蘇北地區鉆井井壁失穩原因與對策

袁毅(中國石油大學， 山東 青島 266580)

蘇北地區鉆井井壁失穩原因與對策

袁毅(中國石油大學， 山東 青島 266580)

蘇北地區石油鉆井目的層位主要含有硬脆性灰黑色泥巖，地層穩定性差，地層剝落掉塊、垮塌嚴重，劃眼、卡鉆等復雜情況頻發，井壁失穩是影響蘇北地區鉆井施工效率的主要原因之一，故對井壁失穩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，本文從力學角度結合泥頁巖水化作用分析泥巖井壁穩定的影響因素，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；鉆井液；密度

1 井壁失穩的影響因素

井壁失穩問題的誘因很多,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。當井內液柱壓力小于地層孔隙壓力時,可能使井壁巖石產生剪切破壞,對于塑性巖石這個時候通常會導致縮徑問題,而脆性巖石則會產生坍塌掉塊,造成復雜情況。地層強度對淺井井壁穩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。由于泥頁巖結構和組分上的特點,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生顯著變化,最終導致井壁失穩,發生鉆井復雜事故。

當打開地層后水分子和溶質在鉆井液和泥頁巖間發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, 產生水化應力, 導致泥頁巖膨脹和張性失穩。

(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，現場可用提高鉆井液密度防止井壁坍塌的方法。鉆井液溶質濃度增加，井壁更加穩定[4]。因為溶質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，通過理論分析與施工總結發現蘇北地區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，保證井壁的穩定。現場可以選用防塌瀝青、有機硅腐植酸鉀等復配，在微裂隙發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，井壁起初是穩定的，一天后最容易發生坍塌，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、起下鉆等作業過程中，注意操作平穩，盡量減少壓力激動。下鉆時采取分段循環的方式，開泵時應先小排量循環，井口出漿后再逐漸開到正常排量。

3 結語

本地區的泥巖井壁失穩主要是由水化膨脹進而力學失穩造成的。所以在合理的鉆井液密度穩定井壁的基礎上,降低鉆井液的濾失量、優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定的要求。鉆遇灰黑色泥巖段時出現巖屑剝落情況時應及時分析原因，由于地層吸水膨脹而產生剝落掉塊、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.泥頁巖井壁穩定性研究[D].北京：中國地質大學,2009.

[2]王曉敏.塔河油田AT9區塊鉆井液體系優選[D].北京.中國地質大學,2013.

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

[4]王倩.泥頁巖井壁穩定影響因素分析.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，現在華東石油工程公司六普鉆井公司從事鉆井技術工作。