碳質(zhì)泥巖鉆水平井防塌工藝措施

王勇強(qiáng) ,陳恩讓,曹 輝

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

0 引言

陜北氣田在氣井水平井施工過(guò)程中，從上古生界石盒子組到下古生界馬家溝組，從大斜度井段到水平段都存在鉆遇碳質(zhì)泥巖后造成井下復(fù)雜問(wèn)題[1- 6]。隨著水平井水平段的延伸，不可避免的會(huì)鉆遇碳質(zhì)泥巖，大段碳質(zhì)泥巖往往造成井下復(fù)雜[7- 10]，尤其是山西組碳質(zhì)泥巖，水平段填井側(cè)鉆率高，所以水平井碳質(zhì)泥巖井段的防塌及其工藝措施是鉆井成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一[11- 15]。

Y2AH井是一口三開結(jié)構(gòu)的氣井水平井，位于陜北氣田，目的層為山西組，該井在水平段山西組施工過(guò)程中，鉆遇碳質(zhì)泥巖后，起鉆時(shí)在斜井段套管內(nèi)造成卡鉆，處理事故長(zhǎng)達(dá)7 d，可見水平井鉆遇碳質(zhì)泥巖時(shí)的鉆井液性能和鉆井工藝措施要求更高。

1 施工卡鉆過(guò)程

Y2AH井三開水平段鉆進(jìn)至水平段長(zhǎng)242 m時(shí)，鉆遇碳質(zhì)泥巖13 m，鉆遇煤層7 m，連續(xù)共計(jì)長(zhǎng)度20 m，應(yīng)用強(qiáng)封堵高性能鉆井液體系，密度1.31 g/cm3，漏斗黏度70 s，API濾失量3.0 mL，pH值9，KCl含量12%。由于鉆遇碳質(zhì)泥巖及煤層后，決定停用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，改用常規(guī)的定向儀器。換常規(guī)定向儀器下鉆到底，儀器無(wú)信號(hào)，循環(huán)鉆井液，準(zhǔn)備起鉆更換儀器，振動(dòng)篩返出量較多，含碳質(zhì)泥巖、煤塊掉塊較多，循環(huán)2 h后，振動(dòng)篩返出基本干凈無(wú)掉塊，起鉆。起鉆至2 305 m(套管內(nèi)，井斜61°)遇阻，接頂驅(qū)開泵，泵壓21 MPa，蹩泵、不返鉆井液，活動(dòng)鉆具上提下放，懸重由800 kN提至980 kN，活動(dòng)無(wú)效，單凡爾開泵憋壓至20 MPa活動(dòng)鉆具，上提后泵壓回落4 MPa，提出15 m后，鉆具卡死，此時(shí)鉆頭位置2 290 m(技術(shù)套管內(nèi)，井斜59°)，鉆頭進(jìn)入套管內(nèi)214.56 m。環(huán)空堵死，無(wú)法建立循環(huán)。

2 卡鉆事故處理經(jīng)過(guò)

接地面震擊器下?lián)簦{(diào)節(jié)刻度至60 t，下?lián)?0次無(wú)效，調(diào)節(jié)震擊器刻度至80 t，下?lián)?0次無(wú)效。隨后采用爆炸松扣，由于鉆頭位置在斜井段，井斜59°，爆炸松扣工具下放困難，爆炸松扣后，魚頂位置2 213 m。然后下入隨鉆震擊器，震擊無(wú)效，決定退出安全接頭起鉆，用反扣鉆具及銑管等工具，倒扣套銑。通過(guò)5次倒扣套銑，落魚全部打撈成功。

隨后簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)(鉆桿+鉆頭)下鉆通井，在井底打兩次高黏循環(huán)，返出較多掉塊(碳質(zhì)泥巖和煤)，短起下鉆，分段循環(huán)，循環(huán)至振動(dòng)篩無(wú)掉塊返出，起鉆完。

