鉆井完井工程中的井眼壁穩(wěn)定性與防塌措施研究

孫舜

渤海鉆探第二鉆井工程分公司 河北 廊坊 065000

鉆井完井工程存在井深、鉆遇地層復(fù)雜、井眼失穩(wěn)等問(wèn)題，具體體現(xiàn)為三疊系和石炭系出現(xiàn)井眼坍塌、井漏、固井質(zhì)量差等問(wèn)題[1]。此外，由于井身質(zhì)量?jī)?yōu)良率低、井徑擴(kuò)大率高、卡鉆頻繁出現(xiàn)，又加上測(cè)井資料不全，增加鉆探成本，降低井鉆探質(zhì)量和效率。結(jié)合鉆井完井工程三疊系、石炭系井眼壁等失穩(wěn)問(wèn)題，選取泥頁(yè)巖巖心樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。同時(shí)，還開(kāi)發(fā)了以下兩套防塌鉆井液配方，分別是鉀醇鉆井液配方和硅醇鉆井液配方，此外，還開(kāi)展相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作[2]。

1 井眼壁失穩(wěn)的常見(jiàn)原因

1.1 地質(zhì)方面的原因

地層構(gòu)造狀態(tài)是導(dǎo)致井眼壁出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌的常見(jiàn)原因。在原始地應(yīng)力的作用下，地殼始終處于不間斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，因此，不同部位很容易形成擠壓、剪切等構(gòu)造應(yīng)力。而這些構(gòu)造應(yīng)力相當(dāng)高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)巖石自身的最大強(qiáng)度，很容易實(shí)現(xiàn)斷裂而釋放較大的能量。但是，當(dāng)這些構(gòu)造應(yīng)力經(jīng)過(guò)聚集后，其能量仍然不滿(mǎn)足促使巖石破裂的強(qiáng)度時(shí)，這些構(gòu)造應(yīng)力采用潛能耗，存儲(chǔ)于整個(gè)巖石中，等待時(shí)機(jī)成熟后方可再次釋放能量。但沉積環(huán)境不同，膠結(jié)程度不同時(shí)，巖石自身性質(zhì)也存在一定的差異。對(duì)于泥頁(yè)巖而言，其孔隙一旦出現(xiàn)壓力異常問(wèn)題，在進(jìn)行成巖期間，在環(huán)境溫度、外界壓力的作用下，黏土與水分離后，會(huì)形成一定的自由水，這些自由水如果所處環(huán)境過(guò)于密閉，將會(huì)無(wú)法排出多余的自由水，多余的自由水匯聚于泥頁(yè)巖孔隙內(nèi)，會(huì)形成一定的高壓?jiǎn)栴}。在進(jìn)行鉆井處理期間，一旦鉆井液所對(duì)應(yīng)的液柱壓力過(guò)小時(shí)，巖石會(huì)釋放大量的孔隙壓力[3]。此外，當(dāng)巖石孔隙與裂縫不斷增加，并進(jìn)行有效連通時(shí)，這些流體會(huì)快速注入到井內(nèi)。

1.2 物理化學(xué)方面的原因

井壁失穩(wěn)坍塌卡鉆的物理化學(xué)方面的原因表現(xiàn)在巖石的水化膨脹、毛細(xì)管作用和流體靜壓力等，即與水的存在密切相關(guān)。只要使用水基鉆井液，只要有水的存在，就有泥頁(yè)巖的水化膨脹和坍塌問(wèn)題。經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，泥頁(yè)巖中的黏土含量、黏土成分、含水量及水分中的含鹽骨對(duì)泥頁(yè)巖的吸水及吸水后的表觀有密切關(guān)系，泥頁(yè)巖黏土含量越高，含鹽量越高、含水量越少則越易吸水水化。蒙脫石含量高的泥頁(yè)巖易吸水膨脹，綠泥石含量高的泥頁(yè)巖易吸水裂解、剝落。值得注意的是井眼鉆開(kāi)之后，不僅引起原始地應(yīng)力的重新分配，而且由于鉆井液的浸入，黏土內(nèi)部又發(fā)生新的變化，產(chǎn)生新的應(yīng)力如孔隙壓力、膨脹壓力等，削弱了黏土的結(jié)構(gòu)。

