張家垛地區(qū)地層穩(wěn)定技術(shù)研究與應(yīng)用

季鳳民，柳長(zhǎng)春

（1.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井四公司，河南濮陽457321；2.中國(guó)石化華東分公司采油廠，江蘇泰州225300）

張家垛地區(qū)地層穩(wěn)定技術(shù)研究與應(yīng)用

季鳳民1，柳長(zhǎng)春2

（1.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井四公司，河南濮陽457321；2.中國(guó)石化華東分公司采油廠，江蘇泰州225300）

隨著蘇北地區(qū)油氣勘探開發(fā)的不斷深入，鉆井遇到的各種復(fù)雜情況也隨之增多，如鹽城組、三垛組軟泥巖水化膨脹導(dǎo)致縮徑，造成起下鉆、電測(cè)作業(yè)遇阻卡，戴南組、阜寧組硬脆性泥頁巖發(fā)育導(dǎo)致掉塊垮塌，阜寧組地層泥巖膠結(jié)致密，可鉆性較差，鉆速低，井眼軌跡控制困難。針對(duì)上述難題，通過對(duì)蘇北張家垛地區(qū)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了在該地區(qū)鉆井技術(shù)的突破和進(jìn)步，有效解決了張家垛地區(qū)地層穩(wěn)定問題，為張家垛地區(qū)優(yōu)快鉆井奠定了基礎(chǔ)。

張家垛；井壁穩(wěn)定；縮徑；垮塌

1 張家垛地層特征和難點(diǎn)分析

張家垛區(qū)塊位于蘇北盆地南部海安凹陷西部曲塘次凹，地層主要有東臺(tái)組、鹽城組、三垛組、戴南組及阜寧組等。鉆井過程中，常因地層縮徑、垮塌造成長(zhǎng)井段劃眼或發(fā)生卡鉆故障，甚至填井側(cè)鉆等，鉆井和完井周期同其它區(qū)塊相比較長(zhǎng)。

東臺(tái)組地層砂礫層夾粉砂質(zhì)黏土，膠結(jié)疏松，易垮塌、易堵水眼。鹽城組泥巖易蠕變縮徑，在軟硬交錯(cuò)井段易井斜，易滲漏形成較厚虛泥餅，造成假性縮徑。三垛組軟泥巖，易發(fā)生塑性強(qiáng)、石膏污染，鉆屑易水化分散，發(fā)生黏土侵，造成鉆井液黏度高，切力高，流變性差，開泵困難，導(dǎo)致弊漏地層和地層假性縮徑。戴南組含礫砂巖，鉆井中易發(fā)生泥巖吸水膨脹，井壁掉塊垮塌；阜寧組地層為主要目的層，阜寧二段巖性為灰黑色泥巖夾黑色灰質(zhì)泥巖，地層可鉆性較差，硬脆性泥頁巖易吸水膨脹而產(chǎn)生剝落掉塊，造成垮塌卡鉆或長(zhǎng)井段擴(kuò)劃眼。

2 張家垛地區(qū)地層失穩(wěn)統(tǒng)計(jì)分析

2.1 概述

近年來在張家垛鉆井施工中井下復(fù)雜情況頻繁發(fā)生。如張4斜1井因阜寧組地層井壁失穩(wěn)垮塌，共造成兩次卡鉆故障，卡鉆主要原因是現(xiàn)場(chǎng)使用鉆井液密度偏低不能平衡阜寧組地層壓力，造成含膏泥巖地層蠕變，縮徑、掉塊造成卡鉆。

張2-4井在2 760～3 005 m井段起下鉆阻卡嚴(yán)重，劃眼困難，憋泵嚴(yán)重，失水增加，主要原因是鉆井液密度偏低，致使地層水、二氧化碳侵污鉆井液，導(dǎo)致鉆井液失水升高，造成井壁失穩(wěn)垮塌，導(dǎo)致起下鉆遇阻、劃眼困難。

張3-7HF井也因井壁失穩(wěn)多次造成井下復(fù)雜及垮塌卡鉆，造成填井側(cè)鉆。

曲3井鉆進(jìn)至3 550 m拉井壁遇卡，開泵倒劃眼不暢造成卡鉆，采用爆破松扣，套銑打撈無效并卡鉆，最終事故完井。張家垛地區(qū)故障與復(fù)雜情況見表1。

