渤海玄武巖地層防塌鉆井技術(shù)

張向華

摘 要：在渤海灣及其近域鉆井過程中，館陶組和東一段均鉆遇大段性硬、致密灰質(zhì)玄武巖，由于其可鉆性差，易于坍塌掉塊，給優(yōu)快鉆井帶來較大困難。通過分析其產(chǎn)生的機(jī)理、發(fā)生作用的特點(diǎn)，找到預(yù)防、解決的辦法，提高優(yōu)快鉆井速度。

關(guān)鍵詞：玄武巖 防塌 可鉆性 預(yù)防措施

中圖分類號：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0128-02

1 渤海玄武巖地層垮塌產(chǎn)生的機(jī)理及特點(diǎn)

1.1 井壁失穩(wěn)力學(xué)因素分析

通過構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及巖石力學(xué)研究分析，玄武巖受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部預(yù)應(yīng)力未得到充分釋放，地層內(nèi)部受力不均衡，在被打開形成井眼后，原始平衡狀態(tài)被破壞，壓力向井眼釋放而造成坍塌。其次是玄武巖地層存在非均質(zhì)性，既有原生作用，也有次生作用，還有外來圍巖的卷入，疏松多孔、硬而脆、松而軟的巖石交互出現(xiàn)。杏仁氣孔構(gòu)造發(fā)育，杏仁體多由方解石、蛋白石、綠泥石構(gòu)成，杏仁體的硬度與玄武巖的硬度差別較大，在鉆井過程中隨地層應(yīng)力的釋放或激動(dòng)壓力過大以及機(jī)械碰撞作用，極易在杏仁體等處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而導(dǎo)致玄武巖地層的垮塌掉塊。還有由于玄武巖地層存在微孔隙、微裂縫，通過壓力傳遞和自吸水實(shí)驗(yàn)，由于玄武巖滲透率低，水力傳導(dǎo)速率小，孔隙壓力的變化不能迅速傳遞出去，導(dǎo)致近井壁地層巖石孔隙壓力升高，直接降低鉆井液支撐井壁的有效壓力，而且由于孔隙流體組分的變化，進(jìn)一步誘發(fā)嚴(yán)重的黏土礦物水化效應(yīng)，產(chǎn)生水化應(yīng)力和改變巖石力學(xué)性質(zhì)，促使玄武巖井壁失穩(wěn)坍塌[1]。

1.2 渤海灣玄武巖地層特點(diǎn)

為了探尋適用于渤海灣玄武巖地層的防塌措施，冀東油田對渤海灣M27-27井巖心的巖石結(jié)構(gòu)、礦物組成、水分含量、線膨脹率、回收率和穩(wěn)定指數(shù)等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該套巖層含有大量蛋白石等粘土礦物，且非均質(zhì)性嚴(yán)重，成分復(fù)雜，裂隙發(fā)育。

經(jīng)過調(diào)研和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，南堡地區(qū)的玄武巖巖石特性如下[2]。

（1）巖石主要為基性火山巖。其類型主要為晶屑凝灰?guī)r、玄武巖；結(jié)構(gòu)類型主要為粗玄（問粒）結(jié)構(gòu)、?；豢椊Y(jié)構(gòu)、晶屑間隱斑狀結(jié)構(gòu)以及去?；啮?xì)結(jié)構(gòu)。

（2）巖石的主要礦物為基性斜長石、輝石類、簾石類、玻璃質(zhì)及微細(xì)磁鐵礦等不透明礦物；黑云母少見，可能與后生綠泥石化有關(guān)。

（3）次生變化主要表現(xiàn)為綠泥石化、綠簾石化、去?；⒐杌?、碳酸鹽化；斜長石多蝕變成竹節(jié)狀，輝石多蝕變成破碎顆粒狀，斑晶多為污濁破碎狀。

（4）凝灰?guī)r屬于火山噴發(fā)期后火山物漂降堆積而成，后期蝕變嚴(yán)重。其結(jié)構(gòu)與泥巖類似，在鉆井過程中易造漿或掉塊。

2 渤海玄武巖地層防塌的鉆井技術(shù)

通過對海油渤海曹妃甸和南堡地區(qū)CFD1-1-X和NB31-3-1兩口井的鉆探發(fā)現(xiàn)，在玄武巖地層遇到井下復(fù)雜情況導(dǎo)致鉆井非生產(chǎn)時(shí)間增多，CFD1-1-X下7”尾管在3 168 m因玄武巖垮塌遇阻，被迫起出尾管，損失時(shí)間高達(dá)150.75 h。渤海五號鉆井平臺在鉆遇此段玄武巖時(shí)機(jī)械鉆速很低，選用不同類型的12-1/4”PDC和牙輪鉆頭后，仍不甚理想，最低機(jī)械鉆速僅為0.6 m/h，三開平均機(jī)械鉆速比計(jì)劃低60%以上。

