蓬萊7-6構(gòu)造探井鉆井實踐

張子程，楊保健，李亞亮，戴 杰，王 攀，湯柏松

（1. 中海石油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)公司，天津塘沽 300452；

2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津塘沽 300452；）

隨著渤海油氣勘探的不斷深入，勘探方向已由大型構(gòu)造油氣藏逐漸轉(zhuǎn)向含油氣構(gòu)造的復(fù)雜區(qū)塊，向構(gòu)造的深部及其兩翼的非構(gòu)造圈閉，向凹陷中的各種砂巖體巖性圈閉轉(zhuǎn)移。蓬萊7-6構(gòu)造位于渤東低凸起南段，緊鄰渤東凹陷和渤中凹陷，該區(qū)塊處于渤海邊緣的走滑斷層，地應(yīng)力復(fù)雜，壓扭異常易發(fā)生垮塌、明化鎮(zhèn)上部泥巖壓實程度高以及吸水后極易膨脹掉落，嚴重影響了鉆井作業(yè)時效和地質(zhì)資料的錄取。在2015年完成的PL7-6-1井作業(yè)過程中，三開φ311.15 mm井眼鉆進過程中就發(fā)生井壁失穩(wěn)，在完鉆后井壁失穩(wěn)更為嚴重，為保證電纜測井順利，僅通井工作耗去11天工期。在2016年開鉆的3井作業(yè)中，雖然三開φ311.15 mm井眼順利鉆進至中完井深，但完鉆后同樣發(fā)生嚴重井壁失穩(wěn)，通井耗去7天工期。為此中海油天津分公司在后續(xù)進行的PL7-6-2井作業(yè)中，及時優(yōu)化鉆井及鉆井液方案，最終順利完成PL7-6-2井作業(yè)及蓬萊7-6構(gòu)造的評價任務(wù)，取得了非常理想的效果。

1 蓬萊7-6構(gòu)造井壁不穩(wěn)定的原因

1.1 井壁不穩(wěn)定的原因

井壁穩(wěn)定問題是鉆井工程中經(jīng)常遇到的一個十分復(fù)雜的世界性難題．各國鉆井、泥漿界對此問題都十分關(guān)注，開展了大量的研究工作。鉆井工程中的大部分井壁失穩(wěn)問題都是地層巖石受地應(yīng)力作用的力學(xué)因素以及地層與鉆井液物質(zhì)傳遞的物理因素與化學(xué)因素共同起作用的結(jié)果[1-3]。井壁不穩(wěn)定問題，一般發(fā)生在頁巖、鹽巖、非膠結(jié)或膠結(jié)差的砂巖及其它破碎性的巖石（如玄武巖、輝綠巖、灰?guī)r）等地層，但最常見、占比例最大、影響最嚴重的是頁巖地層。導(dǎo)致頁巖不穩(wěn)定的主要原因為：

（1）力學(xué)因素：包括塑性流動或軟泥巖變形、硬脆性頁巖沿滑動面（層理、節(jié)理、裂縫等）的滑動及鉆井液密度不能平衡構(gòu)造應(yīng)力或頁巖沉積壓實過程中所形成的異常壓力（負壓鉆井）所引起的頁巖破裂和剝落坍塌。

（2）物理化學(xué)因素：鉆井液與頁巖地層發(fā)生物理化學(xué)作用引起水化膨脹和分散，強度下降，最終導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。此作用的強弱與頁巖礦物組分、黏土礦物含量、地層水的活度、埋藏深度、陽離子交換容量、陽離子種類、層理裂縫發(fā)育程度和巖石硬度等因素有關(guān)。

