)平衡。

(3)因漏致塌，井筒鉆井液有效當(dāng)量密度降低，薄弱層段力學(xué)垮塌，井漏處理時(shí)間長，泥巖層段浸泡時(shí)間長誘發(fā)垮塌遇阻卡。如：2015年有2口井井出現(xiàn)惡性漏失、2016年有1口井反復(fù)性漏失，處理時(shí)間較長，井壁失穩(wěn)、遇阻嚴(yán)重。

3 井壁穩(wěn)定機(jī)理研究

鉆井施工中，當(dāng)形成井眼時(shí)，鉆井液液柱壓力代替了地殼運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的構(gòu)造應(yīng)力。井壁失穩(wěn)是地層原地應(yīng)力狀態(tài)被破壞并且沒有形成新的有效的壓力平衡的結(jié)果。井壁受到的側(cè)向力沒有被井內(nèi)壓力所平衡，井壁會(huì)受到一個(gè)側(cè)向力作用。巖石受力增加到一定程度發(fā)生破壞，井壁失穩(wěn)隨之發(fā)生。井壁穩(wěn)定受多種因素影響，施工中受到多個(gè)力的共同作用。巖石在復(fù)雜受力條件下，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)受力方向，指向井眼方向的側(cè)向力和背向井眼的側(cè)向力。當(dāng)鉆井液密度小于地層孔隙壓力，鉆井液液柱壓力無法平衡地層壓力，會(huì)誘發(fā)井涌甚至井噴[4]。當(dāng)井內(nèi)壓力之和小于原始地層應(yīng)力時(shí)，井壁受到指向井眼方向的側(cè)向力作用，當(dāng)作用力大于巖石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，井壁會(huì)發(fā)生剪切破壞或蠕變失穩(wěn)，對應(yīng)的工程現(xiàn)象是坍塌掉塊或者縮徑，造成起下鉆困難。至于會(huì)產(chǎn)生哪種現(xiàn)象，則取決于巖石的力學(xué)特性。反之，當(dāng)井內(nèi)壓力之和大于原始地層應(yīng)力時(shí)，井壁會(huì)受到背向井眼方向的側(cè)向力作用，井壁會(huì)發(fā)生拉張破壞，對應(yīng)的工程現(xiàn)象是井眼漏失[5-7]，由于巖石特性的不同可能是暫時(shí)性井漏，隨著側(cè)向力減小或消失而減小或消失；也可能是永久性井漏，進(jìn)而發(fā)展成惡性漏失。

地殼運(yùn)動(dòng)會(huì)使地層沿?cái)鄬悠屏衙姘l(fā)生位移，出現(xiàn)褶皺或者斷裂帶。褶皺或者斷裂帶周圍巖石力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異[8-9]?？赡苁钱惓８邏?，也可能是異常低壓。如果這些褶皺或者斷裂帶存在于在同一裸眼段，地層原始應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)突變，施工到上述地層，前期施工的壓力平衡就會(huì)被破壞，如果沒有及時(shí)建立新的平衡則地層失穩(wěn)很可能發(fā)生。

同時(shí)，在實(shí)際施工中井內(nèi)壓力之和并不是一成不變的，隨著鉆井工況的變化，這個(gè)力會(huì)隨之變化。如果循環(huán)鉆進(jìn)過程中，井內(nèi)的靜液柱壓力和循環(huán)壓耗可以平衡地層壓力，那么在停泵后循環(huán)壓力消失，靜液柱壓力無法平衡地層壓力導(dǎo)致井壁受到側(cè)向力作用。起鉆過程中的抽吸壓力進(jìn)一步減少井內(nèi)壓力會(huì)導(dǎo)致側(cè)向力的進(jìn)一步加大。所以同一地層受到的側(cè)向力的大小、方向會(huì)隨之變化。使井壁反復(fù)受到不同大小、方向的側(cè)向力作用，從而降低巖石的受力強(qiáng)度。一旦在同一裸眼段發(fā)生既垮又漏，使施工難度成倍增加。

