南堡５－４井玄武巖段鉆井施工井壁不穩(wěn)定原因及施工措施

摘要 南堡凹陷是冀東油田的主要生油構(gòu)造，在南堡5—4井鉆井施工過(guò)程中鉆遇高含玄武巖段，該巖段井壁不穩(wěn)定，巖石成分復(fù)雜多變，極易造成井壁垮塌、縮徑等問(wèn)題，在施工中通過(guò)采用合理的施工工藝及鉆井液技術(shù)，成功鉆穿該巖段。本文對(duì)施工過(guò)程中井下復(fù)雜情況發(fā)生的原因以及處理工藝做了詳細(xì)描述，為今后同類井的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 南堡凹陷；玄武巖；膨脹率鉆井液

一，南堡5-4井施工概況

南堡5-4井位于河北省唐山市南堡開(kāi)發(fā)區(qū)南堡鄉(xiāng)西北約16.7kin，構(gòu)造位置是黃驊坳陷南堡凹陷，南堡5號(hào)構(gòu)造，南堡5—4斷鼻高部位，屬于渤海灣盆地黃驊坳陷南堡凹陷南堡5號(hào)構(gòu)造。本井所穿越地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)中東三段頂部鉆遇火成巖，發(fā)育井段在2810～3100附近，厚度約為50m左右。而實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中自3700m見(jiàn)玄武巖，至5341m見(jiàn)灰?guī)r成分，共計(jì)1641m，全部含有火成巖的成分，由于玄武巖厚度大、純度高、壓實(shí)性好，造成巖石密度大，質(zhì)堅(jiān)硬，破碎難度大，而且二開(kāi)館陶組下部的玄武巖也沒(méi)有完全封住，所以在三開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中，井底不時(shí)有上部玄武巖掉塊出現(xiàn)，造成井壁垮塌、井漏等諸多問(wèn)題，起下鉆困難，給鉆井施工順利進(jìn)行帶來(lái)一系列問(wèn)題。

針對(duì)上述情況，本文從引起井壁不穩(wěn)定主要因素——地質(zhì)因素、鉆井液特性、施工工藝三方面進(jìn)行分析。

二，玄武巖段井壁不穩(wěn)定的原因

1，地質(zhì)失穩(wěn)原因

從實(shí)鉆所獲地質(zhì)資料分析，南堡凹陷玄武巖段巖石是由晶屑、玻屑、巖屑、凝灰質(zhì)等火山物質(zhì)堆積而成的一種基性火山巖，其中夾雜多種成分的泥頁(yè)巖。它的主要特征是成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微孔隙發(fā)育、次生作用強(qiáng)烈。地質(zhì)方面失穩(wěn)原因可歸結(jié)為以下五點(diǎn)。

(1)地層存在層理、微裂縫。鉆遇這類地層，由于毛細(xì)管力的作用，加劇了井塌的進(jìn)程，層理和微裂縫越發(fā)育，井塌的可能性越大，塌得越嚴(yán)重。

(2)玄武巖段的各種礦物，特別是夾雜的泥頁(yè)巖組分，由于吸水膨脹率不同，膨脹力相差大，礦物水化分散，層間受力不均勻，從而引起應(yīng)力不平衡，導(dǎo)致井壁剝落掉塊，引起垮塌。

(3)地層孔隙壓力分布不均，巖石成分雜亂，當(dāng)鉆井液液柱壓力不當(dāng)或有壓力激動(dòng)時(shí)，易造成井壁玄武巖剝落掉塊。

(4)地層傾角大，易造成應(yīng)力集中，井壁巖層破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重坍塌。

(5)館陶組底部的玄武巖段巖層成分復(fù)雜，既有玄武巖、熔渣狀玄武巖，也有泥質(zhì)、砂質(zhì)、角礫狀的凝灰?guī)r，結(jié)晶程度不均一，疏松多孔、脆而硬、松而軟的巖石交互出現(xiàn)，屬于低活性的硬脆性地層，易引起垮塌。

