蘇北地區(qū)鉆井井壁失穩(wěn)原因與對策

袁毅(中國石油大學， 山東 青島 266580)

蘇北地區(qū)鉆井井壁失穩(wěn)原因與對策

袁毅(中國石油大學， 山東 青島 266580)

蘇北地區(qū)石油鉆井目的層位主要含有硬脆性灰黑色泥巖，地層穩(wěn)定性差，地層剝落掉塊、垮塌嚴重，劃眼、卡鉆等復雜情況頻發(fā)，井壁失穩(wěn)是影響蘇北地區(qū)鉆井施工效率的主要原因之一，故對井壁失穩(wěn)的原因進行分析顯得尤為重要，有針對性的提出應對之策具有重要意義，本文從力學角度結(jié)合泥頁巖水化作用分析泥巖井壁穩(wěn)定的影響因素，并從鉆井工藝、鉆井液等方面提出一些應對之策。

蘇北；泥巖；井壁失穩(wěn)；鉆井液；密度

1 井壁失穩(wěn)的影響因素

井壁失穩(wěn)問題的誘因很多,概括起來可分為天然和人為兩個方面[1]:天然因素主要有地層巖性、地層強度、粘土礦物的類型、地層傾角、孔隙度以及孔隙流體壓力等。人為可控因素主要有鉆井液的性能、地層裸眼時間、鉆井液的對井壁的沖刷作用、激動壓力、井眼軌跡等。

(1)力學因素 井內(nèi)鉆井液液柱壓力起到了一定的支撐所鉆巖層原本提供的支撐作用,井壁處原本的三向應力平衡被破壞,使得井眼周圍應力重新分布。當井內(nèi)液柱壓力小于地層孔隙壓力時,可能使井壁巖石產(chǎn)生剪切破壞,對于塑性巖石這個時候通常會導致縮徑問題,而脆性巖石則會產(chǎn)生坍塌掉塊,造成復雜情況。地層強度對淺井井壁穩(wěn)定性有著顯著的影響,大幅度提高鉆井液密度可以解決如淺部地層強度太低的問題。但是對于深部泥頁巖地層,由于其具有極強的粘土礦物的水敏性,簡單依靠增大鉆井液密度來平衡地層壓力是不可取的,甚至會造成井漏或者垮塌。

(2)化學因素 泥頁巖[2]主要由水敏性粘土礦物組成,其與鉆井液中的水的相互作用是必然的。由于泥頁巖結(jié)構(gòu)和組分上的特點,采用不同的鉆井液體系,這種作用的差別也是很大的，離子交換作用、滲透作用[3]、水沿泥頁巖的微裂隙的侵入以及毛管力作用產(chǎn)生的滲析強度都有明顯影響。這些使得泥巖地層吸水膨脹,使井周圍巖的力學特性發(fā)生顯著變化,最終導致井壁失穩(wěn),發(fā)生鉆井復雜事故。

當打開地層后水分子和溶質(zhì)在鉆井液和泥頁巖間發(fā)生傳遞作用必然影響泥頁巖與流體間的相互作用。若水分子進入泥頁巖會引起泥頁巖水化, 產(chǎn)生水化應力, 導致泥頁巖膨脹和張性失穩(wěn)。

(3)工程因素 工程因素有鉆井液的失水、粘度、密度等性能，井眼裸露的時間、鉆井液對井壁的沖刷作用強度、壓力激動、井眼軌跡，鉆井液體系和流變性能與地層特性的匹配程度。