（3）水力因素：鉆井液對井壁的水力沖蝕、壓力激動與抽汲作用。

總之，井壁不穩(wěn)定的核心是力學(xué)的不平衡，以上三種因素都與受力平衡狀態(tài)的破壞有關(guān)[4-6]。

1.2 蓬萊7-6構(gòu)造井壁不穩(wěn)定情況

（1）地質(zhì)原因

蓬萊7-6構(gòu)造處于渤海邊緣的走滑斷層，地應(yīng)力復(fù)雜，壓扭異常，地層破碎，加之巖石本身的特性復(fù)雜，導(dǎo)致鉆開地層后發(fā)生井塌。

（2）理化原因

地層內(nèi)黏土類物質(zhì)與鉆井液存在離子交換，發(fā)生水化膨脹，存在膨脹壓力，造成井壁失穩(wěn)。

（3）鉆井工藝原因

由于蓬萊7-6構(gòu)造處于走滑斷層，地應(yīng)力復(fù)雜，單純靠提高鉆井液密度或提高鉆井液抑制性不能理想的解決井壁不穩(wěn)定的問題。另外，雖然本構(gòu)造井壁失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生于明化鎮(zhèn)組和館陶組，但該地層埋深在2 000 m至3 500 m，相較于其他區(qū)塊，埋深較深，按照常規(guī)作業(yè)思路處理不能很好地解決。

2 蓬萊7-6構(gòu)造前期鉆井情況

在2015年中海油天津分公司部署的PL7-6-1井完鉆層位館陶組，設(shè)計完鉆井深3 250 m。但在作業(yè)過程中，三開φ311.15 mm井眼鉆進至2 795 m后起鉆過程中發(fā)生井壁失穩(wěn)，在完鉆后井壁失穩(wěn)更為嚴重，經(jīng)過40小時的倒劃眼才起鉆至較安全的井段。

圖1 PL7-6-1井井壁失穩(wěn)情況

為保證電測順利，之后更換不同的通井鉆具進行3次通井，將鉆井液密度由1.26 g/cm3提高至1.33 g/cm3后才順利地完成了后續(xù)的電纜測井和下套管作業(yè)，這一過程耗去11天工期。另外，在2016年開鉆的PL7-6-3井作業(yè)中，雖然三開φ311.15 mm井眼順利鉆進至中完井深，但完鉆后同樣發(fā)生嚴重井壁失穩(wěn)，通井耗去7天工期。

3 蓬萊7-6構(gòu)造鉆井改善措施

蓬萊7-6構(gòu)造受地質(zhì)活動影響，地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，個體差異性大。為此，探井項目組根據(jù)鉆前地質(zhì)預(yù)測，結(jié)合鄰井實鉆資料，針對單井預(yù)測三壓力剖面及巖性剖面，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)選與之匹配的鉆井液體系，制定防漏、堵漏、防塌預(yù)案，確保深部鉆探作業(yè)的順利進行。

3.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

該區(qū)塊探井主要目的層為明化鎮(zhèn)組下段和館陶組。鄰近區(qū)塊實鉆資料表明，明化鎮(zhèn)組以厚層泥巖夾薄層砂巖為主，泥巖易發(fā)生水化坍塌，且坍塌周期較短；館陶組底部以厚層砂礫巖為主，膠結(jié)差，滲透性好，易發(fā)生井漏；明化鎮(zhèn)組和館陶組的泥頁巖屬于硬脆性泥頁巖，受成巖作用和地質(zhì)構(gòu)造運動的影響，這類泥頁巖中層理、裂縫或微裂隙發(fā)育。鉆井過程中鉆遇這類地層，如果鉆井液密度過低或封堵性能不好，容易發(fā)生較為嚴重的井壁坍塌，引發(fā)起下鉆阻卡等井下復(fù)雜。同時鉆進節(jié)理性地層時，井壁穩(wěn)定性與井眼的尺寸密度相關(guān)，井眼越大，井周塊體數(shù)量越多，井壁越容易發(fā)生失穩(wěn)，因此，在節(jié)理性地層中鉆進小尺寸井眼有利于井壁穩(wěn)定。另外，考慮到封隔斷層、鉆機能力及油層保護等因素，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：二開表層φ339.70 mm套管下深至800 m左右，封固淺層疏松地層，滿足下部井眼的作業(yè)安全。由原先的三開完鉆，變?yōu)槿_φ311.15 mm井眼依次鉆穿明化鎮(zhèn)、館陶組上部中完，增加一層φ244.50 mm技術(shù)套管，封固上部易坍塌地層及薄弱層位，減少該井段作業(yè)周期，防止復(fù)雜情況發(fā)生；四開φ215.90 mm井眼鉆探館陶組主要目的層，減少井眼尺寸降低井壁失穩(wěn)風(fēng)險，視顯示情況決定是否下φ177.80 mm尾管。