1.3 鉆井工藝方面的原因

在鉆井工程中，防止地層坍塌最重要的因素是控制鉆井液的液柱壓力。基于壓力平衡理論，必須采取適當(dāng)?shù)你@井液密度，形成適當(dāng)?shù)囊褐鶋毫?，這是針對(duì)薄弱地層、破碎地層及應(yīng)力相對(duì)集中的地層的有效措施。但增加鉆井液密度也有兩重性，一方面鉆井液密度高了有利于增加對(duì)井壁的支撐力，另一方面它又會(huì)導(dǎo)致濾液進(jìn)入地層，增大地層的孔隙壓力，增大黏土的水化面積和水化作用從而降低地層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)力。此外，鉆井液密度的確定，也受其他因素的影響，如鉆井液液柱壓力不能超過(guò)產(chǎn)層的孔隙壓力等。在鉆井工程實(shí)踐中，要時(shí)刻注意鉆井液的性能和流變性[4]。如果鉆井液的循環(huán)排量大、返速高呈紊流狀態(tài)，容易沖蝕井壁地層，引起坍塌，但如果鉆井液循環(huán)排量小返速低呈層流狀態(tài)，某些松軟地層又極易縮徑，但在己經(jīng)發(fā)生井塌的情況下，不得不增大排量和返速，否則，不足以將塌塊帶出。

2 井眼壁失穩(wěn)機(jī)理分析

2.1 X-射線(xiàn)礦物分析

通過(guò)分析鉆井完井工程坍塌地層的全巖礦物組成，獲得表1所示分析結(jié)果。同時(shí)，通過(guò)分析黏土礦物相對(duì)含量，獲得表2所示的分析結(jié)果。從表1、表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在鉆井完井工程中，巖樣巖性存在較大的差別，其不均質(zhì)性比較突出。在整個(gè)巖樣中，除了含有石英砂巖外，還含有砂質(zhì)泥巖、黏土礦物等成分，其中，黏土礦物含量最高達(dá)到57%。在五種具有代表性的巖樣中，黏土礦物組成成分存在較大的差異，以具有膨脹性的黏土礦物為例，其地層存在易膨脹、易分散、井眼壁失穩(wěn)等問(wèn)題；以非膨脹性的黏土礦物為例，其地層坍塌形式主要表現(xiàn)為掉塊。

表1 X-射線(xiàn)衍射全巖礦物組成分析

表2 X-射線(xiàn)衍射黏土礦物組成分析

2.2 掃描電鏡微結(jié)構(gòu)分析

在鉆井完井工程中，借助掃描電鏡，對(duì)坍塌地層巖樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描分析，發(fā)現(xiàn)巖心黏土礦物整個(gè)排列具有一定的規(guī)律性、取向性。通過(guò)分析和比較地層層理發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)部分巖心出現(xiàn)較大的微裂縫問(wèn)題，所以，在進(jìn)行鉆井期間，在壓差的影響下，鉆井液可以直接沿著巖層裂縫，直接注入到地層內(nèi)部，促使整個(gè)泥頁(yè)巖出現(xiàn)明顯水化現(xiàn)象，導(dǎo)致地層發(fā)生膨脹度高、易分散、掉塊等問(wèn)題。