2 井壁穩(wěn)定技術

(1)合理的鉆井液密度 如果能通過提高鉆井液密度克服孔隙壓力和滲透影響的情況，現(xiàn)場可用提高鉆井液密度防止井壁坍塌的方法。鉆井液溶質(zhì)濃度增加，井壁更加穩(wěn)定[4]。因為溶質(zhì)濃度增大減小了水滲透進入泥巖。但是當鉆井液密度遠遠超過地層孔隙壓力時,就加劇了鉆井液向地層的濾失,會引起巖石強度的降低,最終導致地層坍塌壓力的增大,造成井壁失穩(wěn)，通過理論分析與施工總結(jié)發(fā)現(xiàn)蘇北地區(qū)普通定向井戴南組地層鉆井液密度1.22～1.24g/cm3，阜寧組地層鉆井液密度1.24～1.26g/cm3可以起到較好的防塌作用，而對于張家垛區(qū)塊的大斜度井則要將密度提高至1.45 g/cm3以上，這也是最簡單可行且成本低的方法。

(2)優(yōu)選防塌劑 硬脆性泥巖中含有大量的微裂縫，為水分進入地層提供了通道，巖層中不僅含有多種水敏性礦物，而且各種礦物的水敏性不同，吸水后造成水化膨脹，容易剝落垮塌。區(qū)塊使用了正電性鉆井液處理劑DS-301復配 DS-302具有良好的抑制性，加之兩性離子聚合物可以充分抑制泥頁巖的水化膨脹，再輔以乳化石蠟和瀝青類防塌劑，在井壁上形成薄而致密的泥餅，保證井壁的穩(wěn)定?，F(xiàn)場可以選用防塌瀝青、有機硅腐植酸鉀等復配，在微裂隙發(fā)育的泥頁巖地層的近井壁形成屏蔽層，在正液柱壓力作用下，它可以達到護壁的作用。

(3)工程措施 坍塌破壞是有時間效應的，井眼打開后，井壁起初是穩(wěn)定的，一天后最容易發(fā)生坍塌，隨后坍塌可能性減小，但在達到一定時間(約7天)后井壁穩(wěn)定性再次變差，故要盡可能的減少井眼在鉆井液的浸泡時間，盡早完井。

鉆井液性能上，特別控制低失水(小于3ml)、薄泥餅、適度偏高的密度。高粘高切低濾失鉆井液有助于防塌,也利于排屑,但不易于提高鉆速，故鉆井液漏斗粘度處于50～60秒即可。其次，在接單根、起下鉆等作業(yè)過程中，注意操作平穩(wěn)，盡量減少壓力激動。下鉆時采取分段循環(huán)的方式，開泵時應先小排量循環(huán)，井口出漿后再逐漸開到正常排量。

3 結(jié)語

本地區(qū)的泥巖井壁失穩(wěn)主要是由水化膨脹進而力學失穩(wěn)造成的。所以在合理的鉆井液密度穩(wěn)定井壁的基礎上,降低鉆井液的濾失量、優(yōu)選強抑制強封堵鉆井液,提高鉆井液的抑制性和封堵能力,這些措施可以達到在鉆井施工期間井壁穩(wěn)定的要求。鉆遇灰黑色泥巖段時出現(xiàn)巖屑剝落情況時應及時分析原因，由于地層吸水膨脹而產(chǎn)生剝落掉塊、垮塌時應提高防塌瀝青與OSAMK、PHP等處理劑的加量，提高鉆井液的封堵防塌能力，同時降低鉆井液濾失量達到防塌目的。

[1]陳秀榮.泥頁巖井壁穩(wěn)定性研究[D].北京：中國地質(zhì)大學,2009.

[2]王曉敏.塔河油田AT9區(qū)塊鉆井液體系優(yōu)選[D].北京.中國地質(zhì)大學,2013.

[3]梁大川，王林.鉆井液和泥頁巖間的傳遞作用對井壁穩(wěn)定的影響[J].天然氣工業(yè)，1999，19(3):59.

[4]王倩.泥頁巖井壁穩(wěn)定影響因素分析.巖石力學與工程學報[J].2012,31(1):177.

袁毅，男，中國石油大學在職工程碩士在讀，現(xiàn)在華東石油工程公司六普鉆井公司從事鉆井技術工作。