川東地區(qū)下二疊統(tǒng)梁山組頁巖鉆進(jìn)預(yù)防卡鉆技術(shù)

卓云 吳宗國 劉德平 古光平

中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司

四川盆地川東地區(qū)下二疊統(tǒng)梁山組頁巖、煤層極易發(fā)生垮塌，導(dǎo)致卡鉆。石炭系地層壓力系數(shù)低，與上部高壓層同存，鉆進(jìn)中極易發(fā)生井漏，導(dǎo)致壓差卡鉆［1－6］。由于地層巖性復(fù)雜，進(jìn)入梁山組、石炭系后，沒有執(zhí)行進(jìn)梁山組、石炭系防卡措施，造成卡鉆。如WQ002－H4井帶扶正器進(jìn)梁山組發(fā)生垮塌卡鉆，XC7井用 215.9 mm鉆頭直接鉆完了石炭系，進(jìn)入志留系發(fā)生壓差卡鉆，處理難度大，最后側(cè)鉆，造成了極大損失。

針對(duì)該段鉆井難點(diǎn)，開展了以鄰井實(shí)鉆厚度、巖性組合為依據(jù)，開展梁山組及上下交界面工程因素評(píng)價(jià)，從地層厚度、巖性、巖屑顏色、實(shí)鉆鉆時(shí)方面，總結(jié)形成梁山組工程安全預(yù)警技術(shù)，通過井眼軌跡控制、鉆具組合效能分析、鉆頭選型、鉆井液密度窗口探索、鉆井液防塌性能優(yōu)控、設(shè)備／鉆具升級(jí)配套、“進(jìn)一退二”安全操作等因素評(píng)價(jià)，進(jìn)一步完善了事故復(fù)雜預(yù)防技術(shù)。

1 鉆井復(fù)雜情況與難點(diǎn)

該區(qū)鉆進(jìn)梁山組過程中已發(fā)生的主要復(fù)雜情況表現(xiàn)為：

1）鉆井液密度偏低，導(dǎo)致地層垮塌。如LD8井、L001－X1井，發(fā)生了嚴(yán)重垮塌。通過適當(dāng)提高鉆井液密度，確保了井壁穩(wěn)定，解除了井下復(fù)雜。

2）進(jìn)入石炭系井段過長，發(fā)生壓差卡鉆。XC7井進(jìn)入石炭系后，沒有及時(shí)分層，用 215.9mm鉆頭直接鉆穿石炭系，并進(jìn)入志留系24m，導(dǎo)致壓差卡鉆。

3）防卡措施不到位，梁山組發(fā)生垮塌卡鉆。WQ002－H4井沒有及時(shí)確認(rèn)進(jìn)入梁山組，鉆進(jìn)中沒有嚴(yán)格執(zhí)行梁山組安全操作措施，導(dǎo)致垮塌卡鉆。

2 工程安全預(yù)警技術(shù)

采用了鄰井實(shí)鉆巖性組合為依據(jù)，把鉆時(shí)錄井作為判斷鉆頭進(jìn)入梁山組，巖屑錄井及循環(huán)觀察作為判斷鉆遇巖性的手段。如某石炭系氣藏的待鉆井MX005－H2井的3口鄰井，MX5、MX005－H1井位于構(gòu)造高點(diǎn)，MX2井位于潛伏高點(diǎn)。待鉆井與MX005－H1井距離281m。所以，工程應(yīng)用地層、巖性數(shù)據(jù)主要參考MX005－H1、MX5井實(shí)鉆數(shù)據(jù)。

2.1 厚度分析

MX5、MX2井為直井，梁山組厚度分別為10m、16m。MX005－H1為大斜度水平井，梁山組井斜60°，斜厚19m，折算垂厚10m。設(shè)計(jì)的MX005－H2井棲一段、梁山組垂厚分別為100m、10m。設(shè)計(jì)以55°～61°井斜角鉆開石炭系，斜厚分別折算為187m、21m（表1）。

表1 已鉆井棲一、梁山組實(shí)鉆厚度統(tǒng)計(jì)表

2.2 巖性組合

1）棲一段：上部為深灰色、褐灰色細(xì)粉晶灰?guī)r；下部色較深，近底部夾燧石結(jié)核灰?guī)r。底以深灰?guī)Ш谏嗑Щ規(guī)r與下伏梁山組的灰黑色頁巖分界。

2）梁山組：為灰黑色頁巖，淺灰、深灰色粉砂巖夾灰色鋁土質(zhì)泥巖及煤線，見黃鐵礦星散分布。

3）石炭系前3m：為灰褐色、深灰?guī)Ш稚茙r、角礫云巖夾薄層灰質(zhì)云巖。

梁山組上下（棲一段、石炭系）顏色淺，中間（梁山組）顏色深。

2.3 鉆時(shí)分析

1）川東地區(qū)棲一段層厚100m左右。其底部20 m，巖性主要為石灰?guī)r，可鉆性好。棲一段底部2～5 m鉆時(shí)明顯偏高，可能含有燧石或泥質(zhì)條帶。

