深探井井壁穩(wěn)定關鍵技術(shù)分析

胡勇科，馬驍，馬海云

中國石油冀東油田分公司 監(jiān)督中心（河北 唐山063299）

冀東油田的高尚堡、南堡2號構(gòu)造等區(qū)塊東三段、沙河街組的中深地層發(fā)育硬脆性泥巖、油頁巖、碳質(zhì)泥巖等特殊巖性，微裂縫發(fā)育，氣測顯示活躍，2019年在鉆遇該層段時，對其認識不清，受多種因素影響，NP2-56、NP2-46等4口井出現(xiàn)掉塊、劃眼、井塌等井壁失穩(wěn)問題，井徑擴大率超標，測井時間長、損失大，不僅影響鉆井安全，也影響鉆完井速度的提高，成為影響油田快速勘探的技術(shù)瓶頸。開展深探井井壁穩(wěn)定關鍵技術(shù)分析，能夠為油田中深層的快速勘探開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 井壁失穩(wěn)機理

鉆開地層之后，鉆井液濾液浸入地層改變了深層硬脆性泥巖原有的物理化學平衡環(huán)境，黏土礦物產(chǎn)生水化膨脹，孔隙壓力增大，削弱了井筒內(nèi)液柱壓力對井壁的有效支撐，導致泥巖強度降低[1]。硬脆性泥巖發(fā)育微裂縫、微孔隙，為滲透水化提供了通道。在鉆井正壓差、毛細管力等驅(qū)動力的作用下，自吸水現(xiàn)象明顯，加速微裂縫開啟、內(nèi)應力降低，導致泥巖水化膨脹、剝落掉塊[2]。井塌與井漏相互作用，鉆井正壓差產(chǎn)生尖劈效應導致井壁周圍巖石強度降低，引起崩落或掉塊，發(fā)生井壁失穩(wěn)。

2 井壁失穩(wěn)因素分析

調(diào)查分析預探井鉆井復雜事故發(fā)現(xiàn)，2019年施工的4口井深超過4 000 m的深探井鉆了7個井眼全部發(fā)生井壁失穩(wěn)問題[3]。其中，NP2-56井原眼與側(cè)鉆井眼均發(fā)生井塌，被迫提前完鉆；G66X9井完鉆后，無法通井到底，只能減少油層套管下深[4]；NP5-82C1井井眼2井塌2次，分別劃出新井眼、井塌打水泥塞側(cè)鉆，井眼3鉆進至4 525 m完鉆，短起下、通井過程中發(fā)生井塌，先后應用光鉆頭、小鉆頭、劃眼工具等通井，劃眼困難、卡鉆風險高，只能劃眼至4 157 m，被迫對上部井段測井，最后填眼報廢[5]；以上3口井因井塌累計報廢進尺3 846 m。NP2-46井因井壁失穩(wěn)造成井眼質(zhì)量差，完井測井儀器卡死、穿心打撈1次。完鉆后，通井12次、測井11次，用時50.1 d，才完成常規(guī)測井項目與井壁取心施工。NP2-56、NP2-46、G66X9、NP5-82C1的井徑擴大率分別為23.6%、27.0%、31.4%與18.2%，均超過設計要求。4口井因井壁失穩(wěn)損失時長141.1 d。

2.1 地質(zhì)因素

冀東油田南堡2號構(gòu)造等區(qū)塊的東三段至沙河街組地層發(fā)育硬脆性泥巖、凝灰?guī)r等特殊巖性，黏土礦物總量較高，以伊蒙混層和伊利石為主，水化膨脹性強，儲層縫洞、微裂縫發(fā)育，氣孔杏仁狀構(gòu)造常見，易誘發(fā)井壁失穩(wěn)。NP2-56井原眼劃眼井段4 518～4 533 m、側(cè)眼4 024 m，均為Ed3碳質(zhì)泥巖[6]。G66X9井Es地層發(fā)育硬脆性泥巖，Es34亞段4 638～4 900 m發(fā)育約94 m油頁巖，層理明顯，易剝落。通過對NP2-60井巖樣切成薄片進行掃描電鏡分析，發(fā)育孔徑4～160 nm微裂縫。中深地層含氣泥巖井段多，地層破碎，存在氣液置換，導致鉆井液濾液浸入，引發(fā)井壁失穩(wěn)。NP2-46、NP5-82C1井Es砂泥巖互層，氣測顯示活躍[7]。鉆遇CO2發(fā)生污染，處理不及時，導致鉆井液流變性、泥餅質(zhì)量發(fā)生惡化，引起ECD（當量循環(huán)密度）升高、井壁封堵能力變差，誘發(fā)后續(xù)的劃眼困難、井漏等復雜。G66X9井鉆進過程中CO2含量1%～2.4%。NP5-82C1井眼3鉆進過程中，氣測錄井監(jiān)測到CO2含量0.8%～1.5%且持續(xù)30 h?，F(xiàn)場采用保守方法：加入NaOH調(diào)整pH、HAS控制鉆井液黏切，導致完鉆后井漿性能惡化，井塌、劃眼頻繁卡鉆，被迫填眼棄井。

