木參1井輝綠巖地層井壁失穩(wěn)分析及防塌措施

王子涵，趙志斌，王介坤

（1.中海石油有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司，天津300452；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

1 地質(zhì)工程概況

木參1井是木壘北凹陷第一口井，也是一口重點參數(shù)井，位于準噶爾盆地東部隆起，主探二疊系，兼探石炭系，鉆探目的是了解木壘北凹陷各層系地層、儲層、烴源巖發(fā)育特征及含油氣特點。該井原設(shè)計井深1860m，?244.5mm技術(shù)套管下深1450m，封過二疊系（梧桐溝組、平地泉組、將軍廟組、金溝組），三開設(shè)計鉆遇地層為石炭系六棵樹組、石錢灘組。實鉆時，二疊系缺失將軍廟組、金溝組，石炭系缺失六棵樹組、石錢灘組，鉆過二疊系平地泉組之后直接進入石炭系巴塔瑪依內(nèi)山組（下稱巴山組）凝灰?guī)r，于1680m下入?244.5mm技術(shù)套管。由于地層變化，根據(jù)新的地質(zhì)情況，決定加深鉆探至2800m，預(yù)測鉆遇地層為巴山組（底深2180m）和姜巴斯套組（2800m，未穿）。預(yù)測巴山組巖性以凝灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、火山角礫巖、玄武巖為主，姜巴斯套組以中砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖、凝灰?guī)r、玄武巖為主。62km遠的鄰井鉆遇巴山組，但未鉆遇姜巴斯套組。

木參1井加深鉆至井深2085.53m，發(fā)生井塌填埋鉆具，只能提前完鉆，沒有達到加深鉆探的目的。三開實鉆巖性：1686～1802m為凝灰?guī)r，夾炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖、火山角礫巖；1802～2036m為輝綠巖（加深井段未預(yù)測鉆遇該巖性），夾安山質(zhì)玄武巖；2036～2085m為玄武巖。

2 復(fù)雜情況

三開設(shè)計鉆井液密度1.05～1.15g/cm3，主要針對原設(shè)計巖性砂泥巖、凝灰?guī)r、砂礫巖等，實際起始鉆井液密度1.10g/cm3。2013年7月5日，木參1井在1802m進入輝綠巖，8日鉆至1880.96m時，鉆井液密度1.10g/cm3，粘度55s，上提鉆具遇卡，隨后鉆具落井，解卡后循環(huán)出大量掉塊，掉塊直徑最大達到10cm，主要為輝綠巖。劃眼過程中鉆具再次脫扣，處理之后劃眼至1879m發(fā)生裂縫性井漏，繼續(xù)劃眼鉆至1906.37m，又出現(xiàn)大掉塊并卡鉆。解卡后劃眼、鉆進，密度升至1.17g/cm3，粘度由120s提至180s。鉆進至1969.53m接單根上提卡鉆，密度1.22g/cm3，粘度126s。解卡后劃眼、鉆進，密度加重至1.24g/cm3。下鉆至井深1642.00m（技術(shù)套管內(nèi)）開泵憋漏。劃眼、鉆進至2054.54m卡鉆，解卡后循環(huán)劃眼返出大量掉塊，邊劃眼邊鉆進至2085.53m卡鉆，密度1.27g/cm3，粘度145s。采取各種措施仍無法取得良好效果，于9月12日完鉆，完鉆時鉆井液密度1.30g/cm3，粘度300s，靜切力17.0Pa/33.5Pa，濾失量2.5mL。該井鉆遇輝綠巖后60h發(fā)生井塌，至被迫完鉆共鉆進283m，耗時69d，期間井塌（劃眼）多次、井漏（1次上部凝灰?guī)r裂縫）4次、卡鉆5次、鉆具落井3次。

3 井壁失穩(wěn)原因

輝綠巖屬于火成巖的侵入巖，其井壁失穩(wěn)的實質(zhì)是力學(xué)不穩(wěn)定，具體來講主要包括地質(zhì)力學(xué)因素、物理化學(xué)因素和鉆井工程因素等。后2個因素最終是因為影響井壁應(yīng)力分布和井壁巖石力學(xué)性能而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

