蘇南區塊鉆井復雜預防技術研究

歐陽建勇，王勇，楊恩友李平，吳予平，馮小科

（中石化河南石油工程有限公司 南陽項目部鉆井工程公司，河南 南陽473132）

蘇南區塊位于寧夏、陜西、內蒙三省交界處，地處毛烏素沙漠邊緣，構造上屬于鄂爾多斯盆地天環坳陷構造帶。天環坳陷構造帶在平面上呈南北向帶狀分布，夾持于陜北斜坡和西緣斷裂帶之間，不僅受到2大構造單元的影響，而且處在盆地的 “鍋底”，成油藏條件相對復雜，大大增加了鉆井工程難度。鉆井過程中出現了多種井下復雜，導致鉆井周期延長，為了最大限度減小井下復雜事故，提高鉆井速度，對該區塊展開了井下復雜預防技術的研究。

1 鉆井主要難點

蘇南區塊鉆井施工過程中易出現井漏、井壁垮塌、煤層卡鉆、鉆頭故障等復雜情況，是蘇里格區塊井下故障頻發區塊，導致該區塊機械鉆速低，建井周期長。鉆井施工中主要存在以下技術難點：

1）表層黃土層易發生井漏，嚴重時會泡垮井架基礎。

2）延長組、劉家溝組存在不同程度漏失，有時常規堵漏屢次失敗，增加次生故障的概率。

3）直羅組由于煤層發育，且含有多套煤層，煤層失穩坍塌，操作不當就會發生煤層卡鉆。

4）石盒子組由于埋藏較深，約為3700～4100m，地層多為泥巖，膠結致密，可鉆性差，導致鉆頭優選難度增加。

2 井下復雜預防技術研究

2.1 表層井漏

2.1.1 表層井漏機理

表層井漏多發生于表層上部，鉆遇基巖后，隨著井深增加，壓實程度越來越高，井漏幾率隨之降低；加之鉆表層過程中，多為清水聚合物泥漿體系，相對密度較低，一般不會由于液柱壓力過高導致井漏，常常是由于表層上部黃土層膠結疏松導致井漏。

2.1.2 表層井漏預防技術

通過對蘇南區塊以往施工井的表層漏失進行綜合分析，對該地區表層漏失進行了詳細研究，初步選定下導管和減小泵排量兩種方法來預防表層漏失。

1）導管防漏 鉆井工程中常常認為只要下部鉆進作業中上部地層容易出現井漏、井跨等復雜時，通常選擇使用套管將上部的復雜層位封閉，以便于進行下部鉆進，出于這種理念，就出現了使用導管來封閉上部黃土層的方法［1］。

在蘇394井表層鉆進施工中，通過查閱鄰井及相關地質資料，黃土層厚度為30m，利用低排量（12～18L／s）鉆至井深28m，下入導管27m，候凝結束后，一開鉆進過程中，由于轉速較高導致導管擺動幅度較大，只能降低轉盤轉速，進而制約了機械鉆速；鉆井過程中也出現導管外上返泥漿，導致井口變大，只能靠圓井來制約井口井徑繼續變大；下表層套管（以下簡稱 “表套”）結束后，無法正常開泵，導致起表套等故障，經分析認為主要原因是由于導管外部上返泥漿后，導致井徑增大，巖屑上返速度較低，在井底出現沉砂堆積，導致堵死套管內外部，無法建立循環，因而可以看出，下入導管不僅制約了機械鉆速的提高，還給后期下表套及固井留下隱患，而且在表層固井時發現由于井口垮塌嚴重，井口安放的圓井口裝置下沉了3～4m，如固井不及時，有可能泡垮井架基礎，因而下導管不是最佳的解決方案。

