塔中29井區(qū)糖葫蘆井眼產(chǎn)生原因及處理措施研究

徐力群，唐 斌，艾正青，劉原彬，袁中濤，劉忠飛，王衛(wèi)陽

(1中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院2西南石油大學(xué))

塔中29井區(qū)鉆井目的層為奧陶系一間房組碳酸鹽巖，在鉆井過程中所遇到的地層從上至下有新近系、白堊系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系和奧陶系［1］。三疊系底和二疊系段容易發(fā)生井徑擴(kuò)大，產(chǎn)生糖葫蘆狀井眼［2］。糖葫蘆狀井眼表現(xiàn)出的工程征兆主要有［3］:①鉆井液返速低，巖屑容易在該處堆積，從而導(dǎo)致起鉆或者接單根困難;②起鉆遇阻后，在上提下放過程中阻卡點(diǎn)不固定;③容易蹩泵，從而可能壓漏地層。糖葫蘆狀井眼形成后不僅對(duì)鉆井施工存在影響，而且對(duì)于后期固井過程中套管居中度［4－5］、水泥漿環(huán)空頂替效率［6］等產(chǎn)生不利影響。

因此本文利用塔中29井區(qū)ZG291－2井以及鄰井?dāng)?shù)據(jù)研究了糖葫蘆井眼形成機(jī)理和預(yù)防處理措施，為順利鉆進(jìn)和提高固井質(zhì)量提供一定的參考。

一、擴(kuò)徑形成機(jī)理

ZG291－2井設(shè)計(jì)井深為6 120 m，在二開鉆進(jìn)過程中采用?241.3 mm鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，在三疊系底和二疊系井段時(shí)經(jīng)常發(fā)生起下鉆困難。

通過二開中完井徑數(shù)據(jù)(圖1)，可以發(fā)現(xiàn)在該井段存在明顯的糖葫蘆井段，并且由A和B兩段大肚子構(gòu)成。結(jié)合鉆井情況和地質(zhì)錄井等資料分別分析了A段和B段大肚子產(chǎn)生的原因。

圖1 ZG291－2糖葫蘆井段

1．A段大肚子

A段大肚子井眼位于井深3 420～3 520 m，地層巖性主要為褐色泥巖、灰質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖。鉆進(jìn)過程中采用密度為1．37 g/cm3KCl－聚磺鉆井液體系，鉆井液其他性能見表1所示。

表1鉆井液性能參數(shù)

在研究過程中，通過對(duì)比地層巖性和實(shí)測(cè)井徑擴(kuò)大率情況發(fā)現(xiàn)褐色泥巖擴(kuò)徑率普遍較大，有些井段甚至高達(dá)40%，擴(kuò)徑較為嚴(yán)重。

為了進(jìn)一步確定各種不同顏色泥巖水化膨脹性能，通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)［7－9］，如果泥巖中蒙脫石或者伊蒙混層含量較高，泥巖容易水化膨脹，即泥巖在水中容易分散或者吸水量較大。因此在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中，選取了三疊系底和二疊系不同顏色的泥巖巖屑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其吸水率見圖2。

圖2不同泥巖吸水率情況研究

在實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)不同顏色的泥巖接觸到清水后，褐色泥巖很快就破碎分散，具有很強(qiáng)的造漿性。浸泡4 h后，褐色泥巖表現(xiàn)出較大的吸水率。因此認(rèn)為該段大肚子主要是由于褐色泥巖水化膨脹產(chǎn)生。

2．B段大肚子

B段大肚子井眼主要位于井深3 540～3 680 m處，地層巖性主要為褐色泥巖、粉砂巖、凝灰?guī)r和玄武巖。其產(chǎn)生機(jī)理除了褐色泥巖的水化膨脹以外還包括黑色玄武巖垮塌失穩(wěn)，本節(jié)重點(diǎn)分析了黑色玄武巖垮塌失穩(wěn)機(jī)理。

2．1玄武巖破碎

玄武巖在成巖和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下自身帶有裂縫，當(dāng)在帶有裂縫的玄武巖中鉆進(jìn)時(shí)由于鉆井液的浸入，鉆井液潤滑作用降低了玄武巖之間的摩擦力，從而導(dǎo)致玄武巖地層容易掉塊［10］。

2．2鉆具振動(dòng)

國內(nèi)外研究人員研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于非水化膨脹性地層，鉆具振動(dòng)對(duì)井壁失穩(wěn)能夠產(chǎn)生重要影響［11－13］。因此利用文獻(xiàn)［14－15］中數(shù)據(jù)計(jì)算了本井鉆進(jìn)過程中鉆具對(duì)井壁產(chǎn)生力的大小和影響。

在玄武巖地層鉆進(jìn)時(shí)，近鉆頭處鉆鋌的直徑為?196.85 mm，單位長度鉆鋌的重量為1 800 kg/m，加速度取值為80 g(g=9．81 m/s2)，則該段鉆鋌對(duì)井壁的作用力為14 126．40 N，該作用力作用在標(biāo)準(zhǔn)巖心柱上產(chǎn)生的應(yīng)力為27 MPa，如果作用在井壁上的鉆鋌有0．1 m，那產(chǎn)生的應(yīng)力有270 MPa，而玄武巖在圍壓為20 MPa時(shí)其抗壓強(qiáng)度為207 MPa［2］，鉆鋌振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力大于玄武巖的抗壓強(qiáng)度，因此在該作用力下玄武巖很可能會(huì)破裂而發(fā)生失穩(wěn)掉塊。