鉆井施工中，必然有鉆井液濾液進(jìn)入地層，對濾液敏感的泥頁巖在受到濾液的侵入后會(huì)改變巖石的膠結(jié)性降低地層的膠結(jié)強(qiáng)度[10-11]。膠結(jié)強(qiáng)度的降低會(huì)降低巖石的力學(xué)特性，從而誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

井壁穩(wěn)定性研究首先要確定鉆井液安全密度窗口。地層壓力包含地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力。關(guān)于地層孔隙壓力可以通過“單點(diǎn)預(yù)測模型”和“綜合模型法”計(jì)算獲得[12]。坍塌壓力計(jì)算最常用的是Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[13]，國內(nèi)的樓一珊等[14]專門就此問題作了比較詳細(xì)的討論。地層破裂壓力的預(yù)測區(qū)域更是先后提出了十多種地層破裂壓力的計(jì)算公式。

根據(jù)應(yīng)力場模擬計(jì)算得到東勝氣田五個(gè)主要目的層段的三個(gè)主應(yīng)力的大小，根據(jù)主應(yīng)力的合力計(jì)算鉆井液密度的上下限值，精確鉆井液安全窗口，指導(dǎo)鉆井施工。如表4、表5所示。

表4 計(jì)算井壁應(yīng)力分布的原始數(shù)據(jù)

4 井壁穩(wěn)定技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

東勝氣田內(nèi)劉家溝組泥頁巖孔隙度高、成巖差、顆粒間粘結(jié)力差、強(qiáng)度低，呈層理性分布，天然存在橫向裂縫、易受井筒液柱壓力刺激形成漏失通道，井漏風(fēng)險(xiǎn)大。并且易漏地層劉家溝組與易垮塌地層山西組處于同一裸露層段，安全密度窗口窄，個(gè)別區(qū)域存在負(fù)安全密度窗口。

4.1 井壁穩(wěn)定鉆井液措施

4.1.1 鉆井液配方及性能指標(biāo)

一開使用強(qiáng)抑制無固相聚合物鉆井液開鉆，鉆進(jìn)中使用0.2%～0.3%BLZ+0.5%～1%CMC+0.5%K-HPAN膠液補(bǔ)充維護(hù)。

二開采用低固相聚合物鉆井液。配方為：4%坂土漿+0.5%～0.6%BLZ+0.8%～1%NH4HPAN+0.5%～1%DS-302。鉆進(jìn)過程中用0.3%～0.5%BLZ和0.6%～1%NH4HPAN+0.5%～1%DS-302，復(fù)配成膠液維護(hù)鉆井液性能。若鉆井液粘切過高，采用補(bǔ)充稀膠液或加入0.5%～1%NH4HPAN或添加0.5%～0.7%DS-302進(jìn)行調(diào)整。造斜前按設(shè)計(jì)加量向鉆井液中一次性加入2%～3%超細(xì)碳酸鈣、2%～4%高軟化點(diǎn)乳化瀝青RHJ-3及降失水劑KJ-1。

表5 井壁應(yīng)力分布計(jì)算數(shù)據(jù)

三開前特作期間，使用二開鉆井液經(jīng)離心機(jī)不間斷處理并配置膠液調(diào)整處理，鉆進(jìn)過程中用0.3%～0.5%BLZ和0.6%～1%KHPAN復(fù)配成膠，以細(xì)水長流的方式均勻維護(hù)，保持鉆井液中聚合物的含量，根據(jù)失水情況添加CMC、KJ-1等降失水劑。

