四川盆地火山巖鉆井難點與對策

譚 瑋 羅成波 齊從麗 彭紅利

中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院

0 引言

火山巖是指巖漿冷卻后（地殼噴出的巖漿，或者被融化的現(xiàn)存巖石）成形的一種巖石，常見有凝灰?guī)r、玄武巖、流紋巖、安山巖、輝綠巖等，此類巖石較為堅硬，鉆進時易出現(xiàn)鉆速低、井漏、井塌等問題，對鉆井工程影響較大。洛帶構造永勝1井是一口初探直井，完鉆井深6 982 m，在二疊系鉆遇火山巖巖體，巖性為火山角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖，夾薄層泥晶灰?guī)r[1]。為了實現(xiàn)二疊系火山巖氣藏的有效開發(fā)，需要解決如何更好地封固火山巖以上的復雜壓力體系、如何高效且安全地鉆完火山巖地層、如何克服孔洞、裂縫發(fā)育地層的嚴重井漏等難題。分析原因認為峨眉山玄武巖巖性成分差異性大，且非均質性強，同時孔、洞、裂縫發(fā)育，受鉆井液浸泡影響大，部分井段坍塌壓力大于地層孔隙壓力導致井壁失穩(wěn)。因此，以巖石力學參數(shù)預測模型、三壓力剖面為基礎，以安全、快速鉆進為目標，形成了復雜壓力系統(tǒng)火山巖鉆井技術方案，對于推進四川盆地火山巖的勘探開發(fā)具有重要意義。

1 二疊系火山巖主要鉆井技術難點分析

1）深部地層壓力系統(tǒng)復雜，火山巖鉆進安全密度窗口窄?；鹕綆r埋深大于6 000 m，上部地層壓力體系復雜，峨眉山玄武巖地層鉆進中發(fā)生多次氣侵、高壓鹽水侵，2次加重才壓穩(wěn)地層，井身結構設計、鉆井液密度選擇以及安全鉆進面臨挑戰(zhàn)。

2）火山巖地層巖石可鉆性差。峨眉山玄武巖組地層巖性復雜，層厚，研磨性強[2]；永勝1井在該層段使用鉆頭8只，機械鉆速僅1.21 m/h。

3）地層易漏失，且漏層承壓能力不高。峨眉山玄武巖屬于硬碎性地層，對液柱壓力敏感；實鉆過程中鉆遇裂縫性漏失，累計漏失鉆井液135.38 m3，通過2次橋堵才恢復鉆進。

4）井壁穩(wěn)定差。峨眉山玄武巖地層破碎、滲透性好，易引起卡鉆；后期在電纜測井時遇卡，導致電纜拉斷；下尾管接立柱過程中發(fā)生粘卡現(xiàn)象。

5）儲層保護困難?；鹕綆r巖性復雜，裂縫發(fā)育，裂縫不僅是油氣運移成藏的主要通道，也是鉆進中造成漏失的重要原因；角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖等裂縫性地層的儲層保護難度大[3-4]。

2 火山巖工程地質力學特征分析

2.1 巖石力學實驗評價

對永勝1井峨眉山玄武巖組（巖心）進行了全巖分析、常規(guī)物性測試、三軸力學實驗以及抗拉強度試驗[5]。結果表明峨眉山玄武全巖礦物主要以普通輝石（平均38%）為主，斜長石、白云石、方解石、鉀長石等為輔，其黏土礦物平均為14.4%。黏土主要以綠泥石為主，大部分高于60%，并夾雜大量的綠/蒙混層。巖石密度平均2.546 g/cm3，孔隙度平均值為18%；滲透率介于0.04～21.2 mD，孔隙度與滲透率存在正相關關系，但相關性較差，表明巖石物性受裂縫影響明顯[5]。同時巖石硬度受鉆井液浸泡影響較為明顯。三軸抗壓結果其內聚力平均為15.75MPa，內摩擦角平均為30.98°。巖心抗拉強度平均為4.20 MPa（表1）。

表1 峨眉山玄武巖組巖石抗拉強度測試結果表

2.2 力學參數(shù)特征

根據預測模型，利用測井數(shù)據，建立巖石力學特征剖面，統(tǒng)計數(shù)據如表2所示，其特征如下：①各參數(shù)隨著埋深的增大而增大，巖石強度按陸相、峨眉山玄武巖組、海相順序依次增大；②各參數(shù)值與聲波時差、巖石密度相關性好；③陸相地層力學性質較海相穩(wěn)定；④峨眉山玄武巖的巖石力學參數(shù)差異性大，巖石非均質性強。

