東勝氣田井壁穩(wěn)定技術(shù)研究

王 群

(中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南 新鄉(xiāng) 453700)

1 東勝氣田鉆井施工現(xiàn)狀

東勝氣田地層壓力低，鉆井液密度窗口窄，塌漏同層，劉家溝組和石千峰組地層甚至是負壓力窗口。井壁穩(wěn)定問題已經(jīng)是東勝氣田施工效益的主要流失點，特別是隨著東勝氣田的深入開發(fā)，很多井布置在已開采的老井場施工，由于前期鉆井過程中鉆井液滲透作用使地層巖石的力學(xué)強度降低和巖石的應(yīng)力分布改變。老井，使井壁穩(wěn)定難度大大增加。井壁穩(wěn)定的問題越發(fā)突出明顯，給東勝氣田的開發(fā)造成巨大的損失，嚴重制約了工區(qū)水平井提速增效，成為鉆井工程效益流失的一個主要缺口。影響本區(qū)塊井壁穩(wěn)定性的因素有很多，既有普遍性因素，如力學(xué)因素、化學(xué)因素和工程技術(shù)因素[1]，也有特殊性因素，如本區(qū)塊構(gòu)造復(fù)雜，非均質(zhì)強，區(qū)域內(nèi)褶皺、斷裂帶縱橫交錯的因素，同時也有多年來的開采開發(fā)導(dǎo)致地層壓力變化，原有平衡被打破有關(guān)。并且本地區(qū)上部易漏失的劉家溝組和下部易坍塌的“石千峰組、上下石盒子組”暴露在同一裸眼井段，鉆井液的安全密度窗口窄給本區(qū)塊的井壁穩(wěn)定技術(shù)提出難題。2015年東勝氣田共發(fā)生井壁失穩(wěn)回填5井8次，累計回填段長達到3000 m，合計耽誤時間76.44 d。其中水平段失穩(wěn)4次，造斜段失穩(wěn)4次。

2 東勝氣田區(qū)域地層及巖性特征

表1為東勝氣田地層特征，可以看出泥巖井段粘土含量大，水化膨脹性強。

表1 東勝氣田地層特征分析

二疊系石千峰組和上石盒子組地層不穩(wěn)定，泥頁巖易剝落、坍塌、掉塊；山西組、太原組，易發(fā)生煤層跨塌，容易形成“大肚子”井眼。對石千峰組—太原組泥巖進行粘土礦物分析和理化特性分析(具體見表2、表3)可以看出：鄂爾多斯盆地二疊系和石炭系中的泥巖中粘土礦物含量20%左右，地層粘土礦物組分以伊蒙間層和伊利石為主，水化能力強，易發(fā)生非均勻膨脹[2]，減弱了泥頁巖的結(jié)構(gòu)強度，實踐證明，伊蒙混層是最不穩(wěn)定的地層。通過電鏡掃描分析(圖1、圖2)：180倍下泥巖巖石致密，孔隙發(fā)育差，2556倍下伊利石粘土發(fā)育及微孔縫可見。

表2 東勝氣田二疊系和石炭系泥巖中粘土礦物分析

表3 東勝氣田二疊系和石炭系泥巖理化特性

圖1 石千峰組泥巖180倍電鏡掃描照片

圖2 石千峰組泥巖2556倍電鏡掃描照片

東勝氣田劉家溝組、石千峰組、和尚溝組及上石盒子組的砂泥巖互層十分薄弱，天然裂縫發(fā)育，同時極易造成誘導(dǎo)裂縫[3]。一旦發(fā)生漏失，大漏和失返性漏失占漏失井的比例相當大，達到了61.91%。而且劉家溝組的漏失壓力遠遠低于地層的正常破裂壓力梯度(當量密度1.4～1.8 g/cm3)，易漏區(qū)塊的劉家溝組的漏失壓力當量鉆井液密度僅0.96～1.08 g/m3。

綜合以上分析造成井壁不穩(wěn)定客觀上存在地層因素，主要有以下幾點。

(1)二疊系和石炭系中的泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層的層理發(fā)育、具有較多的微裂縫，濾液進入引起孔隙壓力升高，導(dǎo)致井壁剝落。