2，鉆井液性能原因

影響井壁不穩(wěn)定的除了地質(zhì)因素外，鉆井液特性亦是很重要的影響因素。

在南堡5-4井館陶組玄武巖段鉆進(jìn)前期采用PAM普通聚合物鉆井液，其高溫高壓濾失量都比較高，鉆遇易塌層后泥頁(yè)巖吸水膨脹，產(chǎn)生的膨脹力超過(guò)地層水化后的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生剝落坍塌。PAM鉆井液的pH值高達(dá)11～13，增加了粘土的水化和分散程度，進(jìn)一步加劇了井眼的不穩(wěn)定。給鉆井施工順利進(jìn)展帶來(lái)許多麻煩，如井壁出現(xiàn)大量掉塊，起下鉆遇阻，循環(huán)不出巖石掉塊，縮徑等。后期通過(guò)采用抗高溫性能穩(wěn)定的三磺鉆井液(磺化酚醛樹脂、磺化褐煤樹脂、無(wú)熒光磺化瀝青)體系，降低了鉆井液pH值至8～9.5，加之正電聚醇、甲酸鹽兩種主要處理劑協(xié)同作用，有效抑制了井壁膨脹、坍塌，取得了良好護(hù)壁效果。

鉆井液液流在環(huán)空形成紊流對(duì)井壁沖刷嚴(yán)重以及在易塌井段定點(diǎn)循環(huán)鉆井液，也會(huì)造成井眼不穩(wěn)定。

3，工藝方面的失穩(wěn)原因

鉆井工藝措施也是影響井眼穩(wěn)定的一個(gè)不可忽視的因素。

如鉆速與排量匹配不合理，鉆屑不能及時(shí)帶出來(lái)，再加之鉆井液粘切高，鉆屑粘貼井壁，造成起鉆“拔活塞”，抽塌下部地層；

起鉆未及時(shí)灌足鉆井液、井內(nèi)壓力激動(dòng)、井內(nèi)液柱壓力大幅度降低等都會(huì)引起井壁不同程度的剝落坍塌，

井身質(zhì)量差、井身結(jié)構(gòu)不合理、鉆具對(duì)易塌層的機(jī)械碰擊和鉆具刺穿等都會(huì)加劇井塌。

鉆井液排量大小對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響也是雙向的：大排量的鉆井液容易沖蝕井壁引起坍塌；小排量在該地層又容易引起縮徑。該井段的排量為37 L／S，泵壓為20MPa。排量略大，造成坍塌，以致后期短起下困難。

在施工過(guò)程中，影響井壁穩(wěn)定的，還有一些其他因素，如起下鉆過(guò)程中產(chǎn)生的激動(dòng)壓力、鉆具的機(jī)械擾動(dòng)對(duì)井壁影響，井斜與方位的變化等。這些雖然在施工中已經(jīng)十分注意，但對(duì)井壁穩(wěn)定的影響仍不能忽略。

三，幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

在影響井眼穩(wěn)定性的諸因素中，地質(zhì)因素是客觀存在的，且難以改變，而鉆井工藝技術(shù)比較容易解決，故重點(diǎn)探討鉆井液技術(shù)及鉆井工程措施對(duì)井壁不穩(wěn)定的控制。

1，適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦潜ＷC井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)

本井針對(duì)玄武巖段井壁不穩(wěn)定的特點(diǎn)采取了以下的工藝措施，保證了施工的順利進(jìn)展。

(1)合理的井身結(jié)構(gòu)，封掉玄武巖以上的軟地層，在館陶組中，砂礫巖和玄武巖的埋藏厚度比較厚，膠結(jié)性差，易產(chǎn)生漏失，易坍塌，二開(kāi)套管φ339.7mm×12.19ram×P110下深2337.15m有效封住館陶組及以上油氣層， 保證鉆進(jìn)井段處于一套壓力體系之中，以便于維護(hù)泥漿性能及密度的穩(wěn)定。

