蘇南區(qū)塊鉆井復雜預防技術研究

歐陽建勇，王勇，楊恩友李平，吳予平，馮小科

（中石化河南石油工程有限公司 南陽項目部鉆井工程公司，河南 南陽473132）

蘇南區(qū)塊位于寧夏、陜西、內(nèi)蒙三省交界處，地處毛烏素沙漠邊緣，構(gòu)造上屬于鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷構(gòu)造帶。天環(huán)坳陷構(gòu)造帶在平面上呈南北向帶狀分布，夾持于陜北斜坡和西緣斷裂帶之間，不僅受到2大構(gòu)造單元的影響，而且處在盆地的 “鍋底”，成油藏條件相對復雜，大大增加了鉆井工程難度。鉆井過程中出現(xiàn)了多種井下復雜，導致鉆井周期延長，為了最大限度減小井下復雜事故，提高鉆井速度，對該區(qū)塊展開了井下復雜預防技術的研究。

1 鉆井主要難點

蘇南區(qū)塊鉆井施工過程中易出現(xiàn)井漏、井壁垮塌、煤層卡鉆、鉆頭故障等復雜情況，是蘇里格區(qū)塊井下故障頻發(fā)區(qū)塊，導致該區(qū)塊機械鉆速低，建井周期長。鉆井施工中主要存在以下技術難點：

1）表層黃土層易發(fā)生井漏，嚴重時會泡垮井架基礎。

2）延長組、劉家溝組存在不同程度漏失，有時常規(guī)堵漏屢次失敗，增加次生故障的概率。

3）直羅組由于煤層發(fā)育，且含有多套煤層，煤層失穩(wěn)坍塌，操作不當就會發(fā)生煤層卡鉆。

4）石盒子組由于埋藏較深，約為3700～4100m，地層多為泥巖，膠結(jié)致密，可鉆性差，導致鉆頭優(yōu)選難度增加。

2 井下復雜預防技術研究

2.1 表層井漏

2.1.1 表層井漏機理

表層井漏多發(fā)生于表層上部，鉆遇基巖后，隨著井深增加，壓實程度越來越高，井漏幾率隨之降低；加之鉆表層過程中，多為清水聚合物泥漿體系，相對密度較低，一般不會由于液柱壓力過高導致井漏，常常是由于表層上部黃土層膠結(jié)疏松導致井漏。

2.1.2 表層井漏預防技術

通過對蘇南區(qū)塊以往施工井的表層漏失進行綜合分析，對該地區(qū)表層漏失進行了詳細研究，初步選定下導管和減小泵排量兩種方法來預防表層漏失。

1）導管防漏 鉆井工程中常常認為只要下部鉆進作業(yè)中上部地層容易出現(xiàn)井漏、井跨等復雜時，通常選擇使用套管將上部的復雜層位封閉，以便于進行下部鉆進，出于這種理念，就出現(xiàn)了使用導管來封閉上部黃土層的方法［1］。

在蘇394井表層鉆進施工中，通過查閱鄰井及相關地質(zhì)資料，黃土層厚度為30m，利用低排量（12～18L／s）鉆至井深28m，下入導管27m，候凝結(jié)束后，一開鉆進過程中，由于轉(zhuǎn)速較高導致導管擺動幅度較大，只能降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，進而制約了機械鉆速；鉆井過程中也出現(xiàn)導管外上返泥漿，導致井口變大，只能靠圓井來制約井口井徑繼續(xù)變大；下表層套管（以下簡稱 “表套”）結(jié)束后，無法正常開泵，導致起表套等故障，經(jīng)分析認為主要原因是由于導管外部上返泥漿后，導致井徑增大，巖屑上返速度較低，在井底出現(xiàn)沉砂堆積，導致堵死套管內(nèi)外部，無法建立循環(huán)，因而可以看出，下入導管不僅制約了機械鉆速的提高，還給后期下表套及固井留下隱患，而且在表層固井時發(fā)現(xiàn)由于井口垮塌嚴重，井口安放的圓井口裝置下沉了3～4m，如固井不及時，有可能泡垮井架基礎，因而下導管不是最佳的解決方案。