(2)地層密度窗口窄，不能夠建立力學(xué)平衡。

(3)因漏致塌，井筒鉆井液有效當量密度降低，薄弱層段力學(xué)垮塌，井漏處理時間長，泥巖層段浸泡時間長誘發(fā)垮塌遇阻卡。如：2015年有2口井井出現(xiàn)惡性漏失、2016年有1口井反復(fù)性漏失，處理時間較長，井壁失穩(wěn)、遇阻嚴重。

3 井壁穩(wěn)定機理研究

鉆井施工中，當形成井眼時，鉆井液液柱壓力代替了地殼運動時形成的構(gòu)造應(yīng)力。井壁失穩(wěn)是地層原地應(yīng)力狀態(tài)被破壞并且沒有形成新的有效的壓力平衡的結(jié)果。井壁受到的側(cè)向力沒有被井內(nèi)壓力所平衡，井壁會受到一個側(cè)向力作用。巖石受力增加到一定程度發(fā)生破壞，井壁失穩(wěn)隨之發(fā)生。井壁穩(wěn)定受多種因素影響，施工中受到多個力的共同作用。巖石在復(fù)雜受力條件下，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€受力方向，指向井眼方向的側(cè)向力和背向井眼的側(cè)向力。當鉆井液密度小于地層孔隙壓力，鉆井液液柱壓力無法平衡地層壓力，會誘發(fā)井涌甚至井噴[4]。當井內(nèi)壓力之和小于原始地層應(yīng)力時，井壁受到指向井眼方向的側(cè)向力作用，當作用力大于巖石的抗剪強度時，井壁會發(fā)生剪切破壞或蠕變失穩(wěn)，對應(yīng)的工程現(xiàn)象是坍塌掉塊或者縮徑，造成起下鉆困難。至于會產(chǎn)生哪種現(xiàn)象，則取決于巖石的力學(xué)特性。反之，當井內(nèi)壓力之和大于原始地層應(yīng)力時，井壁會受到背向井眼方向的側(cè)向力作用，井壁會發(fā)生拉張破壞，對應(yīng)的工程現(xiàn)象是井眼漏失[5-7]，由于巖石特性的不同可能是暫時性井漏，隨著側(cè)向力減小或消失而減小或消失；也可能是永久性井漏，進而發(fā)展成惡性漏失。

地殼運動會使地層沿斷層破裂面發(fā)生位移，出現(xiàn)褶皺或者斷裂帶。褶皺或者斷裂帶周圍巖石力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異[8-9]?？赡苁钱惓８邏海部赡苁钱惓５蛪?。如果這些褶皺或者斷裂帶存在于在同一裸眼段，地層原始應(yīng)力就會出現(xiàn)突變，施工到上述地層，前期施工的壓力平衡就會被破壞，如果沒有及時建立新的平衡則地層失穩(wěn)很可能發(fā)生。

同時，在實際施工中井內(nèi)壓力之和并不是一成不變的，隨著鉆井工況的變化，這個力會隨之變化。如果循環(huán)鉆進過程中，井內(nèi)的靜液柱壓力和循環(huán)壓耗可以平衡地層壓力，那么在停泵后循環(huán)壓力消失，靜液柱壓力無法平衡地層壓力導(dǎo)致井壁受到側(cè)向力作用。起鉆過程中的抽吸壓力進一步減少井內(nèi)壓力會導(dǎo)致側(cè)向力的進一步加大。所以同一地層受到的側(cè)向力的大小、方向會隨之變化。使井壁反復(fù)受到不同大小、方向的側(cè)向力作用，從而降低巖石的受力強度。一旦在同一裸眼段發(fā)生既垮又漏，使施工難度成倍增加。

鉆井施工中，必然有鉆井液濾液進入地層，對濾液敏感的泥頁巖在受到濾液的侵入后會改變巖石的膠結(jié)性降低地層的膠結(jié)強度[10-11]。膠結(jié)強度的降低會降低巖石的力學(xué)特性，從而誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

