水平井托壓現象原因分析及解決措施

李文志

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163000）

1 鉆井過程中的托壓現象及危害性

近年來，大慶油田的水平井鉆井工程數量逐年增加，規模逐漸擴大，在定向鉆井中出現最多的問題就是托壓現象；從隨鉆測井地面傳感器及綜合錄井儀器地面傳感器的鉤載、泵壓等數值變化分析，托壓現象的直觀體現就是在鉆壓逐漸增大的情況下，井下鉆具的鉆頭的位置不發生變化，鉆井液泵的泵壓不變、不憋泵，在繼續增加鉆壓的時候可能會突然憋泵。當水平井定向鉆井出現托壓現象之后，將會引發這樣幾方面問題[5]：

（1）在鉆進過程中井下鉆具承受了大部分鉆壓，而實際作用到鉆頭上的鉆壓很小，導致機械鉆速低，鉆井的效率低，使得鉆井時效降低。

（2）當在定向鉆進過程中出現托壓以后，井下鉆具會長時間內保持相對靜止，使得產生的巖屑無法及時隨著鉆井液循環返出，形成巖屑床，可能會導致壓差卡鉆。

（3）從發生托壓現象到托壓現象解決，井下鉆具可能出現破損，降低鉆井時效，增加鉆井過程中的安全風險。

2 水平井鉆井托壓現象產生原因分析

本文通過結合現場實際情況和國內外相關理論研究，提出了產生托壓現象的幾種原因，并有針對性地提出了相應的解決措施（圖1是通過大慶油田最近幾年水平井施工過程中托壓現象分析得到各原因統計分析餅狀圖）。

圖1 水平井托壓現象各原因統計分析餅狀圖

2.1 井眼不干凈、有巖屑床的存在

造成水平井定向過程中托壓的一個原因是井眼不干凈，易在循環不暢井壁處形成巖屑床。通過分析，造成井眼不干凈的原因主要有以下幾點：

（1）鉆井液泵排量過小，鉆井液在井眼環空中的上返速度低，從而使得鉆井液攜帶巖屑能力低，造成井眼不干凈。

（2）鉆井液攜帶巖屑能力低，不能將鉆進過程中產生的巖屑帶出井筒，造成井眼不干凈。

（3）四級固控設備（振動篩、除砂器、除泥器、離心機）的使用不能達到鉆井施工要求，鉆井液中有害固相、巖屑等不能及時清除，使得有害固相等又重新進入井內，造成井眼不干凈。

（4）長時間或長井段未進行短起下作業，沒有及時刮井壁，使得巖屑在井底堆積或在大斜度井段井壁下部會形成較大體積的巖屑床，造成井眼不干凈。

2.2 鉆井過程中井眼軌跡差

在水平井的施工過程中，井眼的井斜角大于30°時，定向施工和地層傾角等因素會使井眼軌跡發生偏差。在造斜段、水平層段運用地質導向技術，在尋找入靶點以及在水平段出層后再重新追層的過程中，必須要對井眼軌跡進行調整，由于地質需求可能造成局部狗腿度偏大，導致井眼軌跡不規則，井眼出現多處臺階，易造成托壓現象。實際施工經驗總結，井斜角在45°~90°之間的大斜度定向井及水平井來說，井眼本身就存在一個巖屑攜帶困難的問題。然而在定向鉆進的過程中鉆具與井壁是滑動摩擦，而巖屑床的存在又使得鉆具與井壁之間的滑動摩擦力增大，從而造成定向過程中托壓。此外，在實際鉆井過程中發現水平井的井眼軌跡與造斜率存在一定的關系：造斜率越小井眼軌跡越平滑，鉆井施工過程中產生托壓現象的機率就越小；長半徑的水平井較中半徑、短半徑的水平井產生托壓現象的可能性要小。

2.3 鉆具組合不合理

水平井在定向鉆進的最初階段，定向鉆具組合中會使用較大直徑的扶正器，當井斜角變大時會增加鉆具與井壁之間的摩擦阻力，同時可能出現托壓現象。在造斜段中，因為鉆具中的鉆鋌剛性較大，不容易出現彎曲，在造斜率較大的井段可能會出現托壓現象；在計算倒裝鉆具時出現錯誤，使得倒裝鉆具不能發揮自身的作用，反而使摩擦阻力變大，出現托壓現象；鉆進水平段時施工人員計算最大鉆壓不準確，使鉆具出現多次屈曲，摩擦阻力變大，出現托壓現象。此外，螺桿鉆具或者隨鉆儀器局部直徑較大，與井壁的間距小，穩定器會直接緊貼在井壁上，使得鉆具的滑動速度變低，出現托壓現象。