(2)保持液柱壓力，減少壓力激動(dòng)。起鉆時(shí)要連續(xù)或定時(shí)向井內(nèi)灌入鉆井液，保持井口液面不降或下降不超過(guò)5米。控制起下鉆速度、鉆速等，減少抽吸作用。

2，合理的鉆井液技術(shù)是成功的關(guān)鍵

由引起南堡5-4井井壁不穩(wěn)定原因知，要想防止井壁不穩(wěn)定，首先必須選擇合理的鉆井液體系。本井段施工所用鉆井液體系經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證性能優(yōu)異，符合鉆井施工安全技術(shù)要求。

本井段泥漿體系以三磺(磺化酚醛樹脂、磺化褐煤樹脂、無(wú)熒光磺化瀝青)泥漿體系為主，增強(qiáng)了泥漿的抗高溫穩(wěn)定性。

對(duì)聚合物處理劑的選擇，應(yīng)能夠最大限度地抑制和減弱泥頁(yè)巖中各種粘土礦物的水化。其途徑有：

(1)采用長(zhǎng)鏈大分子聚合物，因其能產(chǎn)生多點(diǎn)式吸附、包被粘土表面，阻止泥頁(yè)巖與鉆井液中自由水的接觸，

(2)采用特殊陽(yáng)離子(如鉀離子、銨離子等)抑制泥頁(yè)巖水化；

(3)加入具有機(jī)械堵孔作用的磺化瀝青，封堵泥頁(yè)巖的層理、微裂縫，阻止與減少鉆井液濾液進(jìn)入地層；

(4)配合高溫高壓降濾失劑sMP，使濾餅更致密、堅(jiān)韌，并具有可壓縮性，從而提高封堵效果；

(5)控制鉆井液pH值，減弱粘土礦物的自身水化能力。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)不同情況及時(shí)調(diào)整鉆井液的流變性能并充分利用固控設(shè)備，最大限度的除去鉆井液中的有害固相，含砂量控制在O.3％以內(nèi)。

3，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作是井壁穩(wěn)定的重要保證

項(xiàng)目組成員形成定期溝通和會(huì)診制度，超前思維、超前預(yù)防，對(duì)每一米鉆時(shí)變化情況、井底返出鉆屑情況、頂驅(qū)扭矩變化情況等都進(jìn)行綜合分析，認(rèn)真分析井下情況，及時(shí)調(diào)整鉆井液密度和性能帶出坍塌物，控制由于力學(xué)不穩(wěn)定因素造成的坍塌。

同時(shí)提高鉆井液的造壁、護(hù)壁性能及對(duì)微細(xì)裂縫的封堵能力，減輕鉆井液對(duì)井壁的沖刷，保證泥餅的質(zhì)量。

結(jié)論

(1)南堡5-4井玄武巖段井壁不穩(wěn)定是由于地層存在層理及微裂縫等力學(xué)因素以及礦物水化膨脹分散所致。

(2)解決力學(xué)因素引起的井壁不穩(wěn)定主要靠合理使用鉆井液密度。瀝青類處理劑可以封堵泥頁(yè)巖的層理、微裂縫，配合sMP可以提高封堵效果，三磺泥漿體系抗高溫性能穩(wěn)定，便于維護(hù)鉆井液性能。

(3)解決礦物水化分散，應(yīng)采用抑制性強(qiáng)的處理劑，控制低的濾失量及pH值。

(4)易塌地層應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)你@井液性能參數(shù)，保持平板型層流，減輕鉆井液對(duì)井壁的沖蝕。

(5)為防止井壁不穩(wěn)定，除采用有效的鉆井液工藝措施外，還應(yīng)有合理的鉆井措施相配合，才能達(dá)到控制井壁不穩(wěn)定的目的。