2.2 鉆井液密度

1）密度偏低。根據(jù)鄰井資料預測NP2-56井地層坍塌壓力系數(shù)，東三段最高為1.25，沙一段最高為1.40，而設計的鉆井液最高密度1.41 g/cm3。施工中，NP2-56原井眼與側(cè)鉆井眼分別將鉆井液密度提高至1.42g/cm3、1.44 g/cm3，均無法維持井壁穩(wěn)定，發(fā)生井塌事故。NP2-46、G66X9井完鉆后，通井過程中，井壁失穩(wěn)；G66X9井通井劃眼過程中，密度提高了0.04 g/cm3。

2）地應力影響。深層大斜度井井眼受地層應力影響大，易發(fā)生井壁失穩(wěn)，剝落的掉塊堆積會堵塞井眼，導致劃眼困難，并引發(fā)卡鉆事故。通過地應力分析，大井斜高角度地層坍塌壓力比直井或小井斜定向井大幅度增高，為井壁失穩(wěn)的主要原因。南堡5-82C1井3個垮塌井眼方位均在295°～302°（第四象限），分析井眼方位與主應力方位夾角對井壁失穩(wěn)存在的影響。NP2-56兩個井眼、NP5-82C井眼2井斜均大于60°，井內(nèi)壓力無法有效支撐井壁，失穩(wěn)而井塌。

3）ECD波動大。NP2-46、G66X9、NP5-82C1三口井鉆進施工正常，在起鉆或者短起下過程中發(fā)生井壁坍塌，在起鉆過程中井底ECD降低導致井壁失去物理平衡而坍塌。NP2-56井在復雜井段實鉆中ECD值達到1.49，起下鉆、鉆進過程中鉆井液密度1.40 g/cm3；NP5-82C井眼2在復雜井段實鉆中ECD值達到1.57，施工過程中鉆井液密度1.48 g/cm3；ECD與密度差值均達到0.09。實鉆的鉆井液密度偏低，未能建立有效力學平衡，造成井壁失穩(wěn)。NP2-46井鉆進至4 959 m以后，每次起下鉆到底循環(huán)時氣測全烴值高達99%，持續(xù)時間30～40 min，環(huán)空壓力下降，也誘發(fā)了井壁失穩(wěn)。

2.3 鉆井液因素

1）鉆井液封堵、防塌效果不好。探井要求鉆井液控制6級以內(nèi)熒光，現(xiàn)場出現(xiàn)井塌跡象以后再被迫放寬熒光限制。另外，受環(huán)保等因素制約，深層大斜度井鉆井液中未混入原油或瀝青類材料，或加入不足，導致鉆井液封堵、防塌效果差。NP2-46、G66X9井三開上部井段鉆井過程中未加入高效封堵材料，造成井眼質(zhì)量差，后續(xù)施工困難。另外，現(xiàn)場使用的超細鈣、白瀝青、FT-3000等封堵材料的粒徑屬于微米級，對納米級微裂縫不能形成有效封堵，不能有效阻止濾液浸入。

2）控制電阻率，影響鉆井液抑制能力。為了測核磁共振等資料，地質(zhì)設計要求鉆井液電阻率不低于0.4Ω·m/18℃，加入鉀鹽的質(zhì)量有限，導致鉆井液抑制能力不足。鉆井液轉(zhuǎn)型時若未加足鉀鹽，打鉆過程中，鉆井液坂土含量升高，取消電阻率控制后，也無法加入足量鉀鹽，影響鉆井液防塌性能。

3）鉆井液性能波動大。NP2-46井鉆井液攜巖能力不足，鉆進期間動塑比0.30～0.33，（偏低）。NP2-46井中途放漿、置換調(diào)整熒光；NP2-56、G66X9、NP5-82C1等井漏多次、劃眼期間憋漏，堵漏次數(shù)多，堵漏材料多，新漿補充量大，造成鉆井液性能不穩(wěn)定。