井壁穩(wěn)定性研究首先要確定鉆井液安全密度窗口。地層壓力包含地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力。關(guān)于地層孔隙壓力可以通過“單點預(yù)測模型”和“綜合模型法”計算獲得[12]。坍塌壓力計算最常用的是Mohr-Coulomb準則[13]，國內(nèi)的樓一珊等[14]專門就此問題作了比較詳細的討論。地層破裂壓力的預(yù)測區(qū)域更是先后提出了十多種地層破裂壓力的計算公式。

根據(jù)應(yīng)力場模擬計算得到東勝氣田五個主要目的層段的三個主應(yīng)力的大小，根據(jù)主應(yīng)力的合力計算鉆井液密度的上下限值，精確鉆井液安全窗口，指導(dǎo)鉆井施工。如表4、表5所示。

表4 計算井壁應(yīng)力分布的原始數(shù)據(jù)

4 井壁穩(wěn)定技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

東勝氣田內(nèi)劉家溝組泥頁巖孔隙度高、成巖差、顆粒間粘結(jié)力差、強度低，呈層理性分布，天然存在橫向裂縫、易受井筒液柱壓力刺激形成漏失通道，井漏風險大。并且易漏地層劉家溝組與易垮塌地層山西組處于同一裸露層段，安全密度窗口窄，個別區(qū)域存在負安全密度窗口。

4.1 井壁穩(wěn)定鉆井液措施

4.1.1 鉆井液配方及性能指標

一開使用強抑制無固相聚合物鉆井液開鉆，鉆進中使用0.2%～0.3%BLZ+0.5%～1%CMC+0.5%K-HPAN膠液補充維護。

二開采用低固相聚合物鉆井液。配方為：4%坂土漿+0.5%～0.6%BLZ+0.8%～1%NH4HPAN+0.5%～1%DS-302。鉆進過程中用0.3%～0.5%BLZ和0.6%～1%NH4HPAN+0.5%～1%DS-302，復(fù)配成膠液維護鉆井液性能。若鉆井液粘切過高，采用補充稀膠液或加入0.5%～1%NH4HPAN或添加0.5%～0.7%DS-302進行調(diào)整。造斜前按設(shè)計加量向鉆井液中一次性加入2%～3%超細碳酸鈣、2%～4%高軟化點乳化瀝青RHJ-3及降失水劑KJ-1。

表5 井壁應(yīng)力分布計算數(shù)據(jù)

三開前特作期間，使用二開鉆井液經(jīng)離心機不間斷處理并配置膠液調(diào)整處理，鉆進過程中用0.3%～0.5%BLZ和0.6%～1%KHPAN復(fù)配成膠，以細水長流的方式均勻維護，保持鉆井液中聚合物的含量，根據(jù)失水情況添加CMC、KJ-1等降失水劑。

各開次鉆井液性能指標見表6。

4.1.2 鉆井液維護措施

鉆井液性能維護需考慮：(1)抑制泥頁巖水化膨脹，最大限度避免因水化作用降低泥頁巖地層的巖石強度，避免井壁剝落坍塌，穩(wěn)定井壁；(2)提高鉆井液的封堵能力，降低因鉆井液滲入地層內(nèi)部而導(dǎo)致巖石力學(xué)強度下降的程度，以避免微裂縫連通形成惡性井漏；(3)提高鉆井液攜屑能力，滿足井眼凈化要求，以降低施工過程中的“激動”壓力，避免壓力“激動”破壞地層壓力平衡。

施工中，優(yōu)選土粉、高酸溶性磺化瀝青防止井壁失穩(wěn)，提高泥餅質(zhì)量，增強封堵性[15]。鉆進至劉家溝組、石千峰組易漏地層前開動所有固控設(shè)備徹底清除有害固相，對于固相高難以清除的，置換一部分新漿以降低有害固相含量，然后逐步混入預(yù)水化好的坂土漿，以控制鉆井液密度相對較低以減小鉆井液柱壓力引起的漏失，并一次性加足2%～3%超細碳酸鈣、2%～4%高酸溶磺化瀝青(或改性瀝青粉)及降失水劑，控制失水量5 mL以下。鉆進過程中使用BLZ和KHPAN控制地層造漿，避免鉆井液密度和粘度非正常升高，導(dǎo)致“激動”壓力升高。調(diào)整流型保持動塑比在0.35～0.48 Pa/(MPa·s)，用LV-CMC、KJ-1降低濾失量使之盡可能低，用超細碳酸鈣和瀝青類材料封堵地層，抑制泥頁巖水化導(dǎo)致的剝落掉塊。降低由于鉆井液的滲透導(dǎo)致的伊利石、蒙脫石的水化分解。