各開次鉆井液性能指標(biāo)見表6。

4.1.2 鉆井液維護(hù)措施

鉆井液性能維護(hù)需考慮：(1)抑制泥頁巖水化膨脹，最大限度避免因水化作用降低泥頁巖地層的巖石強(qiáng)度，避免井壁剝落坍塌，穩(wěn)定井壁；(2)提高鉆井液的封堵能力，降低因鉆井液滲入地層內(nèi)部而導(dǎo)致巖石力學(xué)強(qiáng)度下降的程度，以避免微裂縫連通形成惡性井漏；(3)提高鉆井液攜屑能力，滿足井眼凈化要求，以降低施工過程中的“激動(dòng)”壓力，避免壓力“激動(dòng)”破壞地層壓力平衡。

施工中，優(yōu)選土粉、高酸溶性磺化瀝青防止井壁失穩(wěn)，提高泥餅質(zhì)量，增強(qiáng)封堵性[15]。鉆進(jìn)至劉家溝組、石千峰組易漏地層前開動(dòng)所有固控設(shè)備徹底清除有害固相，對于固相高難以清除的，置換一部分新漿以降低有害固相含量，然后逐步混入預(yù)水化好的坂土漿，以控制鉆井液密度相對較低以減小鉆井液柱壓力引起的漏失，并一次性加足2%～3%超細(xì)碳酸鈣、2%～4%高酸溶磺化瀝青(或改性瀝青粉)及降失水劑，控制失水量5 mL以下。鉆進(jìn)過程中使用BLZ和KHPAN控制地層造漿，避免鉆井液密度和粘度非正常升高，導(dǎo)致“激動(dòng)”壓力升高。調(diào)整流型保持動(dòng)塑比在0.35～0.48 Pa/(MPa·s)，用LV-CMC、KJ-1降低濾失量使之盡可能低，用超細(xì)碳酸鈣和瀝青類材料封堵地層，抑制泥頁巖水化導(dǎo)致的剝落掉塊。降低由于鉆井液的滲透導(dǎo)致的伊利石、蒙脫石的水化分解。

表6 鉆井液性能指標(biāo)

在鉆至上石盒子組易塌泥巖前，充分利用離心機(jī)控制鉆井液中的固相含量，控制固相含量≯8%，加足封堵類材料及降失水劑，進(jìn)一步降低API失水量，控制在4 mL以內(nèi)，及時(shí)逐步將鉆井液密度調(diào)整至1.18～1.20 g/cm3，以達(dá)到平衡高地應(yīng)力和減小向井徑內(nèi)應(yīng)變的目的。增加超細(xì)碳酸鈣及瀝青類處理劑的含量，使鉆井液能形成致密、堅(jiān)韌的泥餅，使用等濃度聚合物膠液連續(xù)少量補(bǔ)充至循環(huán)鉆井液當(dāng)中，鉆井液流變性能調(diào)整原則：“連續(xù)、穩(wěn)定、漸變”。流變值過低時(shí)，補(bǔ)充4%膨潤土漿、BLZ等聚合物，使?3(讀數(shù))>7。鉆進(jìn)中及時(shí)補(bǔ)充超細(xì)碳酸鈣及瀝青類處理劑。若發(fā)現(xiàn)掉塊或者判斷出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，則加大瀝青加量，直到井內(nèi)恢復(fù)正常。對加重后的鉆井液除正常開動(dòng)除砂器和除泥器外要定期開啟離心機(jī)以清除鉆井液中的有害固相，防止虛假泥餅的形成。

4.2 東勝氣田井壁穩(wěn)定工程防塌措施

對于井壁穩(wěn)定的要求，鉆井液性能是基礎(chǔ)保障，工程措施就是成敗關(guān)鍵，在鉆井施工中通過工程措施手段合理降低施工中的壓力“激動(dòng)”變化同樣能降低地層壓力的破壞。工程手段主要有以下幾方面。

(1)加強(qiáng)鉆井施工過程中預(yù)測。詳細(xì)記錄參數(shù)變化、觀察振動(dòng)篩返砂情況、鉆井液性能變化，通過鉆井參數(shù)的反映預(yù)測井內(nèi)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及早應(yīng)對。