2.1 渤海玄武巖地層的失穩(wěn)與垮塌

南堡和曹妃甸地區(qū)館陶組和東一段玄武巖地層坍塌壓力較高，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)、玄武巖脫落。南堡1號構(gòu)造的玄武巖地層較發(fā)育，據(jù)完鉆井資料得知，玄武巖厚度為195～785 m，而底礫巖則不發(fā)育?？碧匠跗阢@進(jìn)館陶組玄武巖發(fā)達(dá)地區(qū)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)井壁坍塌掉塊、井徑擴(kuò)大、井漏、卡鉆等事故，影響了鉆井速度和油氣層保護(hù)。

CFD1-1-X井裸眼段因存在上漏、下塌兩套截然不同的壓力系數(shù)，套管鞋以下井段大部分地層為砂巖，承壓能力低（地層漏失壓力當(dāng)量密度1.33 g/cm3，地層破裂壓力當(dāng)量密度1.34 g/cm3）。該井鉆穿玄武巖地層需要鉆井液密度1.28～1.30 g/cm3，方可保證井壁穩(wěn)定，玄武巖不致脫落坍塌。故在進(jìn)入玄武巖地層頂部下9-5/8”技術(shù)套管，因而也增加了8-1/2”井眼長度和測井及下尾管等后續(xù)作業(yè)難度。

CFD1-1-X井13-3/8”表層套管鞋地層漏失壓力當(dāng)量密度低（1.33 g/cm3），而館陶玄武巖垮塌當(dāng)量密度低，需1.25～1.28 g/cm3密度的鉆井液穩(wěn)定地層，原設(shè)計(jì)進(jìn)入東營下9-5/8”套管顯然不能滿足安全鉆進(jìn)需要，及時(shí)調(diào)整了下9-5/8”套管深度，進(jìn)入館陶玄武巖后停鉆，下9-5/8”套管。既防止了上部地層漏失，又保證了館陶組玄武巖鉆進(jìn)作業(yè)安全。

渤海七號平臺CFD1-1-X井鉆玄武巖鉆井液密度1.28 g/cm3，基本無垮塌現(xiàn)象；渤海五號平臺NB31-3-1井1.28 g/cm3揭開玄武巖，但是在后續(xù)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)玄武巖有垮塌現(xiàn)象，逐步將鉆井液密度提高到1.32 g/cm3，情況有所好轉(zhuǎn)?，F(xiàn)場通過提高鉆井液密度來平衡此段玄武巖的地層坍塌壓力，還加強(qiáng)了鉆井液封堵防塌能力，滿足力學(xué)防塌要求，同時(shí)盡可能避免在玄武巖井段的劃眼。

在鉆進(jìn)過程中，該井段的鉆井液需要有強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵、低失水的性能?；谶@一認(rèn)識，優(yōu)選出多元醇防塌鉆井液?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該鉆井液體系有效地保證了玄武巖井段的安全順利鉆進(jìn)及井眼規(guī)則性。四開在鉆遇玄武巖地層前，補(bǔ)加1%～2%的單項(xiàng)壓力封閉劑和1%的防塌材料，以提高鉆井液的防塌性能，同時(shí)把鉆井液的密度控制在1.25～1.28 g/cm3之間，并密切注意振動(dòng)篩巖屑返出情況。在進(jìn)入油氣層前，加入1%單向壓力封閉劑和油溶性暫堵劑。每次起下鉆后，配20 m3新鉆井液補(bǔ)入井漿內(nèi)，以改善鉆井液的造壁性能。電測前加入2%塑料小球，保證電測順利。

下部地層可鉆性差，易于坍塌掉塊；玄武巖地層多且段長，井底溫度高，古潛山地層易發(fā)生井漏、井噴事故。根據(jù)該井特點(diǎn)，全井采用防塌聚合物鉆井液、聚合物正電聚醇鉆井液和正電聚醇-甲酸鹽鉆井液體系。結(jié)果表明，該體系具有良好的抑制性和潤滑防塌性能，抗鹽抗高溫穩(wěn)定性強(qiáng)，維護(hù)簡單，安全環(huán)保，適合于海上鉆井的需要。

現(xiàn)場施工時(shí)主要措施如下。

（1）保持泥漿中抑制劑的加量，同時(shí)控制較低的失水（API<4 mL）。

（2）加入PF-SMP C，PF-PAC LV降低泥漿的失水；加入低熒光PF-TEX IC改善泥餅質(zhì)量，以及增強(qiáng)體系的防塌能力；加入PF-LPF增加泥漿的封堵能力；加入PF-LUBE和PF-GRA提高泥漿潤滑性。