2.3 理化特性分析

通過(guò)分析巖樣的膨脹率和清水分散回收率，發(fā)現(xiàn)整個(gè)巖樣巖心表現(xiàn)出較低的巖心膨脹率。不同巖心，其回收率存在較大的差別，但是，整體回收率值相對(duì)較低，這表明鉆井完井工程大部分地層存在膨脹度低、易分散等特點(diǎn)。此外，對(duì)巖樣比表面積和比親水量進(jìn)行試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在鉆井完井工程的同一地層中，如果井深巖樣不同，其比表面積、比親水量存在明顯差異，且整體相對(duì)較高[5]。比表面積主要反映和體現(xiàn)地層分散能力高低；比親水量主要反映出頁(yè)巖表面所對(duì)應(yīng)的水化膜厚度，當(dāng)比親水量不斷增加時(shí)，水化膜厚度不斷增加，泥頁(yè)巖層之間存在較大的水化斥力，導(dǎo)致泥頁(yè)巖表面出現(xiàn)明顯坍塌現(xiàn)象，這是導(dǎo)致鉆井完井工程井眼壁不穩(wěn)定性的根本原因。

2.4 井眼壁穩(wěn)定對(duì)策

結(jié)合井眼壁不穩(wěn)定機(jī)理分析結(jié)果，提出一套行之有效的防塌技術(shù)對(duì)策?？茖W(xué)調(diào)整和控制鉆井液密度，對(duì)地層坍塌壓力進(jìn)行有效地平衡，避免泥頁(yè)巖地層出現(xiàn)坍塌安全事故；不斷地強(qiáng)化鉆井液抑制能力，促使鉆井液高溫高壓濾失量不斷降低，使其降低到最低值，避免泥頁(yè)巖出現(xiàn)明顯水化膨脹現(xiàn)象；綜合運(yùn)用硅酸鹽等高凝膠性的物質(zhì)，促使鉆井液表現(xiàn)出較高的化學(xué)膠結(jié)固壁能力；有效調(diào)整和控制鉆井液活度，使得鉆井液表現(xiàn)出較高的防塌能力等。

3 鉆井完井工程防塌鉆井液配方研制

3.1 單劑優(yōu)選與配方優(yōu)化

借助滾動(dòng)分散、高溫老化等試驗(yàn)方法，優(yōu)選包被劑、防塌劑等多種處理劑。同時(shí)，優(yōu)化組合這些處理劑，并形成兩套滿(mǎn)足鉆井完井工程井眼壁防塌處理需求的鉆井液配方。1號(hào)鉀醇鉆井液配方：該配方的基漿密度、亞甲基藍(lán)容量分別為1.029g/cm3、40g/L。2號(hào)硅醇鉆井液配方：該配方的基漿密度、亞甲基藍(lán)容量分別為1.04g/cm3、55g/L。

3.2 鉆井液性能評(píng)價(jià)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需求，采用室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)的方式，對(duì)鉆井液加重、抑制性、抗劣土污染、抗鈣污染等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。鉆井液抑制性綜合評(píng)價(jià)和抗劣土污染能力試驗(yàn)結(jié)果可以看出，膨脹率主要使用二級(jí)膨潤(rùn)土；回收率主要使用4646～4684m的巖屑；頁(yè)巖穩(wěn)定指數(shù)主要使用4660～4699m的巖屑。這兩套鉆井液配方具有懸浮性高、抑制性高、抗劣土污染能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 TK826 井

TK826井作為鉆井完井工程的一口開(kāi)發(fā)井，所設(shè)計(jì)井深和完鉆井深分別為5970m、5946m。某井段所出現(xiàn)的裸眼較長(zhǎng)，裸眼井段長(zhǎng)度達(dá)到4600m，整個(gè)鉆遇地層比較復(fù)雜，整個(gè)鄰井曾經(jīng)多次出現(xiàn)井眼壁坍塌安全事故。為保證鉆井操作的安全性，對(duì)鉆井液工作質(zhì)量提出了更高的要求。當(dāng)井眼壁鉆至4000m之前，需要借助聚合物鉆井液體系，從4400m位置處開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)型操作，并將其轉(zhuǎn)換為聚磺鉆井液體系，不斷提升抗高溫能力。同時(shí)，在4666m位置處將其轉(zhuǎn)換為硅醇鉆井液，整個(gè)聚磺鉆井液體系轉(zhuǎn)化相當(dāng)順利，有效地避免井眼壁坍塌安全事故的發(fā)生。TK826井鉆井液轉(zhuǎn)化前后性能變化見(jiàn)表3所示。