從表1可以看出張家垛地區(qū)鉆井井下復(fù)雜類型主要表現(xiàn)在起下鉆、電測(cè)時(shí)遇阻卡。復(fù)雜情況的主要原因是戴南組、阜寧組地層井壁失穩(wěn)，縮徑和掉塊垮塌造成。

從表2可以看出，張家垛區(qū)塊鹽城組、三垛組、戴南組及阜寧組地層均存在井壁縮徑及掉塊，鹽城組及三垛組地層易縮徑及掉塊較嚴(yán)重，戴南組及阜寧組地層膠結(jié)致密，井壁垮塌掉塊嚴(yán)重，井徑擴(kuò)大率較高，影響井下安全，復(fù)雜情況和故障多發(fā)于該井段。

2.2 張家垛地區(qū)井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

井壁失穩(wěn)的因素多達(dá)20余種（圖1），在這些因素中，地層特征和邊界條件是不可控的因素，解決井壁失穩(wěn)的一個(gè)重要方法就是充分認(rèn)識(shí)影響井眼穩(wěn)定性的不可控因素，依據(jù)可控因素，制訂適宜的工程技術(shù)措施，達(dá)到井壁失穩(wěn)預(yù)防和處理的目的。

表1 張家垛區(qū)塊部分完鉆井井下復(fù)雜情況Table 1 Complex downhole situation of some completed wells in Zhangjiaduo block

表2 張家垛區(qū)塊部分完鉆井井徑數(shù)據(jù)Table 2 Well radius data of some completed wells in Zhangjiaduo block

圖1 影響井壁穩(wěn)定的因素Fig.1 Factors affecting borehole stability

從機(jī)理上井壁失穩(wěn)的因素可分為兩大類：一是地層因素，二是鉆井工藝因素。張家垛地區(qū)井壁失穩(wěn)的主要類型是井眼縮徑及井壁垮塌掉塊。該地區(qū)地層鹽城組至阜寧組以伊利石、伊蒙混層及綠泥石為主，易吸水膨脹泥頁巖普遍分布。表3是阜寧組泥頁巖黏土礦物X射線衍射分析結(jié)果，從分析結(jié)果看，該地層泥頁巖主要由高嶺石和黏土礦物組成[1]，這種泥頁巖結(jié)構(gòu)及理化特性一方面使泥頁巖在外力作用下極易沿微裂縫或?qū)永砥茐模斐删谑Х€(wěn)；另一方面使鉆井液濾液沿著微裂縫浸入地層深部后，隨時(shí)間推移，會(huì)加劇深部泥頁巖的水化膨脹，對(duì)井壁造成推擠而產(chǎn)生應(yīng)力垮塌，再加上濾液進(jìn)入深部地層后，擴(kuò)大了泥頁巖水化面積，降低了泥頁巖的膠結(jié)強(qiáng)度和層理之間結(jié)合力，使泥頁巖沿層理面或微裂縫裂開，進(jìn)一步造成井壁失穩(wěn)，所以一旦鉆井液濾失量偏高，很容易發(fā)生井壁掉塊、垮塌。

表3 張家垛地區(qū)阜寧組地層黏土礦物成分Table 3 Mineralogy of stratum clay of Funing group in Zhangjiaduo area

通過理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，該地區(qū)的井壁失穩(wěn)機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面：

1）上部地層泥巖屬軟泥巖，塑性較強(qiáng)，壓實(shí)程度低，黏土礦物易水化分散、膨脹。

2）戴南組、阜寧組地層含有微裂縫，在液柱壓差作用下，鉆井液中自由水就會(huì)涌入巖石裂縫中，發(fā)生水力聯(lián)通，巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度降低，從而造成井壁失穩(wěn)。

3）毛細(xì)管效應(yīng)和水楔作用造成失穩(wěn)。硬脆性泥頁巖具有親水性，當(dāng)鉆井液與含有微裂隙的巖石接觸時(shí)，濾液在毛細(xì)管力作用下迅速進(jìn)入裂縫深部，水化作用使微開的裂縫擴(kuò)張，導(dǎo)致巖體破碎程度增大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度降低，坍塌壓力上升。

4）推擠失穩(wěn)。在黏土礦物含量較高或微裂隙大量發(fā)育的地層中，鉆井液中的自由水侵入微裂隙中或黏土礦物吸水膨脹，導(dǎo)致膨脹應(yīng)力較大。由于每個(gè)單元的巖體都在膨脹，因此，碎體與碎體之間由于膨脹應(yīng)力而相互推擠導(dǎo)致碎體沿縫面滑移、崩塌。