2）降低排量 經過查閱鄰井資料后分析，在黃土層降低排量，可以大大減少井漏，鉆穿黃土層后，根據井漏情況適當地增加排量，提高攜巖能力，在李5井施工中就嘗試采用降低排量的方法進行鉆進，該處黃土層厚度約26m，在鉆黃土層過程中選擇排量至10～16L／s，雖然鉆黃土層過程中也出現了輕微漏失，但在鉆穿 “石板層”后未發現井漏，鉆完表層后，使用稠漿攜帶井下巖屑，使得后期下表套及固井作業順利進行，較下導管表層作業縮短1d，因而使用降低排量的方案在現場的應用效果較為明顯。

2.2 延長組、劉家溝組井漏預防技術

2.2.1 漏失機理

延長組、劉家溝組井漏的主要原因有2個，一是地層（如天然裂縫和誘導裂縫地層、高滲透非膠結地層）（屬內因）；二是外來壓力（指鉆井液液柱及由它傳遞給地層的外來壓力）（屬外因）［2］。假如壓差超過地層破裂強度，就發生井漏；壓差為零，井漏停止。所以控制壓差是防漏和堵漏的關鍵，而外來壓力由以下3部分組成：①鉆井液液柱靜壓力梯度，它由鉆井液密度決定；②循環壓力，其大小取決于循環速度、環空尺寸和鉆井液流動特性；③激動壓力，指鉆井中措施不當引起的驟增瞬時力（產生情況有啟動泥漿泵過猛、起下鉆過快及鉆井液流變性能差）。

2.2.2 堵漏機理

只有弄清堵漏機理，才能根據不同類型漏層選用相應的堵漏劑，使堵漏工作達到預期目的。漏層可分為水平漏層和垂直漏層2類。

l）水平漏層封堵機理 水平漏層分2種情況，一是多孔砂礫地層，這種漏層用橋堵劑可以奏效。理由是堵漏劑粒度比鉆井液中固相顆粒大，存積于砂礫地層孔隙內，使鉆井液不能通過，在其表面又形成一層泥餅，該泥餅牢固不易被沖走。二是天然水平裂縫。如裂縫縫寬小于6.4mm，縫內需用粒狀堵漏劑填滿，縫口需用堵漏劑和鉆井液固體顆粒粘住，橋堵混合劑能有效地封堵該裂縫。如裂縫縫寬在64～254mm范圍，則要求黏度切力高和流動阻力大的堵漏劑。

2）垂直漏層封堵機理 垂直漏層的裂縫大多為誘導裂縫，成功的關鍵取決于施加于它的壓力大小，經室內試驗證明，軟堵塞劑能獲得成功。其作用有二：其一是撐開裂縫，撐開裂縫不能進一步擴大；其二是避免將壓力傳遞給誘導裂縫。

2.2.3 井漏現狀

在蘇里格南區塊延長組和劉家溝組鉆進過程中，遇到了滲透性漏失和失返性質的裂縫性漏失。對于滲透性漏失，現場采用常規隨鉆堵漏的方式堵漏，起到了較好的堵漏效果；對于失返性質的裂縫性漏失，在改變鉆井液堵漏材料尺寸的基礎上，部分平臺堵漏施工中見到了一定的堵漏效果，但是忠探1井，大尺寸堵漏劑堵漏效果依然較差［3］。這就要求我們根據現場不同平臺的井漏堵漏情況進行研究并總結，做好蘇里格南區塊的防漏堵漏鉆井液技術研究。