2）降低排量 經(jīng)過查閱鄰井資料后分析，在黃土層降低排量，可以大大減少井漏，鉆穿黃土層后，根據(jù)井漏情況適當?shù)卦黾优帕?，提高攜巖能力，在李5井施工中就嘗試采用降低排量的方法進行鉆進，該處黃土層厚度約26m，在鉆黃土層過程中選擇排量至10～16L／s，雖然鉆黃土層過程中也出現(xiàn)了輕微漏失，但在鉆穿 “石板層”后未發(fā)現(xiàn)井漏，鉆完表層后，使用稠漿攜帶井下巖屑，使得后期下表套及固井作業(yè)順利進行，較下導管表層作業(yè)縮短1d，因而使用降低排量的方案在現(xiàn)場的應用效果較為明顯。

2.2 延長組、劉家溝組井漏預防技術

2.2.1 漏失機理

延長組、劉家溝組井漏的主要原因有2個，一是地層（如天然裂縫和誘導裂縫地層、高滲透非膠結(jié)地層）（屬內(nèi)因）；二是外來壓力（指鉆井液液柱及由它傳遞給地層的外來壓力）（屬外因）［2］。假如壓差超過地層破裂強度，就發(fā)生井漏；壓差為零，井漏停止。所以控制壓差是防漏和堵漏的關鍵，而外來壓力由以下3部分組成：①鉆井液液柱靜壓力梯度，它由鉆井液密度決定；②循環(huán)壓力，其大小取決于循環(huán)速度、環(huán)空尺寸和鉆井液流動特性；③激動壓力，指鉆井中措施不當引起的驟增瞬時力（產(chǎn)生情況有啟動泥漿泵過猛、起下鉆過快及鉆井液流變性能差）。

2.2.2 堵漏機理

只有弄清堵漏機理，才能根據(jù)不同類型漏層選用相應的堵漏劑，使堵漏工作達到預期目的。漏層可分為水平漏層和垂直漏層2類。

l）水平漏層封堵機理 水平漏層分2種情況，一是多孔砂礫地層，這種漏層用橋堵劑可以奏效。理由是堵漏劑粒度比鉆井液中固相顆粒大，存積于砂礫地層孔隙內(nèi)，使鉆井液不能通過，在其表面又形成一層泥餅，該泥餅牢固不易被沖走。二是天然水平裂縫。如裂縫縫寬小于6.4mm，縫內(nèi)需用粒狀堵漏劑填滿，縫口需用堵漏劑和鉆井液固體顆粒粘住，橋堵混合劑能有效地封堵該裂縫。如裂縫縫寬在64～254mm范圍，則要求黏度切力高和流動阻力大的堵漏劑。

2）垂直漏層封堵機理 垂直漏層的裂縫大多為誘導裂縫，成功的關鍵取決于施加于它的壓力大小，經(jīng)室內(nèi)試驗證明，軟堵塞劑能獲得成功。其作用有二：其一是撐開裂縫，撐開裂縫不能進一步擴大；其二是避免將壓力傳遞給誘導裂縫。

2.2.3 井漏現(xiàn)狀

在蘇里格南區(qū)塊延長組和劉家溝組鉆進過程中，遇到了滲透性漏失和失返性質(zhì)的裂縫性漏失。對于滲透性漏失，現(xiàn)場采用常規(guī)隨鉆堵漏的方式堵漏，起到了較好的堵漏效果；對于失返性質(zhì)的裂縫性漏失，在改變鉆井液堵漏材料尺寸的基礎上，部分平臺堵漏施工中見到了一定的堵漏效果，但是忠探1井，大尺寸堵漏劑堵漏效果依然較差［3］。這就要求我們根據(jù)現(xiàn)場不同平臺的井漏堵漏情況進行研究并總結(jié)，做好蘇里格南區(qū)塊的防漏堵漏鉆井液技術研究。

2.2.4 防漏堵漏的施工難點

2.2.4.1 防漏的施工難點

1）鉆井液體系的制約 延長組鉆進均采用無固相鉆井液體系，該體系不能形成泥餅，基本不具有防漏功能。

2）鉆井工藝的制約 鉆井采用的MWD定向儀器，在易漏層位施工時常規(guī)的防漏方案對隨鉆信號有影響，不能得到很好應用。

3）地質(zhì)條件的制約 在蘇里格南區(qū)塊劉家溝組一般為失返性漏失，由于該地層存在天然裂縫，鉆井液固相顆粒不能達到封堵要求，因此給防漏工作帶來很大障礙。