2.4 工程措施因素

1）鉆井參數(shù)有待優(yōu)化。NP2-46井在4 959 m處理氣侵循環(huán)7 h；4 942～4 973 m卡層鉆進循環(huán)13 h；沒有采取優(yōu)化排量措施，一直使用30 L/s。NP5-82C1井眼2鉆進劃眼過程中個別參數(shù)不合理，轉(zhuǎn)速、排量偏高，鉆井液黏切高，循環(huán)阻力大，不同工況下井筒壓力不穩(wěn)定，在交變應力的作用下增大了硬脆性泥巖地層井壁失穩(wěn)的幾率。

2）井眼軌跡控制難度大。井斜大、穩(wěn)斜段長，施工難度大，造成鉆井周期長，井眼長時間浸泡，易發(fā)生失穩(wěn)。G66X9井三開裸眼段長達2 470 m，3 987 m后進入穩(wěn)斜段（48.4°），實鉆過程中穩(wěn)斜困難，基本每柱定向鉆進4～9 m，導致軌跡不好，容易形成巖屑床。NP2-46定向鉆進時脫壓、鉆時慢，進一步加重鉆井液對井壁的沖刷，造成不規(guī)則井眼。NP2-56、NP2-46與G66X9的三開井段平均井徑擴大率嚴重超標，分別為23.6%、27%與31.4%。

3）操作不當導致井筒壓力不穩(wěn)定。頻繁起下鉆循環(huán)措施不當，容易對井壁造成掛碰、壓力激動沖擊和沖刷旋轉(zhuǎn)破壞，不僅誘發(fā)井壁失穩(wěn)，還造成交錯的凹凸井眼，井徑擴大率超標，增大巖屑返出難度，增加劃眼、卡儀器等一系列鉆井施工風險。NP2-56井因定向儀器沒信號、頻繁起下鉆引起井內(nèi)壓力波動，誘導了凝灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖等破碎易塌地層的井壁失穩(wěn)。

2.5 鉆井液浸泡時長

1）復雜事故多，浸泡時間長，不利于井壁穩(wěn)定。G66X9井在4 641 m進行第3次鉆井取心時卡鉆，泡解卡漿解卡。隨后在4 951～5 123 m鉆進過程中，起下鉆困難、劃眼。下鉆通井8次，完成鉆輸測井施工。下鉆開泵、劃眼期間憋漏5次，漏失122 m3。NP2-46井因井徑不規(guī)則，井眼不清潔，完井測井時儀器遇卡、穿心打撈1次。完鉆后，下鉆通井12次、測井11次，僅完成常規(guī)項目測井與井壁取心施工。以上兩口井完井周期分別達49.29 d與72.29 d，鉆井液浸泡時間長，不利于井壁穩(wěn)定。

2）井漏與井塌并存，處理難度大。NP2-56發(fā)生井壁失穩(wěn)后，通井下鉆劃眼至4 024 m發(fā)生卡鉆，泡解卡漿近2 d，反復活動鉆具才解卡，對井壁傷害嚴重；替解卡漿過程中漏失91 m3，均加劇了井壁垮塌。NP5-82C1井眼3側(cè)鉆至4 525 m完鉆，短起下至技套，期間出現(xiàn)阻卡，下鉆至4 350 m遇阻，卡鉆多次，劃眼到底。第一次通井在4 197～4 525 m起下鉆困難，多次卡鉆。CO2污染加劇后，下入光鉆頭通井劃眼至4 194 m，劃眼困難，期間井漏2次。隨后下入小鉆頭、劃眼工具通井，只能劃眼至4 157 m，被迫對上部井段測井，最后填眼棄井。以上問題影響鉆井安全，延長井眼浸泡時間，加劇了井壁失穩(wěn)。

3 井壁穩(wěn)定關鍵技術(shù)

針對鉆井現(xiàn)場施工難題，開展深探井井壁失穩(wěn)分析，根據(jù)鉆井液物理-化學-力學協(xié)同防塌基本原理，形成“優(yōu)化設計—封堵固結(jié)—抑制水化—力學支撐—減少浸泡—工程措施配合”，六大關鍵技術(shù)協(xié)同預防井壁坍塌，并在現(xiàn)場進行應用。