2.2.4 防漏堵漏的施工難點

2.2.4.1 防漏的施工難點

1）鉆井液體系的制約 延長組鉆進均采用無固相鉆井液體系，該體系不能形成泥餅，基本不具有防漏功能。

2）鉆井工藝的制約 鉆井采用的MWD定向儀器，在易漏層位施工時常規的防漏方案對隨鉆信號有影響，不能得到很好應用。

3）地質條件的制約 在蘇里格南區塊劉家溝組一般為失返性漏失，由于該地層存在天然裂縫，鉆井液固相顆粒不能達到封堵要求，因此給防漏工作帶來很大障礙。

2.2.4.2 堵漏的施工難點

1）堵漏不及時 由于延長組采用無固相體系，發現漏失不能及時采取堵漏措施，使漏層的漏失趨勢加大、漏失通道形成，錯過了堵漏施工的最佳時機，增加了堵漏難度。

2）常規橋塞堵漏的局限性 由于橋塞堵漏的局限性往往需要多次，才能取得較好的堵漏效果，從而耗費了大量的人力物力財力，最終影響整個鉆井速度。

3）漏失層位多 蘇南區塊的施工中存在多個漏層，由于不能用堵漏泥漿鉆穿整個易漏地層，所以往往容易在鉆進至下個漏層的過程中把上部已經關閉的漏失通道沖刷開，反復堵漏，最終造成堵漏的失敗。

2.2.5 防漏堵漏措施

2.2.5.1 鉆井液方面

1）鉆井液體系轉型，進入漏層前100m將鉆井液體系轉換為具有防漏功能的低固相天然高分子鉆井液體系。

2）性能維護，按改型比例補充鉆井液消耗量，嚴禁直接大量加入清水。

3）鉆井液凈化，使用好固控設備，保證及時高效地清除鉆屑和劣質固相。

4）堵漏材料儲備，儲備足夠的常規處理劑及堵漏材料，發現漏失立即進行堵漏作業。

5）為預防出現失返性質漏層，應儲備大、中、小不同粒徑的堵漏劑，堵漏失敗后，應認真分析漏失原因及井段，必要時可考慮擠水泥堵漏。

2.2.5.2 鉆井工程方面

1）根據已鉆漏失井資料，鎖定每個井區的漏失區域。施工過程中有意識地將井眼軌跡遠離漏失區域。

2）進入預計漏層前20m徹底循環洗井，開泵應嚴格控制排量，應先小排量循環通暢后，再根據攜巖要求，逐漸提高泵排量，防止人為蹩漏薄弱地層。

3）在易漏的地層鉆進時發現鉆時突然加快應立即上提鉆具循環觀察無異常后方可恢復鉆進。4）起下鉆控制鉆速以避免壓力激動造成井漏。

5）下鉆小排量打通水眼并避開漏層以防止人為操作造成井漏。

2.3 直羅組煤層坍塌預防技術

2.3.1 煤層坍塌機理

2.3.1.1 煤本身的脆弱性

1）鉆井液密度的影響［4］煤巖抗拉強度和彈性模量很小，鉆井液密度過低會引起構造應力釋放，使煤層沿節理和裂縫崩裂坍塌，大量的掉塊上浮會造成環空阻流和卡鉆；鉆井液密度過高時，水在壓差作用下楔入煤層，將裂縫撐開使煤層坍塌。

2）不穩定泥頁巖的影響 煤層下的泥頁巖坍塌后，煤層因失去支撐而使垮塌加劇；同樣，煤層的坍塌也促進了上部泥頁巖的坍塌，形成惡性循環。

2.3.1.2 鉆井液中水的影響

1）水化膨脹作用 煤中少量的黏土礦物主要分布在煤的裂縫和孔洞中，起膠結作用，煤巖吸水后產生水化膨脹。煤的抗拉強度低，彈性模量小，煤中絲質體和鏡質體各自獨立，非均質性強，水化膨脹導致局部應力集中，引起剝落坍塌。另外，膨脹也是煤巖內聚力降低、裂縫擴張的宏觀表現。高溫也會加劇水化作用，促使地層的坍塌。

2）膠結物的溶解 煤中含有微量可溶鹽，總的體積分數為0.12%～0.14%，主要分布于裂縫和孔洞中，起膠結作用。煤巖吸水后無機鹽的溶解使裂縫間的膠結破壞，煤的強度下降，造成剝落坍塌。

2.3.2 煤層防塌預防措施

1）降低轉速，控制起下鉆速度，減少旋轉鉆具和壓力激動對煤層井壁的影響。

2）提前結合地質資料，預先做好煤層鉆進技術方案，出現鉆時加快，應停止鉆進循環觀察，適當的上提鉆具劃眼，鉆遇多套煤層時，應合理安排短程起下鉆，確保井壁穩定及井下安全。