3.1 地質(zhì)力學(xué)因素

木參1井輝綠巖的主要成巖礦物為較穩(wěn)定的輝石和不穩(wěn)定的基性斜長石，具明顯的嵌晶含長結(jié)構(gòu)，部分斑晶綠泥石化，個別長石高嶺土化，致密性脆、裂縫發(fā)育，裂縫多被方解石充填，含少量硅化凝灰?guī)r。粘土含量少，粘土水化效應(yīng)對井壁巖石力學(xué)強度及井壁穩(wěn)定性較弱，但輝綠巖裂縫發(fā)育，微觀裂縫（0.6～3.2μm）細而短，貫通性差，細觀裂縫（0.05～0.3mm）少數(shù)為無充填張開縫，且細觀裂縫相互交割，連通性好。現(xiàn)場鉆井液浸泡作用對輝綠巖基巖（無裂縫）巖體力學(xué)強度影響較小，而裂縫的發(fā)育程度對輝綠巖力學(xué)參數(shù)影響明顯，這與輝綠巖裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)相關(guān)。裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)及裂縫滲流，也就是微裂縫的存在，是輝綠巖地層井壁巖石垮塌的主要影響因素[1]。另外，該井下部地層處于強應(yīng)力作用下[2]，也是造成井塌、卡鉆的原因之一。

3.2 鉆井液物理化學(xué)因素

鉆井過程中，若鉆井液不能對地層裂隙形成有效封堵，鉆井液沿裂隙進入裂縫面，巖石沿裂縫面的滑動阻力降低，巖石強度下降，可導(dǎo)致地層坍塌壓力增加，從而誘發(fā)井塌[3]。此外，雖然粘土含量少，粘土水化效應(yīng)對井壁巖石力學(xué)強度及井壁穩(wěn)定性較弱，但若隨著浸泡時間的增加，井壁也會出現(xiàn)垮塌掉塊。此時，若鉆井液攜巖能力達不到要求（掉塊尺寸往往較大），則無法及時清潔井底，更易誘發(fā)卡鉆、劃眼等井下復(fù)雜情況。

3.3 鉆井工程因素

（1）鉆井液密度偏低。原設(shè)計密度是針對砂礫巖、凝灰?guī)r、細砂巖等，鉆遇輝綠巖地層并發(fā)生井壁失穩(wěn)后，沒有及時提高密度以平衡地層坍塌壓力。該井自井深1802m鉆遇輝綠巖，鉆井液密度1.08g/cm3，發(fā)生第1次坍塌時井深1880.96m，密度1.10g/cm3，僅用時2.5d；鉆至1960m，密度升至1.20g/cm3，接通知允許密度提高到1.25g/cm3，已過去29d；最后1次卡鉆時密度1.27g/cm3，處理復(fù)雜情況時密度才升至1.30g/cm3。

（2）鉆井液處理欠妥當。鉆遇輝綠巖之前，鉆井液的中封堵類、抑制類、土粉等材料明顯不足，應(yīng)該加入的材料沒有添加，如設(shè)計中的封堵防塌提高地層承壓能力的雙膜承壓劑。坍塌后，處理措施也存在問題，若開泵憋漏地層等。

（3）粘度偏低。發(fā)生卡鉆、劃眼時，鉆井液粘度介于40～130s，且鉆鋌位于輝綠巖井段；在破碎性、裂隙發(fā)育的地層鉆進時，鉆井液粘度過低，環(huán)空返速超過臨界返速，鉆井液形成紊流，對本就封堵效果不好的井壁易產(chǎn)生更加明顯的水力沖蝕作用。當井壁的沖刷力超過浸泡后的巖石強度時，井壁必然坍塌。

（4）鉆具碰撞井壁。輝綠巖裂隙發(fā)育、破碎，使用轉(zhuǎn)盤鉆進，因地層傾角較大，不可避免造成井斜角過大（1425m時井斜角5.46°，三開未測），鉆鋌在井下受壓，轉(zhuǎn)速過高，扶正器等旋轉(zhuǎn)碰撞井壁，從而加速井塌。

（5）對輝綠巖的復(fù)雜性認識不足。認為其與上部凝灰?guī)r地層一樣，坍塌的可能性不大。

4 技術(shù)對策

4.1 鉆井液密度優(yōu)選

木參1井地層預(yù)測壓力見圖1，可以看出：加深段石炭系地層孔隙壓力系數(shù)1.03～1.15，屬常壓，破裂壓力系數(shù)2.03～2.15（由于裂縫、裂隙存在，明顯不準確），坍塌壓力未提供。

圖1 木參1井地層壓力預(yù)測剖面

木參1井位于博格達山北側(cè)約5km，根據(jù)東西向（圖2）、近南北向（圖3）地震剖面，地層傾角15°～20°，發(fā)育多套大斷層，且斷距較大，處于山前構(gòu)造帶，地層破碎，構(gòu)造應(yīng)力、坍塌壓力較高。如柴1HF[4]井和米泉1[5-6]井位于天山山前構(gòu)造帶，前者導(dǎo)眼段（壓力系數(shù)1.15）鉆井液密度超過1.48g/cm3，后者（最高壓力系數(shù)1.63）由于井眼坍塌，填井側(cè)鉆后鉆井液密度達到1.90g/cm3，但仍無法控制，不得不提前完井，沒有鉆達地質(zhì)目的。