表2 永勝1井巖石力學剖面統(tǒng)計表（平均值）

2.3 井壁穩(wěn)定性

剖面顯示全井段坍塌壓力<孔隙壓力<破裂壓力（圖1），井眼坍塌概率小，井壁較穩(wěn)定。本井段鉆井無明顯坍塌、卡鉆等復雜情況，平均井徑擴大率符合設計標準。

1）破裂壓力：峨眉山玄武巖組平均破壓梯度3.08 MPa/100 m；海相巖石強度>峨眉山玄武巖組>陸相，海相、峨眉山玄武巖組破裂壓力急劇升高，陸相平均破壓梯度2.40 MPa/100 m、海相平均破壓梯度3.21 MPa/100 m；永勝1井峨眉山玄武巖組6380～6 432 m實施酸化壓裂，井口壓力83 MPa時，排量微小，幾乎沒壓開地層。

2）坍塌壓力：壓力高值區(qū)與擴徑段對應性較好，6 478～6 500 m井段擴徑較大，預測該井段坍塌壓力1.76 MPa/100 m，微大于地層孔隙壓力。

3）孔隙壓力：峨眉山玄武巖以上地層壓力系數(shù)介于1.0～1.8MPa/100 m，其中雷口坡組的地層壓力系數(shù)為1.1～1.3 MPa/100 m，峨眉山玄武巖壓力系數(shù)1.8～2.0 MPa/100 m。

圖1 永勝1井三壓力剖面圖

3 鉆井提速對策

3.1 井身結構優(yōu)化

井身結構設計對鉆井提速影響很大[6]。四川盆地初探井永勝1井采用新型超深井鉆頭程序：一開采用?444.5 mm鉆頭鉆至蓬萊鎮(zhèn)中部；二開采用?333.4 mm鉆頭鉆完上部陸相地層，封過雷四段頂部風化殼破碎地層；三開采用?241.3 mm鉆頭鉆至峨眉山玄武巖頂部；四開采用?165.1 mm鉆頭鉆穿峨眉山玄武巖；五開鉆達地質要求井深。

從實鉆情況來看，二開井眼尺寸大，為?333.4 mm，裸眼井段長，共3 622 m。因此井眼清潔難度大，起下鉆阻卡頻繁，多次進行長距離劃眼。故對上部地層的井身結構進行了改進：加深導管下深建立淺層井控，加深一開?444.5 mm的井眼深度，以縮短二開裸眼段長，有效封閉陸相地層；同時減小二開井眼尺寸，改為?320 mm井眼，便于陸相地層提速；三開采用?241.3 mm鉆頭，進入峨眉山玄武巖頂部，卡準儲層，有利于四開采用?165.1 mm鉆頭進行目的層專層專打，最后下入?139.7 mm襯管完井[7-8]。

3.2 難鉆地層高效破巖工具優(yōu)選

3.2.1 基于地層可鉆性鉆頭選型

依據前述火山巖巖石力學參數(shù)的建立，火山巖巖石抗壓強度203 MPa±，可鉆性級值8～9級，研磨性5～6級。因此在鉆頭技術上要求掌背、牙齒、保徑耐磨性好，從工藝上需要強化金剛石保徑及掌背；峨眉山玄武巖中角礫、玄武巖發(fā)育，因此要求鉆頭加強軸承保護及穩(wěn)定性，布齒防崩、斷；巖石抗壓強度大要求鉆頭能與提速工具有效配套，鉆頭具有滾滑復合軸承及高溫密封脂，以達到提速技術的要求[9]。根據以上要求，從國內二疊系火山巖鉆頭應用效果來看，尖錐齒PDC鉆頭及混合鉆頭能夠滿足硬碎地層的鉆進要求，提速效果是牙輪鉆頭的3.2倍[10-11]。

3.2.2 高效輔助破巖工具優(yōu)選

旋沖鉆井工具在川西地區(qū)馬深1井四開井段進行了應用，旋沖工具進尺333.84 m，平均機械鉆速2.86 m/h，創(chuàng)二開井段單只鉆頭最高機械鉆速（除空氣泡沫鉆外），同層位與螺桿＋PDC鉆頭對比，鉆進進尺提高了68.62%，純鉆時間延長55.67%，平均機械鉆速提高了8.33%。

等壁厚螺桿與普通螺桿鉆具相比，單級輸出扭矩提高了近4倍[12-15]。在川東北元壩101-1H井進行了應用，四開直井段使用等壁厚螺桿配合PDC鉆頭鉆進，總進尺1 130.18 m，純鉆時間273.83 h，平均機械鉆速4.13 m/h，創(chuàng)下單只鉆頭進尺最多和機械鉆速最高兩項新指標，提高機械鉆速的同時有效地縮短了鉆井周期。

依據使用壽命匹配優(yōu)選適合的配套動力鉆具，形成2套針對峨眉山玄武巖組的配套方案（表3）。

表3 火山巖難鉆地層鉆井提速技術配套方案表

3.3 保護儲層鉆井液技術

3.3.1 防塌鉆井液

針對火山巖地層井壁穩(wěn)定需要，在常規(guī)聚磺鉆井液基礎上進一步強化抑制封堵性能，優(yōu)化形成了強抑制強封堵聚磺鉆井液。除了常規(guī)的抑制劑外，增加了抑制性能優(yōu)良的聚胺抑制劑；封堵材料方面同樣選用了多樣化封堵劑，包括常規(guī)的超細碳酸鈣和新型防塌劑成膜封堵劑、納米封堵劑、封縫即堵劑，通過多種抑制劑和封堵劑的相結合，可提高儲層保護效果和井壁穩(wěn)定能力[16-18]。