圖1為返出的山西組碳質(zhì)泥巖掉塊，直徑最長(zhǎng)的達(dá)到9 cm，且掉塊上有鉆具的磨痕。

圖1 Y2AH井水平段碳質(zhì)泥巖掉塊

3 套管內(nèi)卡鉆原因分析

三開水平段鉆進(jìn)至水平段長(zhǎng)242 m時(shí)，鉆遇碳質(zhì)泥巖、煤層共計(jì)長(zhǎng)度20 m，井底掉塊較多，當(dāng)時(shí)循環(huán)兩周，振動(dòng)篩基本無(wú)掉塊返出，認(rèn)為循環(huán)干凈了，實(shí)際上大的掉塊并未循環(huán)出來(lái)，當(dāng)起鉆到井斜61°時(shí)井斜增大，隨鉆具一起上行的碳質(zhì)泥巖掉塊，由于重力作用下沉堆積，造成在套管內(nèi)卡鉆。

處理套管內(nèi)卡鉆經(jīng)驗(yàn)不足，防范意識(shí)不夠，遇卡后操作不當(dāng)，未及時(shí)接頂驅(qū)開泵循環(huán)，下放活動(dòng)鉆具，造成環(huán)空堵死，無(wú)法建立循環(huán)。

4 碳質(zhì)泥巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 山西組碳質(zhì)泥巖巖心浸泡實(shí)驗(yàn)

將5塊碳質(zhì)泥巖巖心分別在清水、pH值12的燒堿水、30%NaCl水中浸泡5 d后觀察分散情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：

(1)巖心依然完整，說(shuō)明山西組碳質(zhì)泥巖屬于非膨脹性泥頁(yè)巖，頁(yè)巖性質(zhì)比較穩(wěn)定。

(2)在浸泡過(guò)程中，巖心表面和側(cè)面產(chǎn)生微氣泡，說(shuō)明碳質(zhì)泥巖微孔隙和微裂隙發(fā)育，為水的浸入提供了通道，但是水的浸入，并沒有造成小塊巖心開裂、分散。

4.2 山西組碳質(zhì)泥巖大塊巖心熱滾實(shí)驗(yàn)

將靜止常溫浸泡過(guò)的大塊巖心在地層溫度95℃/16 h下滾動(dòng)，結(jié)果見表1。

表1 山西組碳質(zhì)泥巖巖心回收率

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：大塊碳質(zhì)泥巖的一次回收率在99.87%以上，在水中和30%NaCl水中巖心個(gè)別出現(xiàn)了開裂，說(shuō)明碳質(zhì)泥巖存在的天然層理中，由于水的浸入，造成膠結(jié)強(qiáng)度降低，在常溫條件下浸泡120 h，沒有開裂，而在95℃條件下滾動(dòng)后，開裂，說(shuō)明溫度條件和機(jī)械作用，造成碳質(zhì)泥頁(yè)巖沿層理開裂，但棱角分明，并無(wú)膨脹分散現(xiàn)象，屬于不分散巖性。

4.3 碳質(zhì)泥巖巖心在鉆井液中的分散性評(píng)價(jià)

山西組碳質(zhì)泥巖巖心在鉆井液中的分散性通過(guò)120℃/16 h回收率實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。

(1)在清水中一次回收率98.82%。

(2)聚磺配方(0.3%提切劑+0.3%提黏劑+0.3%聚合物降濾失劑+5%降濾失劑- II+3%降濾失劑+0.3%NaOH+2%G325+1.5%G319+3%G308+2%G314+3%RYH- 838+重晶石粉，密度1.30 g/cm3)，一次回收率99.24%。

(3)KCl聚磺配方(0.3%提切劑+0.3%提黏劑+0.3%聚合物降濾失劑+5%降濾失劑- II+3%降濾失劑+0.3%NaOH+2%G325+1.5%G319+3%G308+2%G314+3%RYH- 838+12%KCl+重晶石粉，密度1.30 g/cm3)，一次回收率96.34%。