3.1 優(yōu)化設計要求

綜合考慮施工難度、軌跡控制難易、進尺、井壁穩(wěn)定和注采工藝要求等因素，降低井斜角、優(yōu)選井眼軌道剖面。在保證安全鉆進的條件下，簡化井身結(jié)構(gòu)，減少技套下入深度。充分考慮深層井壁不穩(wěn)定的因素，優(yōu)化地質(zhì)要求，超前解決施工問題，減少鉆井取心、取消電阻率控制，放寬熒光限制等（表1）。

表1 2020年深探井設計優(yōu)化

3.2 提高鉆井液防塌效果

1）優(yōu)化流變參數(shù)，減小ECD同時減小對井壁的沖刷。做好鉀鹽抗高溫鉆井液轉(zhuǎn)型，加入8%KCl、5%抗高溫降濾失劑、1%FT-3000、0.6%DSP等，調(diào)整好流型，形成堅韌、致密的泥餅。日常以加膠液均勻維護，控制良好流變性，井斜較大（＞40°）的深井，若黏度＜50 s，對井壁沖刷嚴重；黏切過大（＞75s），會造成抽吸和激動壓力過大，憋漏地層。提高鉆井液的動塑比0.4～0.6，控制φ6≥8、φ3≥4，有利于攜帶巖屑。根據(jù)震動篩巖屑返出情況及拉力、扭矩、泵壓等參數(shù)變化，判斷井眼清潔情況，避免環(huán)控巖屑過多、ECD過大，壓漏地層。

2）強化封堵固結(jié)能力，阻緩壓力傳遞和濾液浸入。針對東三段至沙河街地層泥巖、凝灰?guī)r等微裂縫發(fā)育情況，應用多級封堵材料，快速、有效地封堵微裂縫，減少壓力傳遞，阻緩坍塌壓力上升。加入適合地層較大孔隙的超低滲、白瀝青、FT-3000等，實現(xiàn)有效封堵；同時，復配加入2%膠束劑、3%固壁劑等微納米封堵材料，對微裂隙進行有效封堵，提高地層承壓能力，阻止濾液浸入地層，穩(wěn)固井壁。引進仿生固壁劑、雙疏納米封堵劑及乳液微球封堵劑，在井下與井壁巖石相互作用，形成牢固、致密的“仿生殼”，提高巖石顆粒間內(nèi)聚力，實現(xiàn)封堵、抑制、固化、井眼強化的目的。

3）提高抑制能力，減小地層巖石的水化膨脹壓力。進入Ed3地層之前，加足6%～8%抗高溫降失水劑，控制鉆井液API失水量＜4 mL、HTHP失水量＜12 mL，有效減少鉆井液濾液浸入地層；聯(lián)合應用8%鉀鹽與1%～2%聚胺，降低鉆井液的活度并提高抑制能力，減小水化應力，防止水化膨脹而導致巖石強度降低造成的井壁失穩(wěn)。

3.3 建立有效力學支撐

合理控制鉆井液密度（推薦Ed3地層密度為1.35 g/cm3，Es1地層密度為1.40 g/cm3，Es3地層密度為1.45 g/cm3），對井壁建立有效的力學支撐，保持井壁穩(wěn)定。在不發(fā)生井壁失穩(wěn)的條件下，采用低密度鉆井液可以降低過大壓差引起自吸水導致的裂縫尖劈效應，有利于井壁穩(wěn)定。①按照每周0.02 g/cm3幅度逐步加重、防止加重過程中壓漏地層；②鉆遇易漏層提高密度，先做承壓實驗，確保上部地層不被壓漏；③加強隨鉆壓力監(jiān)測，逐步調(diào)整密度，避免長時間浸泡發(fā)生垮塌。

3.4 縮短鉆井液浸泡時長

1）推廣成熟鉆井工具、工藝。優(yōu)選非平面齒高效PDC鉆頭、水力振蕩器、單開次一趟鉆等先進工藝，促進鉆井提速。

2）合理調(diào)整鉆井參數(shù)?？刂婆帕?8～32 L/s，轉(zhuǎn)速80 r/min，提高機械鉆速的同時，攪動巖屑，輔助井眼清潔。復雜井段選用常規(guī)鉆具，控制好穩(wěn)斜段軌跡，保證井下安全。