2）梁山組在川東地區(qū)二疊系中具有塊狀高鉆時(shí)的特點(diǎn)。梁山組縱向上的3套巖層的鉆時(shí)細(xì)分為：上部2～3m巖性為頁巖夾煤層（煤線），可鉆性好。個(gè)別井頁巖層厚度異常（門西2井梁山組上部頁巖厚11m）。中部2～5m為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、可鉆性相對(duì)較差。下部2～4m為頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，可鉆性好（表2）。

表2 鉆時(shí)變化分析表

3）石炭系前3m主要為石灰?guī)r、白云巖，可鉆性好。

2.4 梁山組復(fù)雜地層工程安全預(yù)警措施

2.4.1 鉆時(shí)判斷

1）在棲一段中鉆進(jìn)，一旦鉆時(shí)增加，就可能鉆到了棲一段底部，再鉆2～5m，鉆時(shí)又降低，巖性由石灰?guī)r變?yōu)轫搸r，部分井夾煤層（煤線），顏色變深、變黑，表明可能進(jìn)入了梁山組。

2）在梁山組鉆進(jìn)，鉆時(shí)一旦降低，就可能是到了梁山組底部，再鉆2～4m，巖性由頁巖（個(gè)別井為粉砂巖）變?yōu)槭規(guī)r、白云巖，顏色變淺，表明可能進(jìn)入了石炭系。

2.4.2 及時(shí)地質(zhì)循環(huán)

1）實(shí)鉆過程中，加強(qiáng)鉆時(shí)對(duì)比、巖屑觀察，發(fā)現(xiàn)異常變化，及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)循環(huán)，為地質(zhì)分層創(chuàng)造條件。

2）如巖屑卡層困難，建議在必要時(shí)進(jìn)行電測(cè)分層。

3）遇地層巖性組合復(fù)雜，短時(shí)間難以準(zhǔn)確分層時(shí)，工程上要提前落實(shí)梁山組事故復(fù)雜預(yù)防措施，確保鉆井安全。

3 梁山組卡鉆事故預(yù)防技術(shù)

1）進(jìn)梁山組后，簡化鉆具結(jié)構(gòu)。減少鉆鋌數(shù)量，使用螺旋鉆鋌，甩掉扶正器。梁山組上層為棲霞組，屬于穩(wěn)斜井段，使用彎螺桿加MWD復(fù)合鉆進(jìn)。為確保鉆井安全，逐步總結(jié)形成了進(jìn)梁山組起鉆簡化鉆具結(jié)構(gòu)、倒出扶正器的安全鉆井模式。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)井眼軌跡，嚴(yán)格控制狗腿度，提高梁山組以上井段通過能力。 215.9mm井段單點(diǎn)狗腿度不超過6°，連續(xù)幾點(diǎn)狗腿度應(yīng)不超過5°。鉆進(jìn)中做好摩阻的記錄，檢測(cè)井眼軌跡變化情況。

3）保持合理的鉆井液密度。通過分析川東地區(qū)近年來33個(gè)主要構(gòu)造、112口已鉆井梁山組鉆井液密度，探索了梁山組安全鉆井的鉆井液密度窗口值范圍。

4）保證鉆井液潤滑性，必要時(shí)加入1%～2%固體潤滑劑。嚴(yán)格將鉆井液的高溫高壓失水、泥餅分別控制在15mL、3mm以內(nèi)，加力學(xué)封堵性穩(wěn)定劑HN－3、SAS或FRH、KHm、SMP以增強(qiáng)地層的膠結(jié)力和改善泥餅質(zhì)量。加入0.2%～0.3%SP－80或 OP－10表面活性劑?？煽紤]加入1%～2%的單向壓力封閉劑加固井壁。

5）使用牙輪鉆頭，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)及卡鉆后處理難度。部分井梁山組含有粉砂巖、細(xì)砂巖，研磨性強(qiáng)，使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，要加強(qiáng)鉆頭使用分析，防掉牙輪。

6）預(yù)計(jì)特別復(fù)雜、鉆井風(fēng)險(xiǎn)大的井，建議設(shè)備、鉆具配套升級(jí)，提高復(fù)雜處理能力：①安裝頂驅(qū)，提高劃眼效率，減少事故復(fù)雜；②使用大水眼鉆具，提高排量，增強(qiáng)攜砂能力；③井口使用一定長度的新鉆桿，增加井口抗拉強(qiáng)度，提高復(fù)雜處理能力；④合理機(jī)泵匹配，絞車和泥漿泵動(dòng)力來源獨(dú)立，確保上提鉆具中的排量不變，有利于提高深井小井眼帶砂效果。

7）“進(jìn)一退二”鉆井精細(xì)操作技術(shù)：①每鉆進(jìn)1～2 m，上提鉆具2～4m劃眼，檢查有無井壁垮塌、阻卡及沉砂情況，如鉆時(shí)很慢，每30～60min應(yīng)上提鉆具1次，上提幅度應(yīng)大于3～5m；②起鉆前，在梁山組循環(huán)30min，應(yīng)立即起出梁山組，再循環(huán)；③起下鉆遇梁山組要?jiǎng)澭圻M(jìn)出。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 鉆井過程