(4)復(fù)合鹽聚磺配方(0.3%提切劑+0.3%提黏劑+0.3%聚合物降濾失劑+5%降濾失劑- II+3%降濾失劑+0.3%NaOH+2%G325+1.5%G319+3%G308+2%G314+3%RYH- 838+12%KCl+5%WT- 1+重晶石粉，密度1.30 g/cm3),一次回收率93.26%。

山西組碳質(zhì)巖心在鉆井液中一次回收率R40都比較高，在93%以上，但是在聚磺體系和清水中回收率相對(duì)較高，反而在KCl聚磺和復(fù)合鹽聚磺體系中略微低一些，這也說(shuō)明在鹽水體系中，對(duì)提高碳質(zhì)泥巖的回收率沒有明顯的作用，這說(shuō)明了碳質(zhì)泥巖不同于一般的泥巖。所以對(duì)于碳質(zhì)泥巖地層穩(wěn)定性的提高，鉆井液的封堵性能應(yīng)首先考慮。

4.4 鉆井液對(duì)碳質(zhì)泥巖力學(xué)特性的影響

碳質(zhì)泥巖質(zhì)地堅(jiān)硬、微裂縫發(fā)育，水化膨脹性能差，但是膨脹壓力高[15]，鉆井過(guò)程中鉆井液濾液進(jìn)入微裂縫或微裂紋，降低了弱結(jié)構(gòu)面間的摩擦力，導(dǎo)致碳質(zhì)泥巖地層破碎，地層強(qiáng)度降低，坍塌壓力增大，加劇井壁失穩(wěn)。

5 水平段山西組碳質(zhì)泥巖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

GQ3CH1是一口氣井水平井，位于陜北氣田，目的層水平段為山西組，鉆井液體系采用復(fù)合鹽體系。該井水平段由于鉆遇碳質(zhì)泥巖后井下復(fù)雜，水平段先后進(jìn)行了兩次填井側(cè)鉆，均在較長(zhǎng)的碳質(zhì)泥巖井段遇阻復(fù)雜。

第一次側(cè)鉆后，水平段長(zhǎng)度627 m。

最長(zhǎng)連續(xù)灰黑色碳質(zhì)泥巖段154 m，灰黑色碳質(zhì)泥巖共計(jì)158 m。

水平段復(fù)合鹽聚磺體系配方： 0.1%NaOH+0.1%提黏劑+0.5%～1%XL- 1+0.5%～1%降濾失劑- 2+0.5%～1%NAT20+3%～6%WT- 1+3%～7%KCl+8%～12%NaCl+4%ZDS+0.2%～0.3%G325+0.5%RY838+1%潤(rùn)滑劑+重晶石粉+云母+QD- 2+DF- A+YHP- 007。

GQ3CH1井水平段鉆井液性能統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 GQ3CH1井井水平段山西組碳質(zhì)泥巖井段鉆井液性能

盡管嚴(yán)格控制鉆井液性能，APl失水不大于2 mL，130℃的高溫高壓失水僅為5.8 mL，鹽含量(WT- 1+KCl+NaCl)達(dá)到了20%，鉆井液密度已達(dá)到允許的最高值1.58 g/cm3，高了就漏失。但154 m的長(zhǎng)碳質(zhì)泥巖井段，下鉆依然井下出現(xiàn)了復(fù)雜，遇阻蹩泵，需要大段反復(fù)地劃眼，但仍不能通過(guò)碳質(zhì)泥巖井段。

GQ3CH1井水平段第二次側(cè)鉆在碳質(zhì)泥巖井段出現(xiàn)了同樣的井下復(fù)雜問(wèn)題。

S9DH2井同樣是一口氣井水平井，位于陜北氣田，三開水平段目的層為山西組，鉆井液體系采用強(qiáng)封堵聚磺體系。該井水平段長(zhǎng)度1 359 m，鉆遇連續(xù)碳質(zhì)泥巖地層141 m,鉆進(jìn)過(guò)程中，起下鉆，完鉆通井、電測(cè)、下套管順利。