（3）按地層實(shí)際壓力，調(diào)整好鉆井液密度，保證性能穩(wěn)定，密切注意振動(dòng)篩返砂情況。

（4）合理使用固控設(shè)備，最大限度清除泥漿中的有害固相，保持泥漿合適的般土含量MBT=35～45 g/L，保持泥漿的流態(tài)。

（5）加入1%～2%的甲酸鉀調(diào)整泥漿的流態(tài)，提高泥漿的抑制性。

2.2 渤海玄武巖地層的可鉆性

在南堡和曹妃甸地區(qū)館陶組和東一段均鉆遇大段性硬、致密灰質(zhì)玄武巖，玄武巖極易坍塌且可鉆性極差。分析玄武巖地層可鉆性的目的在于提高鉆井機(jī)械鉆速，爭取快速鉆過玄武巖地層，降低玄武層裸眼段暴露在鉆井液中的浸泡時(shí)間，從而減少因玄武巖地層的垮塌造成的風(fēng)險(xiǎn)。

NB31-3-1井在館陶組和東一段2 014～2 540 m，鉆遇大段性硬、致密火成巖，而且分布范圍廣，以玄武角礫巖為主，巖性致密堅(jiān)硬，破裂壓力普遍大于泥質(zhì)巖，是該區(qū)的區(qū)域性優(yōu)質(zhì)蓋層。致密堅(jiān)硬的巖性導(dǎo)致其可鉆性極差。

渤五平臺在選用幾種不同類型的12-1/4”PDC和牙輪鉆頭后，仍不甚理想，機(jī)械鉆速僅為0.6～8.1 m/h不等，三開平均機(jī)械鉆速比計(jì)劃低60%以上。從2 014 m鉆進(jìn)至2 873 m歷時(shí)18 d。比正常鉆進(jìn)速度多耗時(shí)15 d左右。而渤七CFD1-1-2井在此段選用的DBS的8-1/2”FM3553PDC鉆頭，鉆進(jìn)井段1 825～2 736 m，采用小鉆壓和低轉(zhuǎn)數(shù)，機(jī)械鉆速達(dá)20.14 m/h，巖性亦為性硬、致密灰質(zhì)玄武巖和凝灰?guī)r。

可見不同鉆頭選型（尺寸、類型、布齒等）和配套的鉆井工藝，鉆進(jìn)效果差異很大?，F(xiàn)場應(yīng)優(yōu)選更適合鉆玄武巖的PDC鉆頭；研究一套防塌性能強(qiáng)的，適合低電阻率井段的鉆井液體系。

3 渤海玄武巖地層防塌措施的認(rèn)識和總結(jié)

針對渤海灣玄武巖段可能會(huì)發(fā)生垮塌等特點(diǎn)，結(jié)合冀東油田有益的鉆探實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鉆井工程在此地施工中采取的措施建議如下。

（1）鉆到玄武巖前提高鉆井液密度到坍塌壓力以上，提高鉆井液的粘度在60～65 s左右。調(diào)整鉆井液YP、Gel值，盡量維持YP在設(shè)計(jì)上限，提高鉆井液攜砂能力，確保井下干凈?？梢赃m時(shí)適量用稠鉆井液清掃井眼，鉆進(jìn)過程中不能用稀塞。在進(jìn)入館陶組前進(jìn)一步降低失水，防止水敏地層造漿，并增加鉆井液防塌和防漏性能。

（2）關(guān)注振動(dòng)篩返出情況，如有黑色玄武巖掉塊返出，應(yīng)立即分析下步措施，確定是否提高鉆井液密度，并及時(shí)調(diào)整鉆井液性能。

（3）鉆遇性硬、致密灰質(zhì)玄武巖和凝灰?guī)r時(shí)，參考同地區(qū)鉆井資料，優(yōu)化鉆頭選型（尺寸、類型、布齒等）和配套的鉆井工藝，優(yōu)選更適合鉆玄武巖的PDC鉆頭以提高鉆井機(jī)械鉆速，盡量減少玄武巖地層垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）設(shè)計(jì)更為合理的井身結(jié)構(gòu)，減少玄武巖的暴露時(shí)間，避免因垮塌周期造成的更多復(fù)雜情況。盡量避免在玄武巖井段的劃眼。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃承建，王衛(wèi)國，喬國文，等.吐哈油田鹽膏層鉆井液技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2002，30（2）：49，50.

[2] 馮京海，徐同臺，王富華，等.南堡油田館陶組玄武巖井壁失穩(wěn)機(jī)理和技術(shù)對策研討[J].石油鉆探技術(shù)，2008，25（5）：1-4.