3.3.2 防漏堵漏技術

主推“以防為主、防堵結合”的技術思路：在進入目的層前加入隨鉆防漏材料，可有效封堵微小裂縫，達到降低漏失率的目的；發(fā)生較大漏失以橋漿堵漏為主，對較大裂縫可實現(xiàn)大縫變成小縫，減少漏失損失；若漏點較多，選用酸溶率較高的堵漏劑；若反復漏失則采取擠堵方式，以提高地層承壓能力[19]。

在防漏材料上優(yōu)選具有架橋能力的高酸溶率的SRD系列，能在裂縫壁面之間形成卡縫，使裂縫從縫變?yōu)榭?；瀝青粉、細顆粒碳酸鈣為主的填充材料，用于封堵大顆粒材料架橋后形成的微小孔隙，進一步形成致密而堅實的封堵層；以纖維、QP-1等為主的纖維狀材料，可鑲嵌在大顆粒橋堵材料中，提高架橋結構的穩(wěn)固性并以此提高地層的承壓能力；具有快速堵漏效果的高濾失堵漏材料由滲濾性材料、纖維狀材料、硅藻土、多孔惰性材料、增強劑等復合而成，其能在壓差作用下變稠形成濾餅，繼而壓實堵塞漏失通道，達到快速堵漏的效果，堵漏劑的濾失量越大，濾失速度越快，堵塞的形成就越迅速，主要有DTR、HHH堵漏劑等。

當儲層壓力較高時，侵入地層的鉆井完井液可通過壓力返排出來；而當?shù)貙訉儆诔?、低壓油氣藏時，單靠壓力返排一般不能獲得較高的滲透率恢復率，此時必須采用酸化增產作業(yè)。因此，裂縫暫堵劑的酸溶率也是必須考察重要因素之一。當儲層發(fā)生井漏后，需采用酸溶性堵漏材料。所選用封堵材料的鹽酸酸溶率普遍大于80%，有利于后期酸化解堵[20]。

4 應用效果

永探1井針對二疊系火山碎屑巖發(fā)育、儲層好、厚度大等施工難題，量身定制了油氣層保護鉆井液施工方案，并從施工管理、工具優(yōu)選、鉆井液體系3個方面進行升級，于2018年6月29日開鉆，11月13日鉆至井深5 749 m完鉆，鉆井周期137天，采用導管＋三開制井身結構（圖 2）。

施工管理方面，整個生產周期實現(xiàn)零組停，對比精益鉆井計劃，周期節(jié)約85.26 d。工具優(yōu)選方面，采用復合鉆頭＋井下動力鉆具＋最優(yōu)鉆井參數(shù)，僅用3只復合鉆頭29 d鉆穿須家河組，平均機械鉆速達到3.3 m/h，僅第三開的鉆井周期就縮短33 d；另外，在目的層峨眉山玄武巖鉆進過程中，氣測顯示明顯，氣漏同存，考慮在加強快速鉆進與風險預防措施并舉的基礎上，采用精細控壓技術取芯施工，有效降低了井下風險，采取了精細控壓固井工藝，一次性確保?177.8 mm尾管固井成功，固井質量合格率91.5%。在鉆井液體系方面，既要能進行強封堵，維護井壁穩(wěn)定，防止垮、卡、漏的井下復雜發(fā)生，又要防止、減少鉆井液固體顆粒濾液堵塞儲氣層的孔隙加重油氣層的污染，針對性采取防塌水基鉆井液體系，同時24 h連續(xù)監(jiān)測，及時調整流變性，定期補充防塌處理劑，為連續(xù)高效鉆進創(chuàng)造了條件。

5 結論與建議

1）通過初探井火山巖深井鉆井資料，明確了鉆井技術難點；在火山巖工程地質力學特征分析的基礎上，提出了適用于四川盆地火山巖鉆井提速和儲層保護技術。

圖2 實鉆井身結構圖

2）二疊系火山巖超深井采用目的層專層專打的井身結構，有效提高儲層的鉆探，能夠滿足現(xiàn)場安全鉆井的需要?；鹕綆r井段適合采用旋沖工具或等壁厚螺桿復合鉆進；多種抑制劑和封堵劑的相結合，可提高儲層保護效果和井壁穩(wěn)定能力；井漏多是由裂縫、孔洞原因造成，采用“以防為主，防堵結合”的技術思路，優(yōu)化形成了強抑制強封堵聚磺防漏鉆井液。

3）繼續(xù)優(yōu)化該井段的鉆井參數(shù)，提高峨眉山玄武巖的鉆進速度，減少起下鉆，縮短鉆井液浸泡時間，防止井壁垮塌，為后期管柱下入提供良好的井筒條件。