Y151區(qū)塊水平井地層坍塌鉆井技術(shù)分析

祝傳增，董孟坤，孔璐琳

（1.中國(guó)石油國(guó)際勘探開發(fā)有限公司中油阿克糾賓油氣股份公司，北京 100034；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

作為在Y151區(qū)塊開鉆的第一口水平井Y151-平6井，該井在二開施工定向鉆進(jìn)過程中，在井壁穩(wěn)定性較差的青山口組及泉頭組，發(fā)生井壁剝落和坍塌復(fù)雜情況，最終提前完鉆。為避免此類鉆井復(fù)雜情況重復(fù)發(fā)生，為保證第二口水平井Y151-平3井鉆井施工安全，將該井由水基鉆井液體系變更為油基鉆井液體系，但是該井同樣在青山口段及泉頭段出現(xiàn)第一口水平井相同復(fù)雜情況，不得不提前完鉆成棄井。

不同程度的井壁失穩(wěn)、井壁剝落和坍塌復(fù)雜情況，既影響鉆井速度，又影響固井質(zhì)量。第三口Y151-平7水平井吸取了Y151-平3井油基鉆井液施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，制定了詳細(xì)的施工預(yù)案及油基鉆井液操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，最終保證了該井的順利完鉆。

通過對(duì)Y151-平3井及Y151-平7井地層巖性、井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、定向工藝及鉆井液性能評(píng)價(jià)等多種途徑，深入分析Y151-平3井坍塌情況并結(jié)合成功完鉆Y151-平7井特點(diǎn)，探討了青山口層段失穩(wěn)坍塌原因，為本區(qū)塊后續(xù)鉆進(jìn)控制井壁失穩(wěn)提供了現(xiàn)場(chǎng)施工依據(jù)。

1 Y151區(qū)塊地層及鉆井液設(shè)計(jì)情況

1.1 鉆遇地層基本情況

Y151井區(qū)位于肇源鼻狀構(gòu)造上，整體表現(xiàn)為南高北低的單斜構(gòu)造。由深至淺構(gòu)造格局基本一致，具有良好的繼承性，地層傾角2.0°～5.3°左右，變化相對(duì)較緩。該區(qū)鉆遇的地層自上而下依次為第四系、第三系泰康組、上白堊統(tǒng)明水組、四方臺(tái)組、嫩江組、姚家組、青山口組及下白堊統(tǒng)泉頭組地層。主要產(chǎn)油層為扶余油層，扶余油層屬下白堊統(tǒng)泉頭組地層。布井區(qū)地層變化較小，較為穩(wěn)定。

本區(qū)塊鉆遇層巖性描述：下白堊統(tǒng)青山口組一段以黑色泥巖為主，夾灰黑、黑色泥巖，質(zhì)純性脆，含介形蟲化石。與下伏地層呈整合接觸。下白堊統(tǒng)泉頭組紫紅、灰綠色泥巖與綠灰色泥質(zhì)粉砂巖互層并夾一薄層黑褐色含油粉砂巖，下部為灰綠、紫紅色泥巖與綠灰、紫灰色泥質(zhì)粉砂巖互層。

1.2 兩井鉆井液設(shè)計(jì)基本情況

結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及歷年來探井對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行分析，在鉆井過程中鉆井液密度控制在1.10～1.20g/cm3可平衡地應(yīng)力。表1為Y151-平3井和Y151-平7井在二開鉆進(jìn)中鉆井液設(shè)計(jì)情況表。

表1 轉(zhuǎn)盤螺桿鉆具切割鉆孔實(shí)際指標(biāo)

表1 兩口井鉆井液設(shè)計(jì)基本情況

2 Y151-3井坍塌過程及鉆井工程分析

2.1 Y151-3井坍塌過程

2014年10月12日當(dāng)鉆至2003m時(shí)進(jìn)行短起下，鉆具組合為：?215.90mmPDC鉆頭×0.35m+?172.00mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器×8.08m+?172.00mm浮閥×0.60m+?159.00mm無磁鉆鋌×9.32m+?127.00mm加重鉆桿×27.47m+?127.00mm鉆桿×1497.06m+?127.00mm加重鉆桿×316.8m+?127.00mm普通鉆桿。短起下過程中在井段1720～1840m段出現(xiàn)了卡阻現(xiàn)象，垂深為1569～1607m，起鉆過程中向井筒補(bǔ)充鉆井液補(bǔ)不進(jìn)去。開始進(jìn)行劃眼通井，在出現(xiàn)卡阻井段劃眼過程中有大約1m3青山口黑色泥巖剝落塊返出，見圖1，剝落塊形狀棱角分明，直徑2～5cm。