2.3 抑制井壁失穩(wěn)技術(shù)對(duì)策

針對(duì)張家垛地區(qū)上部軟泥巖井段，優(yōu)選強(qiáng)抑制鉆井液體系，優(yōu)化鉆井液性能，是解決該井段井壁失穩(wěn)的有效手段。下部硬脆性泥頁巖井段需采用“物化封固井壁阻緩壓力傳遞—加強(qiáng)抑制水化—化學(xué)位活度平衡—合理密度有效應(yīng)力支撐”的多元協(xié)同井壁穩(wěn)定技術(shù)[2]，包含以下幾方面技術(shù)措施。

2.3.1 上部軟泥巖地層

1）首先保持合理鉆井液濾失量，保證足夠的排量，滿足攜巖和水力沖刷井壁的要求，依靠合理的鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度支撐井壁，降低縮徑。

2）通過短起下拉井壁對(duì)縮徑井段進(jìn)行物理破壞。

3）確定合理安全的起下鉆速度，防止波動(dòng)壓力造成失穩(wěn)。

4）提高鉆井液抑制防塌能力和包被絮凝能力，抑制泥巖水化分散，控制地層造漿。

5）適當(dāng)提高鉆井液的濾液黏度和切力，降低“水力連通作用”和“毛細(xì)管效應(yīng)”。

2.3.2 下部硬脆性泥頁巖地層

1）低失水量和適宜的鉆井液密度是保持井眼力學(xué)穩(wěn)定的前提。充分利用鉆井液的物理封堵和化學(xué)封固作用，減少濾液的侵入量，降低毛細(xì)管效應(yīng)、水楔和推擠效應(yīng)，防止巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度降低，增大鉆井液安全密度窗口。

2）提高鉆井液化學(xué)抑制防塌能力和包被能力，降低鉆井液高溫高壓濾失量。

3）在易垮塌井段進(jìn)行非鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)（如劃眼、短起、循環(huán)等），必須優(yōu)先考慮鉆井液保持合理的當(dāng)量密度，杜絕定點(diǎn)循環(huán)、高速起下鉆、強(qiáng)壓硬拔等現(xiàn)象發(fā)生。

4）優(yōu)選合理的鉆具組合、鉆頭、鉆井參數(shù)實(shí)施優(yōu)快鉆進(jìn)，減少輔助鉆井作業(yè)時(shí)間，最大程度縮短鉆井液對(duì)地層的浸泡時(shí)間[3]。

3 鉆井液室內(nèi)研究和體系優(yōu)選

3.1 鉆井液室內(nèi)優(yōu)選

3.1.1 巖屑滾動(dòng)回收率試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用巖屑是張家垛地區(qū)2 400～2 600 m處的紅色泥巖巖屑，粒徑為20～60目，加量5.0%，在110℃滾動(dòng)16 h后，巖屑在清水、2.0%聚合醇、2.0%聚合鋁防塌劑、2.0%固相清洗劑、1.0%A樣、2.0% A樣溶液中的滾動(dòng)回收率數(shù)據(jù)見表4。

表4 巖屑滾動(dòng)回收率數(shù)據(jù)Table 4 Roll recovery data of rock debris

3.1.2 巖樣分散性實(shí)驗(yàn)過60目篩巖樣做巖心膨脹實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用巖屑是張家垛地區(qū)2 400～2 600 m處紅色泥巖巖屑，粒徑為過60目的巖樣，加量為5.0%，在常溫下用頁巖膨脹儀做巖屑在基漿、2.0%聚合醇、2.0%聚合鋁防塌劑、2.0%固相清洗劑、2.0%硅鋁絡(luò)合劑、1.0%A樣、2.0%A樣的溶液中的線性膨脹量數(shù)據(jù)見表5。

表5 巖心線性膨脹數(shù)據(jù)Table 5 Linear expansion data of core

3.2 鉆井液優(yōu)選結(jié)論

從室內(nèi)巖屑滾動(dòng)回收率試驗(yàn)和巖樣分散性實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，清水+5%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.2%復(fù)合金屬兩性離子聚合物+0.2%HP+2.0%硅鋁絡(luò)合劑，巖屑滾動(dòng)回收率最高，巖屑線性膨脹最低，因此，針對(duì)不同井段，在此配方基礎(chǔ)上，上部軟泥巖井段采用兩性金屬陽離子聚合物強(qiáng)抑制鉆井液體系，下部硬脆性泥頁巖井段采用兩性金屬陽離子聚合物聚磺防塌鉆井液體系。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