2.2.4.2 堵漏的施工難點

1）堵漏不及時 由于延長組采用無固相體系，發(fā)現(xiàn)漏失不能及時采取堵漏措施，使漏層的漏失趨勢加大、漏失通道形成，錯過了堵漏施工的最佳時機，增加了堵漏難度。

2）常規(guī)橋塞堵漏的局限性 由于橋塞堵漏的局限性往往需要多次，才能取得較好的堵漏效果，從而耗費了大量的人力物力財力，最終影響整個鉆井速度。

3）漏失層位多 蘇南區(qū)塊的施工中存在多個漏層，由于不能用堵漏泥漿鉆穿整個易漏地層，所以往往容易在鉆進至下個漏層的過程中把上部已經(jīng)關閉的漏失通道沖刷開，反復堵漏，最終造成堵漏的失敗。

2.2.5 防漏堵漏措施

2.2.5.1 鉆井液方面

1）鉆井液體系轉(zhuǎn)型，進入漏層前100m將鉆井液體系轉(zhuǎn)換為具有防漏功能的低固相天然高分子鉆井液體系。

2）性能維護，按改型比例補充鉆井液消耗量，嚴禁直接大量加入清水。

3）鉆井液凈化，使用好固控設備，保證及時高效地清除鉆屑和劣質(zhì)固相。

4）堵漏材料儲備，儲備足夠的常規(guī)處理劑及堵漏材料，發(fā)現(xiàn)漏失立即進行堵漏作業(yè)。

5）為預防出現(xiàn)失返性質(zhì)漏層，應儲備大、中、小不同粒徑的堵漏劑，堵漏失敗后，應認真分析漏失原因及井段，必要時可考慮擠水泥堵漏。

2.2.5.2 鉆井工程方面

1）根據(jù)已鉆漏失井資料，鎖定每個井區(qū)的漏失區(qū)域。施工過程中有意識地將井眼軌跡遠離漏失區(qū)域。

2）進入預計漏層前20m徹底循環(huán)洗井，開泵應嚴格控制排量，應先小排量循環(huán)通暢后，再根據(jù)攜巖要求，逐漸提高泵排量，防止人為蹩漏薄弱地層。

3）在易漏的地層鉆進時發(fā)現(xiàn)鉆時突然加快應立即上提鉆具循環(huán)觀察無異常后方可恢復鉆進。4）起下鉆控制鉆速以避免壓力激動造成井漏。

5）下鉆小排量打通水眼并避開漏層以防止人為操作造成井漏。

2.3 直羅組煤層坍塌預防技術

2.3.1 煤層坍塌機理

2.3.1.1 煤本身的脆弱性

1）鉆井液密度的影響［4］煤巖抗拉強度和彈性模量很小，鉆井液密度過低會引起構(gòu)造應力釋放，使煤層沿節(jié)理和裂縫崩裂坍塌，大量的掉塊上浮會造成環(huán)空阻流和卡鉆；鉆井液密度過高時，水在壓差作用下楔入煤層，將裂縫撐開使煤層坍塌。

2）不穩(wěn)定泥頁巖的影響 煤層下的泥頁巖坍塌后，煤層因失去支撐而使垮塌加劇；同樣，煤層的坍塌也促進了上部泥頁巖的坍塌，形成惡性循環(huán)。

2.3.1.2 鉆井液中水的影響

1）水化膨脹作用 煤中少量的黏土礦物主要分布在煤的裂縫和孔洞中，起膠結(jié)作用，煤巖吸水后產(chǎn)生水化膨脹。煤的抗拉強度低，彈性模量小，煤中絲質(zhì)體和鏡質(zhì)體各自獨立，非均質(zhì)性強，水化膨脹導致局部應力集中，引起剝落坍塌。另外，膨脹也是煤巖內(nèi)聚力降低、裂縫擴張的宏觀表現(xiàn)。高溫也會加劇水化作用，促使地層的坍塌。

2）膠結(jié)物的溶解 煤中含有微量可溶鹽，總的體積分數(shù)為0.12%～0.14%，主要分布于裂縫和孔洞中，起膠結(jié)作用。煤巖吸水后無機鹽的溶解使裂縫間的膠結(jié)破壞，煤的強度下降，造成剝落坍塌。