4.1.1 棲一段鉆進(jìn)

MX005－H2井密度1.70g／cm3鉆井液，使用1.25°彎螺桿帶PDC鉆頭、定向／復(fù)合鉆至井深4 913 m進(jìn)入了棲一段（測(cè)深4 913m井斜53°）。棲一段上部灰?guī)r段鉆時(shí)30～60min／m。鉆至井深5 151m、5 152m鉆時(shí)87min／m、94min／m，比上部石灰?guī)r段鉆時(shí)明顯增加，分析為底部2m含泥質(zhì)條帶的石灰?guī)r。再鉆至井深5 153m（測(cè)深5 100m井斜角61°）鉆時(shí)由87～94min／m降低至20min／m，初步判斷進(jìn)入了梁山組。繼續(xù)鉆進(jìn)2m，鉆至井深5 155m進(jìn)行地質(zhì)循環(huán)，證實(shí)進(jìn)入了梁山組，起鉆。

4.1.2 梁山組鉆進(jìn)

簡化鉆具組合，換牙輪鉆頭及塔式鉆具組合下鉆（未遇阻），恢復(fù)鉆進(jìn)。上部6m鉆時(shí)20min／m，最快的僅4min／m（5 156m），為頁巖夾煤層。鉆進(jìn)中有輕微垮塌，返出巖屑中夾有黃銅礦，立即落實(shí)進(jìn)一退二措施，上提遇阻嚴(yán)重，返出巖屑垮塌物逐步增多。中上部5m鉆時(shí)130～160min／m，比上段明顯增加，為泥巖。鉆至井深5 159m處理鉆井液，鉆井液密度由1.71↗1.78g／cm3。中下部8m鉆時(shí)40～100min／m，比中上段明顯降低，為頁巖。繼續(xù)鉆進(jìn)至井深5 169.55 m，接單根下放遇阻，上提鉆具掛卡嚴(yán)重。劃眼有蹩鉆現(xiàn)象，振動(dòng)篩返出頁巖及煤的垮塌物較多，返出垮塌物大小3～5cm。兩次處理鉆井液，鉆井液密度1.78↗1.81↗1.84g／cm3。通過反復(fù)劃眼，接好單根，繼續(xù)鉆進(jìn)。底部6m鉆時(shí)107～160min／m，比中下段明顯增加，為粉砂巖，導(dǎo)致鉆頭嚴(yán)重磨損。鉆至井深5 181m，鉆時(shí)仍然偏高（80～99min／m）。巖性為白云巖，判斷進(jìn)入石炭系3m，中完起鉆（表3）。起出鉆頭牙齒全斷。

表3 MX005－H2井鉆時(shí)變化分析表

4.2 效果評(píng)價(jià)

1）根據(jù) MX005－H1、MX5、MX2井實(shí)鉆的巖屑、鉆時(shí)資料提出了梁山組利用鉆時(shí)變化特點(diǎn)輔助卡層建議。MX005－H2井現(xiàn)場應(yīng)用梁山組井斜角64°，實(shí)鉆鉆井液密度1.83g／cm3，該建議與實(shí)鉆情況基本一致。

2）在進(jìn)入梁山組就嚴(yán)格執(zhí)行簡化鉆具結(jié)構(gòu)、“進(jìn)一退二”等防卡措施，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、精細(xì)操作，順利鉆達(dá)固井井深，無事故復(fù)雜發(fā)生，確保了該段鉆井安全。

5 認(rèn)識(shí)與建議

1）工程安全預(yù)警技術(shù)把地質(zhì)分層結(jié)果作為選用防卡技術(shù)應(yīng)用的依據(jù)。梁山組巖性復(fù)雜，實(shí)在難以及時(shí)分層，可以組織電測(cè)，要提前落實(shí)防卡措施。實(shí)鉆中，根據(jù)鉆時(shí)變化的可比性，注意調(diào)節(jié)好鉆頭使用，盡量使用1只鉆頭完成梁山組鉆進(jìn)。

2）探索梁山組安全鉆井的鉆井液密度窗口，結(jié)合井眼軌跡優(yōu)化、鉆具組合效能、鉆頭類型選擇、設(shè)備升級(jí)配套、鉆井精細(xì)操作等措施，進(jìn)一步完善了梁山組事故復(fù)雜預(yù)防技術(shù)。

3）梁山組實(shí)鉆厚度、鉆井液安全密度與已鉆井差異大，地層鉆厚與地層傾角、實(shí)鉆井斜、方位有密切關(guān)系，而鉆井液安全密度與井壁穩(wěn)定直接相關(guān)，受地層主應(yīng)力方向影響特別大［7－12］。建議組織開展該方面的工程地質(zhì)學(xué)的專題、深入研究，提高區(qū)域構(gòu)造特征、地質(zhì)資料的工程安全鉆井參考價(jià)值。

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