3）精確計算并嚴格控制鉆井液密度，控制鉆井液排量和流變性，減輕沖刷作用。

4）加強煤層段泥頁巖的防塌性能研究，減少泥頁巖垮塌對煤層的影響。

5）在鉆井液中加足各類適當的封堵材料，以封堵裂縫和孔洞，減輕鉆井液對裂縫的侵入。

2.4 石盒子組鉆頭故障預防

蘇南區塊石盒子組上部主要以紫紅、黃綠色泥巖和中砂巖、砂質泥巖為主，下部為淺灰色粗砂巖，夾有含礫砂巖。石盒子組處在3700～4100m之間，由于埋藏較深，泥巖膠結致密，可鉆性差，加之含有礫石夾層，導致PDC鉆頭使用效果明顯降低，因而優選出一種適合石盒子組鉆進的鉆頭顯得相當關鍵。

2.4.1 石盒子組鉆頭使用情況

在蘇南區塊石盒子組鉆進過程中使用了3只PDC鉆頭和2只牙輪鉆頭，鉆頭參數指標見表1；鉆石盒子組地層后起出的鉆頭見圖1。

表1 蘇南區塊李7井石盒子井段鉆頭技術參數

2.4.2 鉆頭使用分析

從表1的數據及圖1可以看出，無論萊州還是銳石PDC鉆頭，單只鉆頭進尺及機械鉆速與牙輪鉆頭相比都不是太理想，尤其是PDC鉆頭在起出后均達到報廢水平，鉆頭1外徑磨損到只剩197mm（入井新鉆頭外徑為241.3mm），導致下一只鉆頭需要長段劃眼，操作不當有可能發生 “小井眼卡鉆”；鉆頭2和鉆頭4起出后冠體出現明顯磨損；然而2只牙輪鉆頭起出后，均無明顯損傷；鉆頭5起出后，基本完好，而且在鉆進過程中鉆時比較穩定，易于判斷井下情況。

2.4.3 石盒子組鉆頭建議及操作注意事項

從石盒子組的巖性分析及鉆頭使用情況判斷，該層位PDC鉆頭使用效果較差，機械鉆速不穩定，不易判斷井下情況；然而牙輪鉆頭鉆進比較平穩，從該地層HJT537G鉆頭的使用情況分析，建議使用HJT517序列或者同級別鉆頭，使用牙輪鉆頭鉆進過程中應及時觀察巖性及鉆時，做好對比工作，預防掉牙輪故障，如鉆井過程中出現鉆時明顯增大趨勢，應果斷考慮起鉆，確保井下安全［5］。

3 結論與認識

1）蘇南區塊大多處于沙漠邊緣，黃土層厚度約30m，表層鉆進過程中，使用降低排量的方法，既加快了鉆進速度，又確保了下表層套管及固表層作業的順利進行。

圖1 鉆石盒子組地層后起出的鉆頭

2）針對劉家溝組、延長組不同程度井漏，提出了防漏及堵漏的預防技術措施，確保井下安全，而且不影響鉆進作業。

3）直羅組煤層發育，易導致井垮甚至卡鉆，從鉆井液以及工程方面提出預防措施，防止惡性故障的發生。

4）石盒子組可鉆性差，使用PDC鉆頭效果不明顯，經過與牙輪鉆頭的對比及地層巖性分析，提出了使用HJT517G系列或同序列的鉆頭，有助于提高機械鉆速，同時還提出了預防牙輪鉆頭井下故障的方法。

［1］趙金洲，張桂林.鉆井工具技術手冊 ［M］.北京：中國石化出版社，2008.

［2］蔣希文.鉆井事故與復雜問題 ［M］.北京：石油工業出版社，2002.

［3］陳平.鉆井與完井工程 ［M］.北京：石油工業出版社，2009.

［4］鄢捷年.鉆井液工藝學 ［M］.東營：中國石油大學出版社，2006.

［5］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術 ［M］.東營：中國石油大學出版社，2006.