2.3.2 煤層防塌預防措施

1）降低轉(zhuǎn)速，控制起下鉆速度，減少旋轉(zhuǎn)鉆具和壓力激動對煤層井壁的影響。

2）提前結(jié)合地質(zhì)資料，預先做好煤層鉆進技術方案，出現(xiàn)鉆時加快，應停止鉆進循環(huán)觀察，適當?shù)纳咸徙@具劃眼，鉆遇多套煤層時，應合理安排短程起下鉆，確保井壁穩(wěn)定及井下安全。

3）精確計算并嚴格控制鉆井液密度，控制鉆井液排量和流變性，減輕沖刷作用。

4）加強煤層段泥頁巖的防塌性能研究，減少泥頁巖垮塌對煤層的影響。

5）在鉆井液中加足各類適當?shù)姆舛虏牧希苑舛铝芽p和孔洞，減輕鉆井液對裂縫的侵入。

2.4 石盒子組鉆頭故障預防

蘇南區(qū)塊石盒子組上部主要以紫紅、黃綠色泥巖和中砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，下部為淺灰色粗砂巖，夾有含礫砂巖。石盒子組處在3700～4100m之間，由于埋藏較深，泥巖膠結(jié)致密，可鉆性差，加之含有礫石夾層，導致PDC鉆頭使用效果明顯降低，因而優(yōu)選出一種適合石盒子組鉆進的鉆頭顯得相當關鍵。

2.4.1 石盒子組鉆頭使用情況

在蘇南區(qū)塊石盒子組鉆進過程中使用了3只PDC鉆頭和2只牙輪鉆頭，鉆頭參數(shù)指標見表1；鉆石盒子組地層后起出的鉆頭見圖1。

表1 蘇南區(qū)塊李7井石盒子井段鉆頭技術參數(shù)

2.4.2 鉆頭使用分析

從表1的數(shù)據(jù)及圖1可以看出，無論萊州還是銳石PDC鉆頭，單只鉆頭進尺及機械鉆速與牙輪鉆頭相比都不是太理想，尤其是PDC鉆頭在起出后均達到報廢水平，鉆頭1外徑磨損到只剩197mm（入井新鉆頭外徑為241.3mm），導致下一只鉆頭需要長段劃眼，操作不當有可能發(fā)生 “小井眼卡鉆”；鉆頭2和鉆頭4起出后冠體出現(xiàn)明顯磨損；然而2只牙輪鉆頭起出后，均無明顯損傷；鉆頭5起出后，基本完好，而且在鉆進過程中鉆時比較穩(wěn)定，易于判斷井下情況。

2.4.3 石盒子組鉆頭建議及操作注意事項

從石盒子組的巖性分析及鉆頭使用情況判斷，該層位PDC鉆頭使用效果較差，機械鉆速不穩(wěn)定，不易判斷井下情況；然而牙輪鉆頭鉆進比較平穩(wěn)，從該地層HJT537G鉆頭的使用情況分析，建議使用HJT517序列或者同級別鉆頭，使用牙輪鉆頭鉆進過程中應及時觀察巖性及鉆時，做好對比工作，預防掉牙輪故障，如鉆井過程中出現(xiàn)鉆時明顯增大趨勢，應果斷考慮起鉆，確保井下安全［5］。

3 結(jié)論與認識

1）蘇南區(qū)塊大多處于沙漠邊緣，黃土層厚度約30m，表層鉆進過程中，使用降低排量的方法，既加快了鉆進速度，又確保了下表層套管及固表層作業(yè)的順利進行。

圖1 鉆石盒子組地層后起出的鉆頭

2）針對劉家溝組、延長組不同程度井漏，提出了防漏及堵漏的預防技術措施，確保井下安全，而且不影響鉆進作業(yè)。

3）直羅組煤層發(fā)育，易導致井垮甚至卡鉆，從鉆井液以及工程方面提出預防措施，防止惡性故障的發(fā)生。

4）石盒子組可鉆性差，使用PDC鉆頭效果不明顯，經(jīng)過與牙輪鉆頭的對比及地層巖性分析，提出了使用HJT517G系列或同序列的鉆頭，有助于提高機械鉆速，同時還提出了預防牙輪鉆頭井下故障的方法。

［1］趙金洲，張桂林.鉆井工具技術手冊 ［M］.北京：中國石化出版社，2008.

［2］蔣希文.鉆井事故與復雜問題 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002.

［3］陳平.鉆井與完井工程 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［4］鄢捷年.鉆井液工藝學 ［M］.東營：中國石油大學出版社，2006.

［5］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術 ［M］.東營：中國石油大學出版社，2006.