木參1井是該區(qū)的第一口井，鉆遇同層位井相距也有62336m遠。2008年施工的古城1井位于木參1井291°，離博格達山較遠，不屬于山前構(gòu)造帶，鉆遇巴山組，是否鉆遇輝綠巖未知；在其巴山組上盤（753.2～2559m），下入技術(shù)套管時鉆井液密度1.10～1.37g/cm3，在巴山組下盤（3406～3600m），密度1.40～1.42g/cm3，盡管下盤3459.38m發(fā)生2次滲漏，累計漏失密度1.41～1.40g/cm3的鉆井液43.7m3，但井壁穩(wěn)定。

按照古城1井下盤1.25～1.31MPa/100m的隨鉆壓力梯度和使用的鉆井液密度類推，為保證井下安全，木參1井起始密度不能低于1.30g/cm3，最高限至在1.45g/cm3左右；該值是否一定安全，需要根據(jù)巖石力學(xué)測定確定。

由于木參1在輝綠巖段出現(xiàn)問題，之后部署的木壘1、木壘2（圖3）不鉆輝綠巖段。木壘1井深2200m，巴山組主要為玄武巖，密度1.24g/cm3；木壘2井深3300m，巴山組主要為玄武巖、安山巖，密度1.25g/cm3，盡管掉塊不斷，但順利完鉆。塔里木盆地順北奧陶系桑塔木組由于發(fā)育有裂縫的輝綠巖（埋深5890～7420m，厚度23～98m不等）巖體強度低，綜合考慮水化效應(yīng)、裂縫滲流效應(yīng)及裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)等因素，輝綠巖地層坍塌壓力當量密度為1.85g/cm3[1]。

圖2 木參1井東西向地震解釋剖面

圖3 木壘凹陷近南北向地震解釋剖面

4.2 封堵劑優(yōu)選

在鉆井過程中，對井壁微孔隙、微裂縫建立強封堵以提高地層承壓能力，保證鉆井液密度升高后不會發(fā)生漏失，防止弱膠結(jié)、破碎性地層垮塌和剝蝕掉塊，避免或減少鉆井液固相和液相侵入儲層導(dǎo)致油氣層損害。

4.2.1 物理封堵

評價封堵劑的封堵效果采用常規(guī)的常溫常壓濾失儀，去掉濾紙（更接近井下實際狀況，因為剛鉆開地層時，鉆井液與地層巖石接觸沒有濾膜）測試API濾失量（圖4）。試驗配方：常規(guī)鉆井液+1%封堵劑。封堵性實驗濾網(wǎng)展示見圖5。從圖5可以看出，添加非滲透處理劑和單向壓力封閉劑的鉆井液幾乎全部濾出，而使用雙膜承壓劑的封堵效果最好，幾乎沒有鉆井液濾出。泥餅封堵強度達到提高密度不會發(fā)生漏失、完井固井水泥漿返井口或設(shè)計高度不會漏失（在壓力90MPa、溫度300℃的高溫高壓動態(tài)多功能評價實驗儀上30MPa不漏失）。國內(nèi)其它同類處理劑的承壓能力沒有達到28MPa，大部分產(chǎn)品幾個兆帕即發(fā)生漏失。

圖4 不加濾紙的API濾失量封堵實驗

圖5 封堵性實驗濾網(wǎng)展示

雙膜承壓劑主要包含具有多種形狀的惰性材料和起化學(xué)作用的活性礦物材料2種組分。其主要作用機理：表面活性材料迅速覆蓋在井壁巖石、砂子、粘土表面，使其不水化，保持原始孔隙；在正壓差的作用下高強度惰性材料封堵井壁孔隙；活性劑在鉆井液中被激活，對井壁巖石、砂子、粘土進行封固（類似水泥性質(zhì)），形成強度極高的封堵層。雙膜承壓劑在正壓差下才能發(fā)揮作用，特別適用于井壁不穩(wěn)定、地層壓力系數(shù)低、塌漏并存、固井泥漿易漏失的長裸眼井段。目前，該處理劑已在川東北毛壩4、清溪1[7]及勝利油田車66井區(qū)[8]應(yīng)用，效果良好。