(2)加強(qiáng)軌跡控制，在軌跡符合設(shè)計(jì)前提下，盡量不在泥巖段定向，保證井眼軌跡平滑。以免長時(shí)間沖刷井壁形成“大肚子”，避免因?yàn)榫诓灰?guī)則造成巖屑返出困難，巖屑堆積會(huì)導(dǎo)致局部壓力過大，使井內(nèi)情況日趨嚴(yán)重，施工困難。

(3)避免在“雙石”界面泥巖段循環(huán)，鉆進(jìn)時(shí)每打完一個(gè)單根劃眼1～2次。石千峰組、上下石盒子組地層棕紅、棕褐色泥巖脆弱，容易剝落掉塊，因此在“雙石”界面泥巖段需要快速穿越。

(4)在起鉆前增加鉆井液密度0.01～0.02 g/cm3。以抵消因?yàn)橥Ｖ寡h(huán)和起鉆產(chǎn)生的那部分循環(huán)壓耗和抽吸壓力。下鉆到底后小排量沖洗井底，小排量循環(huán)減少靜切力，影響逐漸恢復(fù)起鉆前鉆井液密度。

(5)改變巖屑在井壁下部分布情況，破壞巖屑床，改善井內(nèi)清潔情況。在直井段每鉆進(jìn)300 m短起下一次，斜井段每100～150 m短起下一次，井斜較大時(shí)，密切關(guān)注振動(dòng)篩返砂情況，根據(jù)返砂情況和鉆井負(fù)荷加密短程起下鉆次數(shù)。通過短起下及時(shí)清除井內(nèi)巖屑，破壞巖屑床，穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為營。

(6)根據(jù)各層位穩(wěn)定周期，結(jié)合通井、返砂情況，若通井時(shí)間超過穩(wěn)定周期且出現(xiàn)相應(yīng)層位掉塊，立即回填側(cè)鉆(防止浸泡-剝落-碰撞-浸泡惡性循環(huán))。

2016年在東勝氣田施工水平井比2015年增加5口井，井壁失穩(wěn)較2015年有所下降，參見表7。

表7 東勝氣田水平井井壁失穩(wěn)與往年對比

5 結(jié)論與建議

(1)2016年五普鉆井分公司在東勝氣田新開水平井23口，通過工程技術(shù)手段和鉆井液性能方面的優(yōu)化控制，混入新漿，降低鉆井液中固相含量、鉆遇泥巖時(shí)加足瀝青封堵劑、繼續(xù)施工加強(qiáng)固相控制等鉆井液處理手段，水平段鉆遇大段泥巖井下穩(wěn)定，有19口井二開井段泥巖穩(wěn)定，施工順利。由此可見井壁穩(wěn)定技術(shù)能有效地降低井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，能有效地保證鉆井施工的順利進(jìn)行。

(2)通過實(shí)施井壁穩(wěn)定技術(shù)，對東勝氣田井壁穩(wěn)定起到了一定的效果，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大大降低，但是仍有部分井出現(xiàn)了泥巖垮塌現(xiàn)象。且井漏和井壁失穩(wěn)仍是東勝氣田多發(fā)的井下復(fù)雜，因漏致塌和因塌致漏現(xiàn)象仍有發(fā)生，如何解決防漏和防垮之間的矛盾是以后工作的重點(diǎn)。

(3)井壁穩(wěn)定需從鉆井液材料優(yōu)選、鉆井液性能優(yōu)化和工程技術(shù)措施綜合入手，不斷完善各項(xiàng)方案措施。針對東勝氣田易漏區(qū)塊出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)情況，要加強(qiáng)總結(jié)分析，開展室內(nèi)評價(jià)和現(xiàn)場跟蹤，探索新的防漏防塌技術(shù)途徑，通過鉆井液體系試驗(yàn)繼續(xù)提高東勝氣田井壁穩(wěn)定性。

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