3）預防復雜事故。開展鉆井工程風險預測，制定針對性施工方案，細化措施，嚴格落實，做好實鉆分析與預測，降低事故復雜影響，縮短鉆井周期。

4）CO2污染后處理對策。關注氣測組份變化，及時發(fā)現(xiàn)CO2；合理調(diào)整鉆井液密度，減少CO2侵入。以小型實驗為指導，確定處理劑加量。向井漿中加入CaO，降低被污染鉆井液的黏度切力。加密檢測并加入燒堿，控制pH值在10～12；加入降黏劑和降濾失劑，調(diào)整好鉆井液的流變性、失水等性能。若CaO過量，鉆井液中的鈣離子濃度增大，黏度切力急劇上升，應采用適量的純堿進行中和處理。

5）落實好防漏堵漏措施。砂礫巖、微裂縫發(fā)育的泥巖或火山巖、斷層容易發(fā)生井漏。鉆進至易漏井段前30～50 m，加入2%超細鈣、1%～1.5%單封等隨鉆防漏材料，提高鉆井液防漏能力；短起下，清潔、驗證上部井眼；降低鉆進參數(shù)，排量為28 L/s，轉(zhuǎn)速為50 r/min。井漏發(fā)生后，準確判斷漏失位置，應用“復合橋堵+彈性材料”方法堵漏。

3.5 優(yōu)化配套工程措施

1）促進鉆井提速。應用高效螺桿鉆具、水力振蕩器等鉆井技術(shù)，提高定向鉆進效果，加快鉆井速度，縮短浸泡時長。避免淺層造斜時井眼曲率過大和深層扭方位、調(diào)井斜，減少在不穩(wěn)定地層定向，控制軌跡圓滑。復雜井段優(yōu)選常規(guī)鉆具，配合短鉆鋌和欠尺寸扶正器，提高穩(wěn)斜效果，保證井下安全，從而實現(xiàn)鉆井提速。

2）改進循環(huán)措施。鉆進、起下鉆過程中減少鉆具對井壁的機械碰撞。在頂通、卡層、測斜等情況下循環(huán)時，避免長時間定點循環(huán)，避開易塌井段，減少“大肚子”等不規(guī)則井眼的形成。同時減少起下鉆次數(shù)，并控制速度。起鉆要灌好鉆井液，下鉆做好分段循環(huán)、緩慢開泵等細節(jié)，采用5 L/s排量頂通0.5 h，再逐步提高排量，每循環(huán)10 min提高5 L/s，避免開泵過猛發(fā)生憋漏。更換鉆具組合后下鉆要小心，遇阻嚴禁帶螺桿劃眼，必要時優(yōu)化鉆具進行通井，劃眼操作要小心，防止出新眼。

4 實施效果

1）2020 年在4口深探井鉆井施工中應用井壁穩(wěn)定關鍵技術(shù)，加快了鉆井速度，提高了生產(chǎn)時效，取得較好效果。4口深探井鉆井、測井施工順利，測井項目完成率提高；井徑比較規(guī)則、平均擴大率僅為4.8%～15.3%。2020年深探井的井壁失穩(wěn)率明顯減少，未發(fā)生井塌、填眼側(cè)鉆事故，僅發(fā)生劃眼2井次，測井遇卡1井次。

2）與2019年井深相近的同類型井相比，2020年施工井的平均機械鉆速提高到112.14%；生產(chǎn)時效提高了1.08%；平均鉆井周期縮短了22.34 d；完井周期縮短了23.06 d（表2～表4）。

表2 2019年4口深探井施工指標

表3 2020年4口深探井施工指標

表4 深探井施工井鉆井指標對比

5 結(jié)論與建議

1）東三段至沙河街地層發(fā)育砂泥巖互層與泥頁巖、凝灰?guī)r等特殊巖性，硬脆性泥巖易水化剝落，凝灰?guī)r等破碎膠結(jié)差、微裂縫發(fā)育，是導致井壁失穩(wěn)的內(nèi)在因素。

2）深探井井壁穩(wěn)定關鍵技術(shù)包括優(yōu)化井眼軌跡設計與放寬地質(zhì)要求、應用多級材料物理封堵與化學膠結(jié)劑封固井壁、有效力學支撐和提高鉆井液的抑制能力，完善鉆井配套措施，縮短地層浸泡時長，以實現(xiàn)穩(wěn)定井壁目標。

3）開展地應力研究，分析井眼方位與主應力方位夾角對井壁失穩(wěn)影響，進一步優(yōu)化該井區(qū)新井的井位坐標、井斜角和方位角。同時，加強地層傾角與井眼軸線夾角對井壁穩(wěn)定影響研究，根據(jù)井斜、井眼大小，提高大井斜下的地層坍塌壓力的預測精度，從而為鉆井液性能、工程措施提供參考。