表3 TK826井鉆井液轉(zhuǎn)化前后性能變化

4.2 TK745 井

TK745井作為鉆井完井工程所布置的一口開(kāi)發(fā)井，其井深設(shè)置為4871.52m，并對(duì)鉆頭進(jìn)行起鉆更換處理。當(dāng)起鉆至2468.85m時(shí)，出現(xiàn)卡液未解卡等問(wèn)題，后期，將卡點(diǎn)密度降低至1.16g/cm3，并進(jìn)行解卡操作。當(dāng)下鉆至3300m時(shí)，將其轉(zhuǎn)換為鉀醇鉆井液，使其卡點(diǎn)密度上升至1.29g/cm3，并繼續(xù)向下不斷鉆井。嚴(yán)格按照地質(zhì)要求進(jìn)行沖孔，沒(méi)有出現(xiàn)黏卡問(wèn)題，完全達(dá)到預(yù)期效果。

4.3 應(yīng)用效果分析

硅醇鉆井液在轉(zhuǎn)化前期、后期，其性能并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，尤其是黏度一直維持在57mPa·s左右。此外，還能在鉆穿二疊系白米后不會(huì)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。同時(shí)，濾餅表現(xiàn)出良好的致密性和韌性，整個(gè)高溫、高壓失水量小，簡(jiǎn)化鉆井液維護(hù)流程，并有效地降低平均井徑擴(kuò)大率。在長(zhǎng)裸眼井段中，通過(guò)使用密度為1.04g/cm3的鉆井液，并不會(huì)出現(xiàn)黏卡問(wèn)題。在鉀醇鉆井液配方的應(yīng)用背景下，整個(gè)井眼壁地層界線(xiàn)變得更加清晰，確保整個(gè)巖屑純正，不摻雜任何雜質(zhì)。在進(jìn)行鉆井完井工程施工期間，整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩比較平穩(wěn)，如果巖屑返回時(shí)間與實(shí)測(cè)值完全相符，說(shuō)明鉆井液表現(xiàn)出良好的懸浮攜巖能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)鉆井完井工程井眼壁失穩(wěn)機(jī)理分析和防塌措施研究，得出以下幾個(gè)結(jié)論：1）鉆井完井工程復(fù)雜地層含有較高的黏土礦物。同時(shí)，其礦物成分存在較大的差別，具有親水性強(qiáng)、膨脹度低等特點(diǎn)，很容易出現(xiàn)井眼壁坍塌安全事故。2）結(jié)合鉆井完井工程地層特點(diǎn)，提出防塌技術(shù)對(duì)策，科學(xué)調(diào)整鉆井液密度，促使地層坍塌壓力得以有效平衡；不斷增強(qiáng)鉆井液抑制性，使得鉆井液高溫高壓濾失量降到最低，避免地層出現(xiàn)嚴(yán)重水化膨脹現(xiàn)象；提高鉆井液凝結(jié)固壁能力等。3）通過(guò)采用試驗(yàn)方式，在優(yōu)選大量處理試劑的前提下，提出鉀醇鉆井液配方和硅醇鉆井液配方?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明；以上兩套鉆井液配方均可以降低井眼壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)，具有井眼規(guī)則合理、井眼擴(kuò)大率低、處理劑添加量少、易維護(hù)等特點(diǎn)，使得鉆井綜合成本降到最低。另外，這兩種鉆井液配方具有操作簡(jiǎn)單、安全可靠、易維護(hù)等特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足井眼壁防塌處理需求。