圖1 第1次遇阻建立循環(huán)后返出的塌塊

遇阻出現(xiàn)剝落塊后為平衡井壁和有利于塌塊返出，將比重提至1.25g/cm3，粘度提至100s后繼續(xù)施工鉆進(jìn)。直至2014年10月25日鉆至2579m，從表2可以看出，Y151-平3井全井鉆進(jìn)過程中，雖然嚴(yán)格執(zhí)行了水平井鉆井工藝要求，但還是出現(xiàn)了6次遇阻遇卡事故，期間共劃眼通井6次。多次在劃眼過程中常有憋泵現(xiàn)象發(fā)生，常進(jìn)行劃眼井段為1710～1780m，振動(dòng)篩篩布上出現(xiàn)大量新剝落塊，巖性多為青山口黑色泥巖，大拇指左右大小，棱角分明與無棱角剝落塊均有，直徑2～5cm，同時(shí)有大量細(xì)砂返出。最后1次劃眼過程中，只能劃至1780m，證明該井在1780m以上發(fā)生了坍塌，只能提前完鉆。

表2 Y151-平3井造斜段及水平段鉆進(jìn)過程起鉆統(tǒng)計(jì)表

最后1次劃眼過程中，考慮會(huì)因?yàn)樘裥D(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具事故發(fā)生，將鉆具組合更改為：?215.9mm牙輪鉆頭+?127.00mm加重鉆桿×27.47m+?210.00mm螺扶×1.86m+?127.00mm鉆桿×1497.06m+?127.00mm加重鉆桿×316.8m+?127.00mm普通鉆桿。最終該井只能劃至1780m，證明該井在1780m以上發(fā)生了坍塌，只能提前完鉆。

2.2 從鉆井工藝方面分析坍塌原因分析

從表3可以看出，在造斜段定向鉆進(jìn)過程中井深1729.07m處出現(xiàn)狗腿過大的情況，這是造成起下鉆出現(xiàn)遇阻遇卡的原因之一。Y151-平3井鉆進(jìn)過程中，在第1次出現(xiàn)剝落塊后，在起下鉆速度過快形成激動(dòng)壓力被迫進(jìn)行倒劃眼起鉆過程引起坍塌的原因之一。全井在6次出現(xiàn)剝落塊卡鉆中，其發(fā)生時(shí)共同特點(diǎn)是憋泵、憋停頂驅(qū)，發(fā)生卡鉆，每次解卡后均有大批量掉塊集中返出，隨著出現(xiàn)剝落后調(diào)整的鉆井液攜巖能力的增加，返出的掉塊質(zhì)量和體積也在增加，可知井壁坍塌造成了沉砂卡鉆。

表3 常出問題井段測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表

全井第3次遇阻遇卡后劃眼至1796m后無法繼續(xù)下鉆，起鉆后發(fā)現(xiàn)倒數(shù)第四根鉆具彎曲（普通鉆桿）（見圖2）。通過鉆柱彎曲情況可以發(fā)現(xiàn)每次解卡過程均需要多次增加大鉤載荷及鉆柱扭矩，甚至在施加一定扭矩的條件下大力上提或下壓鉆具的方式來嘗試解卡，底部鉆具處于拉伸時(shí)對(duì)定向段上井壁造成破壞，受壓彎曲多個(gè)點(diǎn)支撐井壁，這些機(jī)械力作用也是造成井壁坍塌的原因。

圖2 Y151-平3井第3次遇阻遇卡鉆柱彎曲情況

2.3 兩井全井鉆井液性能對(duì)比分析

從圖3可以看出Y151-3井在出現(xiàn)剝落塊時(shí)的鉆井液性能，完全符合鉆井液設(shè)計(jì)要求。該井鉆井液配方為6%油包水主乳化劑+2%油包水輔乳化劑+5%油包水降濾失劑+4%CaO+10%CaCl2+3%有機(jī)土+重晶石，油水比控制在80/20～85/15之間。在前期正常鉆進(jìn)過程中鉆井液密度控制在1.10～1.20g/cm3。

圖3 兩井全井性能對(duì)比圖

雖然鉆進(jìn)過程中遇阻出現(xiàn)剝落塊后，將比重提至1.25g/cm3，粘度提至100s后繼續(xù)施工鉆進(jìn)，但是依然出現(xiàn)了井壁坍塌事故，這說明該密度不能平衡地應(yīng)力。出現(xiàn)剝落塊后說明鉆遇地層青山口已出現(xiàn)失穩(wěn)，即使后期鉆進(jìn)過程中提高密度和粘度依然不能阻止井塌事故發(fā)生。