3.2 鉆井液體系優(yōu)選及性能優(yōu)化

蓬萊7-6區(qū)塊探井地質(zhì)情況復(fù)雜，存在著井壁垮塌、井漏、井涌、卡鉆及電纜粘卡等一系列風(fēng)險。通過對該區(qū)塊早期的1井、3井實鉆資料的對比分析，從安全、環(huán)保、成本等多方面考慮，φ311.15 mm井眼上部使用簡易聚合物鉆井液，φ311.15 mm井眼下部及φ215.90 mm井段采用近飽和氯化鈉體系鉆井液體系，提高鉆井液的抑制性和封堵性，設(shè)計合理的鉆井液密度，滿足工程需要和油氣層保護要求。

3.2.1 優(yōu)選鉆井液體系

（1）上部地層使用簡易聚合物鉆井液代替海水膨潤土漿

上部井段（800 m~1 480 m）鉆進過程中采用簡易聚合物體系，在不改變鉆井液流態(tài)的情況下控制鉆井液失水，適當(dāng)提高粘度降低鉆井液對井壁的沖刷，盡量提高動塑比以保證攜砂能力。防止受復(fù)雜地應(yīng)力影響的不穩(wěn)定泥巖發(fā)生水化坍塌。

（2）近飽和氯化鈉體系鉆井液體系的使用

近飽和氯化鈉體系鉆井液體系的基本組成包括NaCl、KCl、聚合醇、降濾失劑、流型調(diào)節(jié)劑、增黏劑及油層保護劑。正常鉆進時加入一定量的固體和液體潤滑劑以改善體系的潤滑性能。該鉆井液體系的特點包括以下幾個方面：

① NaCl和KCl等具有較強的防塌能力，可以在保證安全鉆進的前提下顯著降低鉆井液的密度，可有效緩解地層孔隙壓力與漏失壓力當(dāng)量密度窗口窄的難題。

② 優(yōu)化復(fù)合鹽配方，降低泥巖活度，使地層水的化學(xué)位與鉆井液水相的化學(xué)位接近，降低地層與鉆井液之間水的滲透轉(zhuǎn)移，從而減少體系中水向地層的滲透。同時其高礦化度濾液避免了濾液對低孔低滲儲層的傷害。

③ NaCl中的離子能大量侵入巖屑表面的水化層，壓縮水化膜的厚度，阻止巖屑的水化膨脹分散，有利于巖屑的清除，并能適度改善巖屑或井壁的表面性能，提高體系的抑制防塌性。

④ NaCl與地層流體接觸不會產(chǎn)生傷害性的二次沉淀，可對儲層進行有效保護。

⑤ 聚合醇的濁點效應(yīng)使其形態(tài)隨井下溫度發(fā)生變化，能在井壁、鉆屑和鉆具上形成憎水性分子膜，阻止泥頁巖水化分散，通過穩(wěn)定井壁、抑制鉆屑水化分散達到穩(wěn)定鉆井液性能、降低鉆具扭矩、保護油氣層的目的。