表6 鉆井液性能指標

在鉆至上石盒子組易塌泥巖前，充分利用離心機控制鉆井液中的固相含量，控制固相含量≯8%，加足封堵類材料及降失水劑，進一步降低API失水量，控制在4 mL以內(nèi)，及時逐步將鉆井液密度調(diào)整至1.18～1.20 g/cm3，以達到平衡高地應(yīng)力和減小向井徑內(nèi)應(yīng)變的目的。增加超細碳酸鈣及瀝青類處理劑的含量，使鉆井液能形成致密、堅韌的泥餅，使用等濃度聚合物膠液連續(xù)少量補充至循環(huán)鉆井液當中，鉆井液流變性能調(diào)整原則：“連續(xù)、穩(wěn)定、漸變”。流變值過低時，補充4%膨潤土漿、BLZ等聚合物，使?3(讀數(shù))>7。鉆進中及時補充超細碳酸鈣及瀝青類處理劑。若發(fā)現(xiàn)掉塊或者判斷出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，則加大瀝青加量，直到井內(nèi)恢復(fù)正常。對加重后的鉆井液除正常開動除砂器和除泥器外要定期開啟離心機以清除鉆井液中的有害固相，防止虛假泥餅的形成。

4.2 東勝氣田井壁穩(wěn)定工程防塌措施

對于井壁穩(wěn)定的要求，鉆井液性能是基礎(chǔ)保障，工程措施就是成敗關(guān)鍵，在鉆井施工中通過工程措施手段合理降低施工中的壓力“激動”變化同樣能降低地層壓力的破壞。工程手段主要有以下幾方面。

(1)加強鉆井施工過程中預(yù)測。詳細記錄參數(shù)變化、觀察振動篩返砂情況、鉆井液性能變化，通過鉆井參數(shù)的反映預(yù)測井內(nèi)狀況，及時發(fā)現(xiàn)、及早應(yīng)對。

(2)加強軌跡控制，在軌跡符合設(shè)計前提下，盡量不在泥巖段定向，保證井眼軌跡平滑。以免長時間沖刷井壁形成“大肚子”，避免因為井壁不規(guī)則造成巖屑返出困難，巖屑堆積會導(dǎo)致局部壓力過大，使井內(nèi)情況日趨嚴重，施工困難。

(3)避免在“雙石”界面泥巖段循環(huán)，鉆進時每打完一個單根劃眼1～2次。石千峰組、上下石盒子組地層棕紅、棕褐色泥巖脆弱，容易剝落掉塊，因此在“雙石”界面泥巖段需要快速穿越。

(4)在起鉆前增加鉆井液密度0.01～0.02 g/cm3。以抵消因為停止循環(huán)和起鉆產(chǎn)生的那部分循環(huán)壓耗和抽吸壓力。下鉆到底后小排量沖洗井底，小排量循環(huán)減少靜切力，影響逐漸恢復(fù)起鉆前鉆井液密度。

(5)改變巖屑在井壁下部分布情況，破壞巖屑床，改善井內(nèi)清潔情況。在直井段每鉆進300 m短起下一次，斜井段每100～150 m短起下一次，井斜較大時，密切關(guān)注振動篩返砂情況，根據(jù)返砂情況和鉆井負荷加密短程起下鉆次數(shù)。通過短起下及時清除井內(nèi)巖屑，破壞巖屑床，穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為營。

(6)根據(jù)各層位穩(wěn)定周期，結(jié)合通井、返砂情況，若通井時間超過穩(wěn)定周期且出現(xiàn)相應(yīng)層位掉塊，立即回填側(cè)鉆(防止浸泡-剝落-碰撞-浸泡惡性循環(huán))。