Y151-7井防塌鉆井液配方優(yōu)化后的鉆井液配方如下：6%油包水主乳化劑+2%油包水輔乳化劑+5%油包水降濾失劑+4%CaO+10%CaCl2+3%有機(jī)土+1%隨鉆堵漏劑+重晶石結(jié)合鉆井實(shí)際情況，油水比控制在80/20～85/15之間。塑性粘度為36mPa·s，動(dòng)切力為14Pa。全井正常鉆進(jìn)過程中鉆井液密度始終控制在1.40～1.43g/cm3。

3 應(yīng)用防塌鉆井技術(shù)措施

吸取Y151-平3井的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，Y151-平7井制定了詳細(xì)的施工預(yù)案及鉆井液操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，最終該井順利完鉆。并且因?yàn)樵摼蜌怙@示較好，比設(shè)計(jì)井深加深95m。表4為兩井施工基本情況對(duì)比表。

表4 兩口井實(shí)鉆情況表

對(duì)比前后兩口井相同井段鉆井情況，在鉆井工藝及鉆井液處理有以下認(rèn)識(shí)。

3.1 鉆井工藝改進(jìn)措施

鉆井工藝上為預(yù)防由于剝落造成卡鉆復(fù)雜采取的配套技術(shù)措施為：

（1）選擇合理的鉆具結(jié)構(gòu)，在易垮塌層段盡量不使用大直徑工具，如?216mm井眼不使用?178mm鉆鋌。

（2）對(duì)易垮塌井優(yōu)化鉆井參數(shù)，在定向鉆進(jìn)過程中避免狗腿過大，在造斜段盡量保證井眼光滑通暢，提高井身質(zhì)量，提高機(jī)械鉆速，減少裸眼暴露時(shí)間。

（3）出現(xiàn)剝落后通井過程中，盡可能減少劃眼擾動(dòng)，避免機(jī)械力作用井壁造成新的坍塌。起鉆前充分循環(huán)，特別是有剝落塊出現(xiàn)后要在井底打入高密度鉆井液，以避免井壁坍塌掉塊聚集卡鉆具，下鉆到井底前2柱開泵循環(huán)，防止井底有大量掉塊，造成卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

（4）遇阻卡首先要采用開泵循環(huán)沖砂的辦法解卡，若繼續(xù)3次遇阻仍不能通過可接頂驅(qū)劃眼，見井口返漿后逐漸增加排量，避免由于壓力激動(dòng)造成井壁失穩(wěn)。解卡后由下至上逐個(gè)循環(huán)清潔“大肚子”井段，盡可能地減少大井徑部位堆積的掉塊和巖屑。

3.2 鉆井液工藝改進(jìn)措施

從前文分析由于鉆井液密度不足造成的井壁失穩(wěn)，正常的鉆井工藝已經(jīng)不能穩(wěn)定井壁了。所以從配制鉆井液開始就應(yīng)該選擇最優(yōu)鉆井液參數(shù)，才可以保證全井安全完鉆。

（1）優(yōu)化后的鉆井液密度為1.40～1.43g/cm3高于地層坍塌壓力，從圖3看出Y151-7井隨著鉆井段進(jìn)入水平段，鉆井液動(dòng)切力也通過加入有機(jī)土進(jìn)行相應(yīng)的提高。目的是提高攜帶性能和懸浮性。通過配套的鉆井工藝，有效減少了工藝原因造成的井下復(fù)雜，避免了惡性井壁坍塌。

（2）在全井鉆井液性能維護(hù)過程中，新漿配置，要加入一定含量的堵漏劑，預(yù)防井漏等復(fù)雜情況的發(fā)生。從開鉆到完鉆過程中，保持除砂除泥器的利率最大化，每天使用3h離心機(jī)，去除劣質(zhì)固相，保證塑性粘度在35mPa·s以下，漏斗粘度在80s以下。

4 結(jié)論及建議

（1）建立一套對(duì)Y151區(qū)塊青山口地層易坍塌層巖石物性研究分析實(shí)驗(yàn)方案，研究其粘土礦物成份，對(duì)不同組分泥巖在模擬井眼條件下進(jìn)行化學(xué)抑制實(shí)驗(yàn)，以選擇具有最佳抑制效果的鉆井液類型和配方。

（2）綜合地層力學(xué)、化學(xué)因素，導(dǎo)出求取該區(qū)塊構(gòu)造易坍塌層井眼圍巖應(yīng)力所需要的鉆井液密度數(shù)學(xué)式。

（3）從保護(hù)儲(chǔ)層角度看，建議該區(qū)塊進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，考慮由二開設(shè)計(jì)變成三開，二開使用高密度鉆井液進(jìn)行造斜，提前將易塌青山口層封住，三開可使用適合儲(chǔ)層保護(hù)的鉆井液密度鉆進(jìn)。