優(yōu)選出的金屬兩性離子鉆井液體系在張家垛地區(qū)應(yīng)用3口井（分別是曲1-1HF井、曲1-4井、曲1-9井），取得了良好效果，具體技術(shù)方案如下。

4.1 鹽城組—三垛組鉆井液技術(shù)

鹽城組地層以砂巖和軟泥巖為主，鉆速快，滲透性好，要防止砂巖、軟泥巖縮徑和滲透性漏失，二開采用金屬兩性離子強(qiáng)抑制聚合物鉆井液，密度1.10～1.22 g/cm3，黏度50～60 s，維護(hù)方法如下。

1）鉆表層套管水泥塞時(shí)加入Na2CO3，以減輕鈣侵，控制好鉆井液性能，控制pH值在9～10，用0.5%～0.8%NH4HPAN水溶液控制黏切。

2）鹽城組二段為中細(xì)砂層，含大小不等的砂礫巖，鉆進(jìn)時(shí)保持鉆井液黏度35～40 s，在中后期黏度下降，則通過加入大分子聚合物包被劑維持鉆井液黏度，鉆井液密度控制在1.10～1.12 g/cm3。

3）鹽城組一段至三垛組二段為塑性軟泥巖，鉆井液維護(hù)以防止軟泥巖縮徑和控制造漿為主。使用聚合鋁聚合物強(qiáng)抑制性鉆井液體系。循環(huán)均勻后用NH4HPAN控制失水15～20 mL。造漿嚴(yán)重時(shí)，加大大分子聚合物的用量。

4）進(jìn)入三垛組軟泥巖容易吸水膨脹縮徑且?guī)r屑黏附在井壁上造成假縮徑[4]，以提高鉆井液和黏度控制為主，防鉆頭泥包，鉆進(jìn)中通過控制NH4HPAN加量控制鉆井液失水為主。

4.2 三垛組—戴南組—阜寧組鉆井液技術(shù)[5]

三開鉆井液體系采用金屬兩性離子聚合物聚磺防塌鉆井液，鉆井液性能：密度1.20～1.35 g/cm3；黏度50～70 s；API失水4～5 mL；含沙量＜0.3%；pH值8～9。維護(hù)方法如下。

1）進(jìn)入三垛組地層巖性一般以脆性硬泥巖為主，鉆井液維護(hù)以防止井壁剝落掉塊、垮塌為主，控制合適的鉆井液密度，降低失水≤5 mL，提高鉆井液的抑制能力和封堵能力，保證井壁穩(wěn)定。

2）維護(hù)處理鉆井液時(shí)，處理劑必須配成膠液加入，以免處理劑干粉在生效前被震動(dòng)篩篩除，也防止溶解不好的聚合物膠團(tuán)附在井壁上溶脹吸附巖屑造成假縮徑。

3）定向鉆進(jìn)前充分利用物理和化學(xué)固相控制技術(shù)清潔鉆井液，拉井壁清除黏附在井壁上的虛泥餅和巖屑，保證井壁光滑干凈，維持較低鉆井液黏度（40～50 s）有利于定向鉆井。

4）進(jìn)入阜寧組四段必須嚴(yán)格控制失水，鉆井液性能波動(dòng)不宜過大，否則易加劇地層垮塌掉塊。

通過以上技術(shù)措施，解決了鹽城組—三垛組井段縮徑和戴南組—阜寧組井壁坍塌掉塊等問題，確保了井下安全，施工中起下鉆通暢，井身質(zhì)量合格率100%，電測(cè)、固井等完井作業(yè)一次成功率100%，提高了鉆井進(jìn)度。試驗(yàn)井三開平均井徑擴(kuò)大率分別為曲1-1井12.86%，曲1-4HF井11.8%，曲1-9井5.20%。

4.3 應(yīng)用效果對(duì)比

通過對(duì)張家垛地區(qū)3口井開展井壁穩(wěn)定技術(shù)適應(yīng)性研究與應(yīng)用，結(jié)果表明：在提高井身質(zhì)量、鉆井速度、降低井下故障與復(fù)雜情況方面效果顯著，見表6。

