陳 勝，趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)，狄明利，馬積賀，姚 磊

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部深圳作業(yè)公司，廣東 深圳 518067)

番禺35-2氣田位于珠江口盆地流花07自營區(qū)塊，區(qū)域上位于白云凹陷北坡，北部緊靠番禺低隆起，距珠海約247 km。番禺35-2構(gòu)造位于白云凹陷生成的油氣向番禺天然氣氣區(qū)運移的構(gòu)造脊上，斷裂比較發(fā)育，該氣田在探井鉆井過程中存在大量鉆井復(fù)雜情況，主要表現(xiàn)為起下鉆遇阻、卡鉆、泥包鉆頭、井眼縮徑等。

番禺35-2氣田A4H井φ311.15 mm井段鉆進(jìn)至4383.8 m中完，直接起鉆至φ339.73 mm套管鞋，起鉆過程順利。原鉆具下鉆通井，直接下鉆至3850 m遇阻，劃眼下鉆至井底，歷時19.5 h，平均劃眼下鉆速度27 m/h，且劃眼下鉆過程中頻繁蹩泵、蹩扭矩。期間振動篩持續(xù)有少量細(xì)碎硬質(zhì)掉塊返出。劃眼下鉆到底后，倒劃眼起鉆更換通井鉆具組合下鉆通井，下至3750 m后，問題同上，劃眼下鉆困難，井下垮塌嚴(yán)重。本井后續(xù)處理井下復(fù)雜情況時間高達(dá)168.75 h，最后套管仍未下至設(shè)定井深，嚴(yán)重影響鉆井周期和工程質(zhì)量。為避免該區(qū)塊后續(xù)生產(chǎn)井作業(yè)中，發(fā)生類似井塌復(fù)雜情況，從地質(zhì)和工程方面分析了本井垮塌的原因，對工程和鉆井液技術(shù)措施進(jìn)行了針對性改進(jìn)，實用效果明顯，A3H井鉆井過程順利，并成功下套管至設(shè)計井深。

1 井眼失穩(wěn)的原因

1.1 地質(zhì)原因

番禺35-2氣田地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力變化大，特別是水平應(yīng)力方向有較大波動。由于泥巖地層形成初期，受沉積環(huán)境、沉積速度及沉積物成分的影響，泥巖地層存在豐富的層理面和微裂隙，隨著沉積厚度加大、上覆地層壓實及地質(zhì)構(gòu)造的強(qiáng)烈運動，巖石扭曲褶皺，泥巖地層中以水平方向為主的微裂隙變得縱橫交錯，存在較高的坍塌壓力，且大于孔隙壓力。按孔隙壓力設(shè)計鉆井液密度時，井眼內(nèi)液柱壓力不能平衡地層坍塌壓力，導(dǎo)致井眼失穩(wěn)。該區(qū)塊珠江組泥頁巖質(zhì)脆，裂隙發(fā)育豐富，巖石整體穩(wěn)定性差。地層的層理裂隙越發(fā)育，水越容易沿裂隙進(jìn)入地層深處，使周圍地層中的粘土礦物發(fā)生水化，因而井壁也越容易坍塌。

對井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要組分是地層中所含的粘土礦物。地層中的粘土礦物與水接觸發(fā)生水化膨脹導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。各種粘土礦物膨脹能力的順序為：蒙脫石>伊蒙間層礦物>伊利石>高嶺石>綠泥石[1]。

表1 番禺35-2氣田泥頁巖X-射線衍射分析

上表1為PY35-2氣田泥頁巖X射線衍射分析實驗結(jié)果，可以看出該區(qū)塊粘土礦物以伊/蒙混層和伊利石為主，伊/蒙混層礦物水化膨脹不均勻，泥頁巖水化膨脹將產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，使井壁失穩(wěn)。

1.2 工程原因

番禺35-2氣田的三個主地應(yīng)力大小關(guān)系為：上覆應(yīng)力>水平最大主應(yīng)力>水平最小主應(yīng)力，水平最大主應(yīng)力的方向為北偏東120°。斜井井壁穩(wěn)定性表明，隨著井斜角增加，坍塌壓力升高，與水平最大主應(yīng)力方位接近時，坍塌壓力從直井的1.13可以升高到水平井的1.26。水平井井眼軌跡偏離水平最大主應(yīng)力方位則略有降低，最低達(dá)到1.22。

由庫侖摩爾準(zhǔn)則計算可知，當(dāng)上覆應(yīng)力為最大主應(yīng)力時，大斜度井最優(yōu)鉆井方向為垂直于最大水平主應(yīng)力方向，沿此方向鉆進(jìn)，地層最不易坍塌[2]。

圖1 PY35-2-A4H井對比軌跡圖

上圖1為PY35-2氣田A4H井對比軌跡圖，由圖可知，該井方位角與最大水平主應(yīng)力夾角為70°，垮塌嚴(yán)重井段3800 m后最小夾角不到60°，且井斜角在急劇增大，井眼軌跡不利于井壁穩(wěn)定。以上分析可知，本井井眼軌跡有待優(yōu)化，鉆進(jìn)層理發(fā)育地層過程中，應(yīng)當(dāng)考慮避開不利方位，選擇最佳鉆入角，優(yōu)化井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)，通過合理控制井斜和調(diào)控方位來盡量降低坍塌壓力。