⑥ 油層保護劑可顯著降低油水界面張力，有效降低油流阻力，提高了低孔低滲儲層的返排能力，增強了儲層保護。

3.2.2 優(yōu)選合理的鉆井液性能

目前應(yīng)對井壁坍塌的做法就是提高鉆井液封堵能力，提高地層的承壓能力的同時提高鉆井液密度，也達到支撐井壁穩(wěn)定井壁的目的。但是由于海上環(huán)保方面的考慮，只能使用水基鉆井液鉆井，在裂縫性地層中使用過高的鉆井液密度，濾液進入地層將導(dǎo)致孔隙壓力升高，井眼周圍有效應(yīng)力降低，可能產(chǎn)生更大范圍的破壞，造成井壁更快失穩(wěn)。因此，選擇合適的鉆井液密度尤為關(guān)鍵。根據(jù)PL7-6-1井和PL7-6-3井的作業(yè)經(jīng)驗，為保證PL7-6-2井作業(yè)順利完成，鉆井液性能維護具體操作如下：

（1）三開φ311.15 mm井眼

鉆進至1 480 m轉(zhuǎn)化后鉆井液密度調(diào)整至1.16 g/cm3失水控制在3.8 mL/30 min。同時補充KCl、PF-JLX C至3%提高體系的抑制性。鉆進至1 587 m進行第一次倒劃眼短起，拉順井眼破壞原有虛厚泥餅再造薄而韌的泥餅，以保證后續(xù)作業(yè)順利進行。

下鉆到底繼續(xù)鉆進至1 990 m（預(yù)測斷層前）進行短起下作業(yè)，短起前NaCl含量補充至12%，增強體系抑制性的同時提高鉆井液的礦化度、降低體系活度，在體系低失水的同時產(chǎn)生半透膜效應(yīng)，進一步減少進入地層的自由水。倒劃眼短起至1 500 m，下鉆到底繼續(xù)鉆進。

鉆進至2 214 m進入館陶組，進館陶組前鉆井液密度平穩(wěn)提高至1.30 g/cm3，同時提高PF-JLX C至5%、PF-EPF至2%應(yīng)用其濁點效應(yīng)封堵地層微裂縫，提高PF-GRA至1%、PF-LSF及PF-LPF再補充1%使鉆井液內(nèi)整體封堵性材料含量提至4%，提高泥餅正向承壓能力，鉆進至2 478 m中完，完鉆鉆井液密度1.32 g/cm3。作業(yè)期間沒有嚴重井壁失穩(wěn)情況發(fā)生。

（2）四開φ215.90 mm井眼

提升鉆井液攜帶性，保證鉆井液低失水、高封堵、高礦化度（降低體系活度）、增強抑制性：利用130 m3的老漿和60 m3的新漿混合后，調(diào)整鉆井液密度至1.35 g/cm3、補充KCl至4%，NaCl及PF-JLX C至6%，及PF-EPF至3%，作為開鉆鉆井液使用。第一次短起下鉆至井底后，進一步降低失水至1.6 mL/30 min并維持此性能至完鉆，期間沒有發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，順利完成完鉆后的電測作業(yè)。

通過上述改善措施，PL7-6-2井的作業(yè)順利完成，現(xiàn)場的作業(yè)效率得到了很大的提升，鉆井作業(yè)非生產(chǎn)時間由27.67%降低至9.52%，期間井壁垮塌的復(fù)雜情況得到了非常理想的抑制。

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)選鉆井液體系和設(shè)計合理的鉆井液密度等改善措施，在PL7-6-2井作業(yè)取得較好的成果，在后續(xù)本構(gòu)造及其他不穩(wěn)定地層的評價和開發(fā)井作業(yè)中可以持續(xù)推廣。

（2）優(yōu)化復(fù)合鹽配方，降低泥巖活度，能適度改善巖屑或井壁的表面性能，防塌效果明顯。

（3）針對蓬萊7-6構(gòu)造復(fù)雜地層特點，開展對該地層巖性進行理化分析，解釋地層復(fù)雜機理，以便進一步改善作業(yè)方案。

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