東勝氣田錦58井區(qū)井塌原因分析及鉆井液認(rèn)識

華 松，常洪超，尹付國，海 斌，秦 菲

（1.中國石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南南陽 473132；2.中國石化華北石油工程有限公司國際公司，河南鄭州 450006）

東勝氣田錦 58井區(qū)構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊盟北部隆起帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷層局部發(fā)育、地層破碎和裂縫發(fā)育[1]。鉆井過程中常遇到井漏、井塌等問題，造成劃眼、卡鉆、電測遇阻等事故，嚴(yán)重制約了鉆井周期。分析已鉆井資料發(fā)現(xiàn)，劉家溝組地層裂縫發(fā)育，易發(fā)生井漏；石千峰組、石盒子組泥巖地層坍塌嚴(yán)重，井壁穩(wěn)定問題突出。如 JPH–406井在石盒子組3 030.0～3 110.0 m井段出現(xiàn)嚴(yán)重垮塌，兩次填井側(cè)鉆，嚴(yán)重影響了鉆井速度和經(jīng)濟效益。

1 地層巖性及黏土礦物組分

錦58井區(qū)石千峰組與上石盒子組泥巖分布廣、層位穩(wěn)定，泥巖段長。石千峰組和石盒子組泥巖中的黏土礦物主要為伊蒙混層，含量75%左右；其次為伊利石、綠泥石和高嶺石，屬于硬脆性泥巖。石盒子組黏土礦物中伊蒙混層含量高達65%～77%；其次為伊利石、綠泥石和高嶺石。下石盒子組盒1段儲層巖性以含礫中粗砂巖屑為主，其次為細(xì)–中粒巖屑石英砂巖。儲層中富含黏土礦物，黏土礦物總量為 36.6%～38.1%，黏土礦物以伊蒙混層為主，含量高達65%左右；其次為伊利石、高嶺石和綠泥石。大部分高嶺石、綠泥石與凝灰質(zhì)蝕變有關(guān)，高嶺石常呈碎屑外形，地層較為破碎，儲層填隙物主要為黏土礦物（高嶺石、伊利石、綠泥石）。

2 井塌原因分析

（1）石千峰組、石盒子組地層泥巖分布廣，泥巖中大量蒙脫石和伊蒙混層的水化、膨脹、分散是造成坍塌和阻卡的主要原因。

（2）錦58井區(qū)多為三開帶導(dǎo)眼水平井，二開裸眼段長，同一裸眼段內(nèi)存在不同壓力體系，鉆井液密度窗口窄[2]。石千峰組、石盒子組界面造斜井段泥巖需要一定的鉆井液密度支撐，而受劉家溝組中下部與石千峰組上部地層承壓能力的制約，鉆遇石千峰組與石盒子組界面時，密度調(diào)整不到位，造成井內(nèi)液柱壓力低，井壁失去力學(xué)支撐，導(dǎo)致井壁垮塌。

（3）錦 58井區(qū)斷層局部發(fā)育[3–4]，構(gòu)造復(fù)雜，石千峰組和石盒子組發(fā)育大段泥巖，上石盒子組棕紅、棕褐色的塑性泥巖水化膨脹造漿嚴(yán)重；下石盒子組灰褐色脆性與塑性泥巖整體表現(xiàn)為硬脆性剝落掉塊坍塌[5]，泥巖層理和裂隙發(fā)育，鉆井液濾液進入地層，泥巖易水化、膨脹、分散，導(dǎo)致井壁垮塌。

（4）預(yù)防井漏鉆進時，排量提不上來，不能有效攜帶巖屑；井斜較大時（大于45°），易形成巖屑床，不易清除，造成通井遇阻、劃眼，越劃越嚴(yán)重引起井塌。復(fù)雜井段多在石千峰組、石盒子組地層，巖性為棕褐色泥巖與砂巖互層，膠結(jié)差，泥巖易剝落形成“大肚子”井眼，造成井眼不規(guī)則。

（5）井漏頻繁，因漏致塌。井漏后液柱壓力降低，無法平衡地層壓力，造成井壁失穩(wěn)。

（6）鉆井液封堵能力較差，失水不易控制，泥餅質(zhì)量差，濾液進入引起孔隙壓力升高，導(dǎo)致井壁剝落；鉆井液抑制性不強，泥餅虛厚，造成鉆頭、扶正器泥包，起鉆抽吸，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

（7）泥巖段定向鉆進，滑動時間長。定向段施工過程中，在泥巖段滑動鉆進鉆時較長，增加了泥巖段的沖蝕，易造成井壁不規(guī)則，不利于巖屑的上返，引起后期通井時間長，泥巖浸泡，加大井壁垮塌的風(fēng)險。

3 鉆井液防塌技術(shù)關(guān)鍵

（1）鉆至劉家溝組前，加入適量屏蔽暫堵材料，根據(jù)相鄰區(qū)塊劉家溝組巖心裂縫測量結(jié)果，裂縫寬度一般不超過1 mm。選擇不同粒徑的顆粒狀堵漏材料和纖維狀材料，可確保更多的堵漏材料進入地層，即隨鉆封堵材料要及時封堵微裂縫，防止裂縫擴展，形成致密封堵層[6]，起到防漏作用。在鉆進過程中及時補充不同粒徑的封堵材料，從而預(yù)防鉆進中劉家溝組的漏失，提高地層承壓能力。