強(qiáng)封堵聚合物鉆井液體系配方：1%～2%Bent+0.1%～0.2%提黏劑+0.1%～0.2%聚合物降濾失劑+2%～3%降濾失劑(III)+2%～3%降濾失劑+0.1%～0.2%提切劑+0.1%NaOH+0.05%CJSJ- 3+3%～5% ZDS+1%～2% 潤(rùn)滑劑+重晶石粉。

碳質(zhì)泥巖井段性能：密度：1.27～1.32 g/cm3，漏斗黏度FV：70～96 s，塑性黏度PV:34～52 mPa·s，動(dòng)切力YP:19～26 Pa，API濾失量:2.6～3.8 mL，pH值9，靜切力4～7/5～11 Pa。

通過(guò)GQ3CH1和S9DH2兩口井山西組水平段試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于碳質(zhì)泥巖井壁穩(wěn)定，封堵性能突出的的聚磺體系比鹽水體系表現(xiàn)好一些，同時(shí)與鉆井液性能的控制和現(xiàn)場(chǎng)工程措施密切相關(guān)。

6 認(rèn)識(shí)與建議

(1)碳質(zhì)泥巖不同于一般的泥巖，分散穩(wěn)定性較好，鹽水體系和淡水體系相比，對(duì)于提高碳質(zhì)泥巖的分散穩(wěn)定性區(qū)別不大。所以鉆井液應(yīng)首先強(qiáng)調(diào)封堵性能，采用納米材料、瀝青類、超細(xì)鈣，水化土等粒子的合理級(jí)配形成對(duì)微裂縫良好封堵性能，減少濾液對(duì)微裂縫的侵入程度。濾液的侵入會(huì)降低微裂縫發(fā)育的碳質(zhì)泥巖層理的膠結(jié)強(qiáng)度。

(2)碳質(zhì)泥巖質(zhì)地堅(jiān)硬，微裂縫、微裂紋發(fā)育,鉆頭、螺桿等機(jī)械作用之后易產(chǎn)生較大、較多的掉塊，井壁粗糙，濾餅質(zhì)量較差，這就是水平段鉆具一進(jìn)入碳質(zhì)泥巖井段摩阻明顯增大的原因。因此碳質(zhì)泥巖井段應(yīng)適當(dāng)提高潤(rùn)滑劑的加量，特別是石墨類固體潤(rùn)滑劑的加入會(huì)起到好的潤(rùn)滑效果。

(3)水平井碳質(zhì)泥巖井段掉塊多，且攜帶困難，應(yīng)強(qiáng)化鉆井液性能和精細(xì)工程措施，S9DH2井和GQ3CH1井同樣在山西組水平段鉆遇相當(dāng)長(zhǎng)度的碳質(zhì)泥巖井段，但S9DH2井采用適當(dāng)較高的黏切，配合鉆具活動(dòng)，加強(qiáng)循環(huán)，適當(dāng)延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間，配合短起下等措施，水平段施工順利。建議在碳質(zhì)泥巖井段能采用倒劃眼方式起鉆，對(duì)于掉塊的攜帶效果會(huì)更好一些。

(4)長(zhǎng)段碳質(zhì)泥巖會(huì)造成碳質(zhì)泥巖掉塊聚集過(guò)多而造成遇阻、遇卡問(wèn)題。并且遇阻井段相對(duì)固定，掉塊一旦聚集過(guò)多且壓實(shí)后鉆具很難通過(guò)，所以起鉆前應(yīng)充分循環(huán)，活動(dòng)鉆具，盡量循環(huán)出較大的碳質(zhì)泥巖掉塊，避免下鉆時(shí)推集成堆，引起復(fù)雜。

(5)陜北氣田碳質(zhì)泥巖井段鉆進(jìn)，建議采用強(qiáng)封堵高性能鉆井液體系，密度控制在1.30 g/cm3左右，采用適當(dāng)高黏切的鉆井液，嚴(yán)格控制濾失量，加強(qiáng)鉆具活動(dòng)，提高攜帶能力，或者采用稠漿清掃等方式來(lái)清潔井眼。