2．3玄武巖自重的影響

在研究玄武巖地層井徑變化情況時(shí)發(fā)現(xiàn)在塔中29井區(qū)所鉆遇玄武巖地層伴生一定厚度的凝灰?guī)r，而夾在凝灰?guī)r之間的玄武巖往往擴(kuò)徑比較嚴(yán)重，在最下端的玄武巖擴(kuò)徑卻不是很厲害，見表2所示。

凝灰?guī)r在鉆井液的浸泡過程中容易發(fā)生分散［10］，從而導(dǎo)致其上端的玄武巖失去有效支撐，在自身重力作用下容易導(dǎo)致玄武巖地層發(fā)生失穩(wěn)。而下部玄武巖由于受到底部巖石的有效支撐，從而降低了玄武巖自重對(duì)其失穩(wěn)的影響。

表2塔中29井區(qū)玄武巖地層擴(kuò)徑率

二、處理措施

1．褐色泥巖地層

為了較好的說明對(duì)于該段地層泥巖的處理措施，采用鄰井井徑數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，ZG291－1井泥巖存在一定擴(kuò)徑，但是在玄武巖地層，由于鉆井液造壁性能好，濾餅對(duì)玄武巖形成有效保護(hù)，減少了玄武巖掉塊，節(jié)約了短起下時(shí)間。因此建議在該段鉆進(jìn)時(shí)泥巖段可以容許適當(dāng)垮塌，重點(diǎn)是防止玄武巖地層垮塌掉塊。

2．玄武巖地層

2．1加強(qiáng)鉆井液對(duì)火成巖地層的封堵性

在統(tǒng)計(jì)ZG291－2井二開起鉆次數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉆穿玄武巖地層后再起鉆過程中經(jīng)常有掛卡現(xiàn)象，并且循環(huán)過程中返出巖屑內(nèi)含有黑色玄武巖掉塊。

通過該統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，該井在鉆進(jìn)過程中其鉆井液在玄武巖地層沒有形成較好的濾餅，失去徑向支撐力的玄武巖地層容易發(fā)生垮塌。但是鄰井ZG291－1井在玄武巖地層段形成了良好的濾餅，從而導(dǎo)致玄武巖地層處井徑小于鉆頭直徑(圖3)，證明了鉆井液具有良好的封堵性，防止了玄武巖地層的垮塌，節(jié)約了起下鉆時(shí)間。

圖3 ZG291－1井火成巖段井徑曲線

2．2優(yōu)化鉆井施工參數(shù)減少鉆具振動(dòng)對(duì)玄武巖地層作用力

鉆穿火成巖后利用錄井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比分析了29井區(qū)鉆時(shí)變化情況，這兩口井鉆穿火成巖時(shí)均采用DBS鉆頭廠家的SF系列鉆頭，其中ZG291－1井采用直徑為?241.3 mm型號(hào)為SH56VH3鉆頭，ZG291－2井采用的是直徑為?241.3 mm型號(hào)為SF55H3鉆頭。

表3鄰井玄武巖地層鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)比

通過分析發(fā)現(xiàn)，ZG291－1平均鉆時(shí)快于ZG291－2井(表3)，在火成巖鉆進(jìn)過程中鉆壓對(duì)鉆時(shí)的影響較大，因此建議在鉆遇火成巖的過程中可以采用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行鉆進(jìn)。

2．3增加短起次數(shù)保證上部地層井眼通暢

通過對(duì)比ZG291－2和ZG291－1短起次數(shù)和時(shí)間，見圖4，圖5。

圖4 ZG291－2井短起下次數(shù)和時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖5 ZG291－1井短起下次數(shù)和時(shí)間統(tǒng)計(jì)

發(fā)現(xiàn)ZG291－2井在鉆遇火成巖之前共起鉆3次，其中2次是為驗(yàn)證井眼，并且每次花費(fèi)的時(shí)間均較長，而鄰井ZG291－1井在鉆遇火成巖之前起鉆了8次，其中5次是驗(yàn)證井眼，每次起鉆或者短起所花費(fèi)的時(shí)間均較短。通過對(duì)比可知在鉆遇火成巖之前必須嚴(yán)格按照鉆井設(shè)計(jì)，堅(jiān)持每300 m短起一次，修整上部井眼，保證火成巖上部井段通暢，為玄武巖的掉塊提供良好的通道。

三、結(jié)論

(1)對(duì)于整個(gè)糖葫蘆井段，可以容許褐色泥巖段適當(dāng)可控的坍塌，重點(diǎn)應(yīng)該防止玄武巖地層的垮塌。

(2)糖葫蘆井段A段大肚子產(chǎn)生的原因主要是由于褐色泥巖中伊蒙混層比較高，遇水后容易水化膨脹，從而導(dǎo)致井壁垮塌失穩(wěn)。

(3)糖葫蘆井段B段大肚子產(chǎn)生的原因是由多方面產(chǎn)生的，其中工程因素包括鉆具振動(dòng)、鉆井液的浸入以及玄武巖自重的影響。

(4)對(duì)于糖葫蘆狀井眼，應(yīng)以預(yù)防為主，在預(yù)防的過程中主要是控制鉆井液濾失量和加強(qiáng)其封堵性，并且要根據(jù)實(shí)際地層情況優(yōu)化鉆井參數(shù)，減少鉆具振動(dòng)等對(duì)其的影響。