4.2.2 化學(xué)封堵

雙膜承壓劑、瀝青類及聚合醇類封堵型防塌劑主要通過物理作用穩(wěn)定井壁，而硅酸鹽主要通過化學(xué)作用（包括自身的化學(xué)膠凝反應(yīng)及其與粘土礦物、鈣鎂離子等化學(xué)反應(yīng)）封堵微裂縫和孔喉，穩(wěn)定井壁。硅酸鹽鉆井液體系已比較成熟，其最大特點是井壁穩(wěn)定性好，對微裂縫和孔隙性漏失地層的“封固”和“封堵”作用特別有效。在泥頁巖及破碎、裂縫性地層，利用硅酸鹽的特性可以起到封堵防漏、防塌的作用，如在川東北裂縫性地層毛壩2井[9]、塔河油田石炭系泥頁巖地層T904井[10]應(yīng)用，取得良好效果。

4.3 工程技術(shù)措施

（1）依據(jù)地層坍塌壓力確定鉆井液密度，其中應(yīng)考慮地層裂隙對坍塌壓力的影響。

（2）鉆井液中添加充足的封堵劑和降濾失劑，提高其微裂縫封堵能力、潤滑性能和護壁能力。

（3）由于要兼顧含泥巖的其它巖性，選用強抑制性鉆井液，增強鉆井液對易水化、膨脹和分散地層的抑制性，降低濾失量。

（4）盡可能地提高環(huán)空返速和鉆井液粘度、切力，保證攜帶出較大的塌塊，同時環(huán)空鉆井液保持層流，減少對井壁的沖蝕。

（5）減小起下鉆抽吸、激動壓力，盡量降低鉆柱振動，減少其對井壁的破壞。

（6）使用動力鉆具，井底近鉆頭處鉆具轉(zhuǎn)動，上部鉆柱不旋轉(zhuǎn)，減少鉆柱與井壁的碰撞。

（7）將雙膜承壓劑的物理封堵與硅酸鹽的化學(xué)封堵、固結(jié)、抑制作用相結(jié)合，配合無水聚合醇、白瀝青、超細碳酸鈣等實現(xiàn)強封堵與強抑制，選用硅酸鹽承壓鉆井液。其基本配方：1%膨潤土+0.1%黃原膠+0.1%高分子包被抑制劑+0.8%～1.0%低粘聚陰離子纖維素+0.8%～1.0%高粘聚陰離子纖維素+1%～2%天然高分子降濾失劑+0.5%無水聚合醇+2%無熒光白瀝青+1%雙膜承壓劑+1%～2%超細碳酸鈣+3%～5%硅酸鹽+0.8%氫氧化鈉。其它處理劑包括適量的碳酸鈉、加重劑、堵漏劑、降粘劑等。鉆井液性能要求：密度1.30～1.45g/cm3；漏斗粘度200～250s；API濾失量不大于3mL；泥餅厚度0.5mm；靜切力（10～20Pa)/(25～40Pa）；pH 值 11.0～12.5；含砂量小于0.5%；固相含量16%～22%；泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)小于0.1；動切力20～30Pa；塑性粘度30～40mPa·s；動塑比0.5～1.0；膨潤土含量10～30g/L。

5 幾點認識

（1）木參1井輝綠巖地層粘土礦物含量不高，但裂隙發(fā)育和破碎，裂縫相互交割，連通性好。輝綠巖富含微裂縫是誘發(fā)井壁巖石垮塌失穩(wěn)的關(guān)鍵，并且微裂縫間力學(xué)強度遠低于輝綠巖基巖力學(xué)強度，井壁巖石容易沿裂縫面滑移垮塌，且坍塌壓力極大。

（2）由于對輝綠巖的復(fù)雜性認識不足，鉆井液密度難以平衡地層坍塌壓力，且鉆井液封堵性不強，粘度過低，環(huán)空存在紊流沖蝕和機械碰撞，導(dǎo)致木參1井井壁失穩(wěn)。

（3）解決輝綠巖地層失穩(wěn)的有效方法是以物理防塌為主，結(jié)合化學(xué)防塌穩(wěn)定地層，同時使用強封堵、強抑制性能的硅酸鹽承壓鉆井液，提高鉆井液的封堵能力，降低鉆井液沿裂縫的滲透，提高鉆井液對井壁的有效支撐作用，并加強工程技術(shù)措施。

（4）國內(nèi)外專家學(xué)者對火成巖的玄武巖、凝灰?guī)r、安山巖等噴發(fā)巖穩(wěn)定性研究較多，對淺侵入巖的輝綠巖研究較少。但在新的區(qū)塊鉆遇易失穩(wěn)的輝綠巖需要經(jīng)過一段時間的摸索才能摸索出適合的鉆井液體系，究其原因是對輝綠巖地層失穩(wěn)機理仍無清晰的認識。從根本上解決該問題需要對其失穩(wěn)機理進行更深入的研究，達到鉆前預(yù)測或近鉆頭實時預(yù)測，保證井壁穩(wěn)定。

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