4.3.1 提高鉆速，縮短鉆井周期

曲1-1HF井完鉆井深3 400 m，平均機(jī)械鉆速11.87 m/h，鉆井周期30.6 d，與同區(qū)塊鄰井相比鉆速提高16.5%，周期縮短37.6%；曲1-9井完鉆井深3 403 m，平均鉆速12.01 m/h，鉆井周期29.96 d，與同區(qū)塊鄰井相比鉆速提高17.9%，周期縮短38.9%；曲1-4井完鉆井深3 700 m，平均鉆速7.77 m/h，鉆井周期42.79 d，與鄰井相比鉆速提高26.7%，周期縮短29.74%。

4.3.2 降低井下故障與復(fù)雜情況，提高鉆井時(shí)效

曲1-1HF井鉆井時(shí)效38.99%，曲1-9井鉆井時(shí)效39.4%，與同區(qū)塊鄰井相比提高12.89%；曲1-4HF井鉆井時(shí)效35.21%，與鄰井相比提高13.85%；三口試驗(yàn)井施工中，井下無故障與復(fù)雜情況，實(shí)現(xiàn)了安全高效。

表6 3200～3 400 m完成井鉆井時(shí)效對(duì)比Table 6 Drilling aging contrast of complete wells in 3 200～3 400 m

4.3.3 井身質(zhì)量控制

曲1-1HF井直井段最大井斜為1.5o，定向、水平井段最大全角變化率5.05o/30 m，平均井徑擴(kuò)大率為12.86%；曲1-4HF井直井段最大井斜為2.1o，定向、水平井段平均全角變化率為4.22o/30 m，平均井徑擴(kuò)大率為11.18%；曲1-9井直井段最大井斜2.2o，最大全角變化率4.72o/30 m，全井平均井徑擴(kuò)大率為5.20%，井身質(zhì)量全部合格。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）通過對(duì)張家垛地區(qū)泥頁巖地層穩(wěn)定性技術(shù)的研究與應(yīng)用，在該地區(qū)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆井，降低了井下故障和復(fù)雜情況，提高了鉆井時(shí)效，形成了適合蘇北張家垛地區(qū)的泥頁巖井壁穩(wěn)定技術(shù)和鉆井施工技術(shù)方案。

2）通過張家垛地區(qū)地層穩(wěn)定性技術(shù)研究和應(yīng)用，為今后在其它地區(qū)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的鉆井優(yōu)快技術(shù)研究提供了技術(shù)支撐和借鑒。

3）三口試驗(yàn)井累計(jì)節(jié)約鉆井周期48天，充分證明在張家垛地區(qū)進(jìn)行地層穩(wěn)定性技術(shù)研究，成效顯著，隨著該項(xiàng)技術(shù)成果的不斷完善和推廣，將進(jìn)一步提高該地區(qū)鉆井速度，節(jié)約鉆井綜合成本，取得更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉汝山，曾義金.復(fù)雜條件下鉆井技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009.

[2]張琴.地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[3]劉希圣.鉆井工藝原理[M].北京:石油工業(yè)出版社，1988.

[4]曾義金.深部鹽膏層蠕變關(guān)系研究[J].石油鉆探技術(shù)，2004，32（3）：5-7.

[5]李允子，李根明.中原油田復(fù)合鹽層的特性及其鉆井工藝技術(shù)[J].石油鉆采工藝，1985，7（6）：5-15.

（編輯：尹淑容）

Research and application of formation stabilization technology in Zhangjiaduo block

Ji Fengmin1and Liu Changchun2
(1.No.4 Drilling Company,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.,Ltd.,SINOPEC,Puyang,Henan 457321,China; 2.Oil Production Plant,East China Company,SINOPEC,Taizhou,Jiangsu 225300,China)

With the deepening of oil and gas exploration and development in North Jiangsu area,the complex situations in the pro?cess of drilling also increases,such as the hole shrinkage caused by soft shale hydration expansion in Yancheng and Sanduo forma?tion,which lead to drilling hard trip and other accidents,the sloughing caused by hard brittle shale development in Dainan and Funing formation.Funing formation is so dense with mudstone cementation that the drilling rate of penetration is low and wellbore trajectory is difficult to control.Aiming at these problems above,based on the research and practice of the wellbore stability of Zhangjiaduo block in North Jiangsu area,the drilling technology in this area were broke through and progressed,thereby effectively solving the wellbore stability problems of Zhangjiaduo block.It laid the foundation for high quality and high speed drilling in Zhangjiaduo block.

Zhangjiaduo,wellbore stability,hole shrinkage,sloughing

TE28

A

2014-11-21。

季鳳民（1976—），男，助理工程師，安全管理。