鉆井液性能好壞將直接影響井眼的穩(wěn)定。濾失量大、濾餅質(zhì)量差、抑制性差使鉆井液的自由水沿微裂隙進(jìn)入泥頁巖中、使泥頁巖發(fā)生水化膨脹和分散，導(dǎo)致井眼失穩(wěn)。在本井鉆井液的處理過程中，有以下幾點不利于井壁穩(wěn)定：①開鉆初期，鉆完側(cè)鉆水泥塞后，考慮水泥可能對鉆井液的污染，加入了過量的純堿，造成碳酸根/碳酸氫根污染，導(dǎo)致全井失水偏大，且后期加入大量封堵材料效果也不明顯；②為保證穩(wěn)斜段鉆井液攜砂能力，鉆井液粘切過高，觸變性過強(qiáng)，完鉆后直接起鉆，抽吸壓力過大而導(dǎo)致應(yīng)力釋放。③開鉆初期對井下情況未引起足夠重視，加入的封堵材料過于單一，且濃度不足；④后期處理過程中在未調(diào)整好鉆井液性能的情況下，盲目提比重，致使鉆井液密度過高，超過地層孔隙壓力，對井壁形成較大的壓差，從而使更多的鉆井液濾液進(jìn)入地層，加劇地層中粘土礦物水化，引起地層孔隙壓力增加及圍巖強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致地層坍塌壓力增大，導(dǎo)致井壁力學(xué)不穩(wěn)定，造成井塌。⑤通井耽誤時間過長造成井壁周圍泥頁巖產(chǎn)生周期性坍塌[3]。

番禺35-2氣田地溫梯度為3.97 ℃/100 m，平均地層溫度高達(dá)154.10 ℃。高溫對鉆井液的性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，下面我們分析高溫對PY35-2-A4H井鉆井液性能的影響。以下為鉆井液配方，熱滾150 ℃前后的鉆井液性能見表2。

鉆井液配方：

2.5%膨潤土+0.2%燒堿+0.1%純堿+0.5%PF-PAC LV+0.5%PF-FLO+1%PF-LSF +1%PF-FT-1+2%PF-TEMP+0.5%PF-SMT+7%KCl+1%PF-SMP+0.3%PF-XC+0.3%PF-PLUS

表2 PY35-2-A4H井鉆井液配方熱滾150 ℃前后實驗性能對比

由上表2實驗結(jié)果可知，經(jīng)過150 ℃熱滾后鉆井液老化嚴(yán)重，粘切急劇降低，攜砂能力不足，且失水有增大的趨勢，不利于井壁穩(wěn)定。本井鉆井液的抗溫能力無法滿足PY35-2-A4H井的作業(yè)要求[4]。

2 技術(shù)措施

2.1 鉆井液技術(shù)措施

(1)短起前提高鉆井液比重至ECD，以平衡地層應(yīng)力釋放，造成井垮。

(2)封堵材料復(fù)配使用，控制鉆井液的濾失在4 mL以下，改善泥餅質(zhì)量，以達(dá)到最好的穩(wěn)定井壁的效果。

(3)控制好鉆井液的流變性能，將塑性粘度控制在20～28 mPa·s，動切力控制在12～15 Pa，流性指數(shù)控制在0.3～0.5，達(dá)到平板層流的最佳流型。

(4)提高抑制性和潤滑性。

(5)為了滿足PY35-2氣田大斜度井、大位移井?dāng)y帶和深部抗溫要求。在原體系配方的基礎(chǔ)上，探索抗溫150 ℃，∮6≥12的鉆井液配方。經(jīng)過多組配方實驗研究，在原配方基礎(chǔ)上加入2%PF-TEMP和1%PF-SPNH的耐高溫封堵材料，熱滾前后性能無明顯變化，無凝膠現(xiàn)象，流態(tài)好，滿足現(xiàn)場施工要求。實驗結(jié)果見表3。

表3 改良后配方熱滾150 ℃前后實驗性能對比

2.2 工程技術(shù)措施

(1)優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)。適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速和鉆壓，在滿足攜砂需求的情況下，適當(dāng)減小排量，減少對井壁的擾動和沖刷。通過調(diào)整鉆井液的流變性能來滿足攜巖問題。

(2)優(yōu)選鉆具組合。鉆具組合力求簡單、實用，有利于鉆進(jìn)和起下鉆作業(yè)順利進(jìn)行，減少鉆具遇阻卡的機(jī)會，從而減少鉆具對井壁的破壞。

(3)避免在珠江組不必要的劃眼，如起下鉆遇阻，則以遇阻點定點劃眼通過，避免因大段劃眼劃傷已形成的井壁，造成井壁失穩(wěn)。

(4)優(yōu)選并使用好鉆頭。選用保徑效果好，鉆進(jìn)過程有有修整井壁功能的鉆頭。

(5)控制起下鉆速度，減少壓力激動以免造成井壁失穩(wěn)。

(6)起鉆過程中連續(xù)向井內(nèi)灌入鉆井液，保持液面下降小于5 m，避免液柱壓力降低，造成井壁失穩(wěn)[5]。

3 結(jié) 論

(1)番禺35-2氣田井眼失穩(wěn)的主要原因是：泥巖的水化膨脹，硬脆性地層，層理發(fā)育裂縫性地層。

(2)優(yōu)化后的PDF-PLUS/KCL鉆井液體系具有較強(qiáng)的抑制防塌能力，抗溫能力突出，能有效地解決番禺35-2氣田鉆井過程中井眼失穩(wěn)的問題，現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯。

(3)要有效地控制番禺氣田井眼失穩(wěn)，不但須優(yōu)選鉆井液體系、優(yōu)化鉆井液性能，還要采取相應(yīng)的工程技術(shù)措施，并對井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。