（2）提高鉆井液體系的抑制能力，強化封堵作用。采用鉀銨基復(fù)合防塌鉆井液，通過K+和NH4+離子的晶格固定和離子交換作用來抑制泥頁巖水化膨脹[7–8]，并利用大分子的包被吸附作用，復(fù)配超細(xì)碳酸鈣、陽離子乳化瀝青填充微裂縫，降低失水。易失穩(wěn)泥巖層段濾失量控制在4 mL以下，同時提高濾液黏度[8]，減小濾液滲入地層的速度和滲入量，防止泥巖水化膨脹，剝落掉塊，達到穩(wěn)定井壁的目的。

（3）根據(jù)井下情況及時調(diào)整鉆井液密度，支撐井壁。石千峰組、石盒子組地層調(diào)整好流變參數(shù)，適當(dāng)提高鉆井液的黏度、切力，保持動塑比為0.36～0.60，減輕鉆井液對井壁的沖刷。提高懸浮和攜帶巖屑的能力，將鉆屑高效地攜帶至地面，做好短起下鉆，避免大斜度井段形成巖屑床。加足潤滑劑，保持鉆井液具有良好的潤滑性能。

（4）控制固相含量，特別是低密度固相。低密度固相含量越低，鉆井液的內(nèi)摩擦力就越小，有利于減少能量消耗，同時提高鉆井液的高溫穩(wěn)定性、抗污染能力等[9–12]。選用絮凝能力強的聚丙烯酰胺，同時充分使用好四級固控設(shè)備，振動篩盡量使用細(xì)目篩，提高除砂器、除泥器和離心機的使用效率，有效清潔鉆井液，提高機械鉆速。

（5）控制起下鉆速度。確定遇卡鉆頭位置巖性，砂巖選點循環(huán)，將井筒內(nèi)的沉砂分段攜帶出來，防止井段過長、巖屑濃度過高而壓漏地層。盡可能減少在復(fù)雜井段的起下鉆趟數(shù)，減少鉆頭、鉆具對井壁的破壞。

4 鉆井液體系配方及性能評價

4.1 鉆井液體系配方

JPH–438井位于錦58井區(qū)核心區(qū)，為三級井身結(jié)構(gòu)帶導(dǎo)眼的開發(fā)水平井，設(shè)計井深4 237.7 m，水平段長900.0 m。該井采用鉀銨基復(fù)合防塌鉆井液，強化鉆井液節(jié)點控制，優(yōu)化鉆井液性能指標(biāo)，滿足井下安全施工。

一開井段采用聚合物鉆井液：清水+（6.0%～7.0%）鈉 土+（0.2%～0.3%）Na2CO3+（0.1%～0.2%）K–PAM+（0.1%～0.2%）聚丙烯酰胺。

二開直井段采用低固相鉀銨基聚合物鉆井液：一開鉆井液+（0.1%～0.3%）NaOH＋（0.1%～0.2%）K–PAM+（0.1%～0.2%）聚丙烯酰胺+（0.2%～0.3%）K–HPAN+（0.2%～0.3%）NH4–PAN+（0.3%～0.5%）降失水劑KJ–1。

二開斜井段采用進入石千峰組后采用鉀銨基復(fù)合防塌鉆井液：原鉆井液+（0.1%～0.3%）NaOH+（0.3%～0.5%）K–PAM+（0.3%～0.5%）聚丙烯酰胺＋（0.5%～1.0%）NH4-PAN+（2.0%～3.0%）陽離子乳化瀝青+（1.0%～2.0%）SMP–1+（1.0%～2.0%）SPNH+（1.0%～2.0%）超細(xì)碳酸鈣+（1.0%～1.5%）降失水劑KJ–2+（2.0%～3.0%）潤滑劑+（1.0%～2.0%）乳化石蠟。

三開井段采用鉀銨基復(fù)合防塌鉆井液：二開鉆井液+（0.1%～0.3%）NaOH+（0.3%～0.5%）K–PAM+（0.3%～0.5%）聚丙烯酰胺+（0.5%～1.0%）NH4–PAN+（1.5%～2.0%）陽離子乳化瀝青+（0.5%～1.0%）降失水劑 KJ–2+（1.0%～2.0%）超細(xì)碳酸鈣+（2.0%～3.0%）潤滑劑。

4.2 鉆井液體系室內(nèi)評價

4.2.1 抑制性評價

（1）巖屑滾動回收率。采用JPH–406井石千峰組–石盒子組泥巖進行室內(nèi)滾動回收率實驗。實驗時間為 16 h，實驗溫度為 100 ℃，測定溫度為50 ℃，實驗數(shù)據(jù)如表1。