2016年在東勝氣田施工水平井比2015年增加5口井，井壁失穩(wěn)較2015年有所下降，參見表7。

表7 東勝氣田水平井井壁失穩(wěn)與往年對比

5 結(jié)論與建議

(1)2016年五普鉆井分公司在東勝氣田新開水平井23口，通過工程技術(shù)手段和鉆井液性能方面的優(yōu)化控制，混入新漿，降低鉆井液中固相含量、鉆遇泥巖時加足瀝青封堵劑、繼續(xù)施工加強固相控制等鉆井液處理手段，水平段鉆遇大段泥巖井下穩(wěn)定，有19口井二開井段泥巖穩(wěn)定，施工順利。由此可見井壁穩(wěn)定技術(shù)能有效地降低井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，能有效地保證鉆井施工的順利進行。

(2)通過實施井壁穩(wěn)定技術(shù)，對東勝氣田井壁穩(wěn)定起到了一定的效果，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大大降低，但是仍有部分井出現(xiàn)了泥巖垮塌現(xiàn)象。且井漏和井壁失穩(wěn)仍是東勝氣田多發(fā)的井下復(fù)雜，因漏致塌和因塌致漏現(xiàn)象仍有發(fā)生，如何解決防漏和防垮之間的矛盾是以后工作的重點。

(3)井壁穩(wěn)定需從鉆井液材料優(yōu)選、鉆井液性能優(yōu)化和工程技術(shù)措施綜合入手，不斷完善各項方案措施。針對東勝氣田易漏區(qū)塊出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)情況，要加強總結(jié)分析，開展室內(nèi)評價和現(xiàn)場跟蹤，探索新的防漏防塌技術(shù)途徑，通過鉆井液體系試驗繼續(xù)提高東勝氣田井壁穩(wěn)定性。

[1] 秦獻民,趙潤琦,路艷.中原老區(qū)井壁穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(2):28-30.

[2] 趙峰,唐洪明,孟英峰,等.微觀地質(zhì)特征對硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性影響與對策研究[J].鉆采工藝,2007,30(6):16-18.

[3] 孫慶春.東勝氣田劉家溝組井漏與堵漏措施分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(2):53-56.

[4] 崔杰,趙金海,孫正義，等.井壁穩(wěn)定性分析及應(yīng)用[J].石油工程技術(shù),2009,7(1):16-20.

[5] 郭春華.井眼應(yīng)力分布模擬及井壁穩(wěn)定性研究-以川西須家河組氣藏為例[D].四川成都：成都理工大學(xué)，2011.

[6] 徐濟銀.井壁穩(wěn)定性評價技術(shù)研究[D].山東青島：中國石油大學(xué)(華東)，2000.

[7] 陳秀榮.泥頁巖井壁穩(wěn)定性研究[D].湖北武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2009.

[8] 宋國奇，劉克奇.斷層兩盤裂縫發(fā)育特征及其石油地質(zhì)意義[J].油氣地質(zhì)與采收率，2009，16(4):1-3.

[9] 程遠方，沈海超，趙益忠，等.復(fù)雜斷塊構(gòu)造的地應(yīng)力場研究——以海拉爾盆地貝爾凹陷希3斷塊為例[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，23(5):15-20.

[10] 盧占國，李強，李建兵，等.頁巖儲層傷害機理研究進展[J].斷塊油氣田，2012，19(5)：629-633.

[11] Oort V E，Hale A H，Mody F K，et al.Transport in shale and the design of improved water-based shale drilling fluids[J].SPE Drilling & Completion，1996，(3)：137-146.

[12] 樊洪海.測井資料檢測地層孔隙壓力傳統(tǒng)方法討論[J].石油勘探與開發(fā)，2003,30(4)：72-74.

[13] 張保平,方競,丁云宏,等.用Mohr-Coulomb破壞準則預(yù)測最小水平主應(yīng)力的實驗方法[J].石油勘探與開發(fā),2003,30(6):89-91.

[14] 樓一珊,金業(yè)權(quán).巖石力學(xué)與石油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社,2006：51-59.

[15] 吳紀修,張永勤,梁健,等.羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗井工程井壁穩(wěn)定性分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(6):8-13.