（2）頁巖膨脹性評價。取標(biāo)準(zhǔn)膨潤土過100目篩，以105 ℃烘干，稱取10 g，以12 MPa壓力下壓制5 min后，用高溫高壓智能膨脹儀在120 ℃、3.5 MPa條件下測其在濾液中不同時間的膨脹率，結(jié)果見表2。

表2 高溫高壓膨脹率實驗數(shù)據(jù)

由以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，清水巖屑回收率僅僅只有9.33%，說明巖樣具有較強的水化能力，鉀銨基鉆井液體系熱滾回收率可以提高到88.52%，而16 h后線性膨脹率降至8.50%以下，這表明鉆井液體系抑制性強，能夠有效抑制黏土礦物的水化分散和膨脹。

4.2.2 封堵能力評價

對鉆井液體系封堵能力進行了高溫高壓濾失儀室內(nèi)實驗。實驗步驟：①將過40～60目的砂子清洗干凈后烘干備用；②在高溫高壓濾失儀中加入40～60目200 g砂子鋪平成砂床；③慢慢加入400 mL鉆井液至高溫高壓濾失儀中，逐漸加壓至 3.5 MPa，在120 ℃分別測試1.0，7.5，30.0 min的濾失量；④對測試完30.0 min濾失量的高溫高壓泥漿罐加壓測定封堵膜。計算得到30 min累計濾失量為4.4 mL，鉆井液體系封堵能力較好，有利于維持井壁穩(wěn)定，確保井下安全。

4.2.3 抗巖屑污染能力評價

錦58井區(qū)石千峰組、石盒子組黏土礦物中蒙脫石含量高，鉆進中極易水化造漿，導(dǎo)致鉆井液性能不穩(wěn)定，引起井下不安全。取JPH–406井石千峰組、石盒子組巖屑對鉀銨基鉆井液體系進行抗巖屑污染能力評價，實驗時間為 16 h，實驗溫度為 100 ℃，測定溫度為50 ℃，實驗數(shù)據(jù)見表3。

由表3可以看出，隨著巖屑量的增加，鉆井液體系的黏度、動切力逐漸增加，整體流變性較穩(wěn)定。當(dāng)巖屑加量增加到10%時，體系動切力明顯增大；體系動切力增加到15%時，上升趨勢變大，流變性變差。因此，該體系抗巖屑的污染能力在15%以下，能夠有效抑制劣質(zhì)土的水化造漿，增強鉆井液體系的抑制性；同時，在鉆進過程中，合理使用固控設(shè)備清潔劣質(zhì)固相，保證泥漿流變性能穩(wěn)定。

4.3 實測鉆井液性能

鉆井液性能穩(wěn)定，流變性較好，失水較小。在三開泥巖段，增大防塌劑含量并提高鉆井液密度，保證了泥巖段穩(wěn)定施工（表4）。

4.4 JPH–438井井徑與JPH–406井井徑對比

JPH–438井在石千峰組、石盒子組地層井徑擴大率比JPH–406井明顯下降，說明JPH–438井井徑規(guī)則，結(jié)合起下鉆情況分析，泥巖段未發(fā)生垮塌井眼穩(wěn)定（表5）。

表3 鉆井液抗巖屑污染實驗數(shù)據(jù)

表4 實測鉆井液性能

表5 JPH–438與JPH–406井徑對比

4.5 應(yīng)用效果

JPH–438井隨鉆堵漏效果顯著，全井在鉆至2 730.0 m（石千峰組）時發(fā)生一次漏失，采用橋塞堵漏成功且未發(fā)生復(fù)漏；鉆至石千峰組與石盒子組界面時，井眼穩(wěn)定，起下鉆正常；三開水平段在鉆至3 650.0 m時遇到三段泥巖，泥巖總長104.0 m，鉆井液密度提升至1.23 g/cm3，并加入超細(xì)碳酸鈣、陽離子乳化瀝青、潤滑劑，井眼穩(wěn)定，潤滑性好，保證了井下安全。

5 結(jié)論

（1）錦58井區(qū)斷層局部發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，石千峰組和石盒子組發(fā)育大段泥巖，泥巖層理和裂隙發(fā)育，且黏土組分以高嶺石和伊利石為主，并含較多的蒙脫石和伊/蒙混層，易吸水膨脹、垮塌。鉆井液的強抑制性和強封堵性是重點，鉆井液密度是防塌的關(guān)鍵。

（2）井區(qū)安全密度窗口窄，針對易漏層實施隨鉆封堵，逐步提高劉家溝組地層的承壓能力，可防止石千峰組、石盒子組地層發(fā)生坍塌。

（3）加強鉆井液節(jié)點控制，強化鉆井液性能，鉆至劉家溝組時控制密度小于1.08 g/cm3，進入石千峰組逐步提高鉆井液密度，進入石盒子組前密度達到1.18 g/cm3，完鉆前密度維持在1.20 g/cm3，并補充瀝青類、超細(xì)碳酸鈣、潤滑劑，增強封堵及潤滑性能；水平段鉆遇長泥巖，密度提高至1.18～1.25 g/cm3，做好防塌措施，保證井眼穩(wěn)定和井下安全。