2.4 泥餅虛厚、鉆井液摩阻系數大

鉆井液中固相含量高等因素會造成泥餅虛厚，它在定向過程中也會造成托壓現象，泥餅虛厚與鉆具的接觸面積越大，越易造成粘卡，泥餅虛厚造成的鉆具托壓現象與井眼軌跡差造成的托壓現象有一定的差異，它造成的托壓在增大鉆壓后（如25t鉆壓），有時會突然出現憋泵現象，在上提鉆具的過程中上提附加拉力會大于下放的壓力。水平井在定向過程中，許多粘卡是因為托壓后加壓不當造成的，增加了鉆井安全風險。

在實際施工中總結出：接單根、起鉆作業時，上提拉力的大小既與井眼凈化有關系，還與鉆井液的摩阻系數有關系，摩阻系數越小鉆具下滑的阻力也越小，反之越大，進而越容易產生托壓現象。

2.5 地層交結

水平井鉆進的過程中，巖性變化的地層交界處會發生交結改變，尤其是新鉆開的井眼，其井壁不光滑，定向的時候鉆具及鉆具中較粗的接頭和扶正器容易在地層的交結改變處被卡住，造成托壓現象。地層造漿極易發生在泥頁巖地層，泥巖會發生水化作用，而鉆具在淤泥當中鉆進時，極易出現粘托與鉆頭泥包的問題，進而導致托壓現象的出現。

3 水平井托壓現象的解決措施

3.1 保持井眼清潔、提高鉆井液攜巖能力

大慶油田近年來施工的水平井中基本都采用PDC鉆頭+螺桿+隨鉆儀器的快速鉆井技術，進尺相對較快，巖屑研磨的較細，這給井眼凈化帶來一定的難度。在提高鉆井液的攜巖能力的同時，井隊結合機械鉆速的快慢，在進尺200~300m井段便要進行一次短起下作業，在鉆進一段時間之后要進行一次長起下作業，使得井下沉積的巖屑，從井底和井壁上分離出來，清潔井眼，減少托壓現象產生的機率。在鉆井設備允許的情況下，加大鉆井液泵的排量，提高鉆井液的上返速度，為巖屑返出創造有利條件。

實時觀察井下鉆井液返砂情況，及時調整鉆井液的流變參數，實踐經驗證實對于低固相聚合物鉆井液來說，鉆井液的動塑比要控制在0.42~0.50之間，對巖屑的攜帶效果較好；對于鉆井液粘切方面，水平井粘度控制在48s以上，鉆井液粘切高有利于阻止鉆屑的垂直沉降。

3.2 控制好井眼軌跡、優化鉆具組合

水平井施工中，針對井眼軌跡差的情況產生的托壓現象，優化鉆具組合是最有效的解決措施，減少鉆鋌數量，降低鉆具的剛性，增加加重鉆桿的數量，減少鉆具與泥餅的接觸面積，防止托壓和粘卡。在井斜達到45°以后采用倒裝鉆具：鉆頭+馬達+LWD+無磁鉆桿+加重鉆桿，整個鉆具組合中不含鉆鋌，鉆具中馬達+LWD加起來18m左右，這樣的鉆具組合鋼性不強；鉆頭+旋轉導向工具+無磁鉆桿+馬達+震擊器+加重鉆桿，這種鉆具結構鋼性也不強，但是旋轉導向工具它能提供近鉆頭井斜，測點距離井底1.0~1.8m左右（見表1），施工人員能有效地控制井眼軌跡，平滑井眼，提高鉆井時效，在滿足地質需求的同時也滿足工程要求；在特殊的情況下還可以在鉆具組合中加入水力振蕩器、液動旋沖工具、扭擺工具等，這些工具在現場施工中也起到了很好的效果。

表1 大慶油田在用旋轉導向工具參數表

狗腿度的大小對托壓現象的影響也很大，可以通過以下方法控制狗腿度：

（1）鉆井過程中選用具有動態井斜的LWD或者旋轉導向隨鉆儀器，實時監測井斜、方位以及隨鉆測井曲線的變化趨勢，及時調整井斜、方位，避免急增、急降井斜造成的局部狗腿度偏大的問題。

（2）在造斜率較大的井段要進行多次劃眼作業，既能保證井眼擴大率，又能預防鍵槽的出現，巖屑還能及時返出井筒，清潔井眼。

（3）在軌跡控制過程中，測點要加密，采取“勤定、少定”的原則。在定向井段保證工具面的位置要合理，避免在水平段中調整方位，使井眼軌跡平滑。

（4）在使用PDC鉆頭增斜造成托壓時應改用牙輪鉆頭，鉆進過程中采用滑動鉆進和復合鉆進相結合的方法調整井斜、方位。

3.3 針對泥餅虛厚、鉆井液的摩阻系數大造成托壓現象的解決方法[3]

原油是在鉆井施工中廣泛應用的潤滑劑，為了提高鉆井液的潤滑性，施工過程中一般都會加入原油，但是原油的加入會使泥餅的質量變差，因此要控制好原油的加入量，現場一般控制在3%~5%，最多不能超過9%~10%。為了改善泥餅質量，可以在鉆井液中加入磺化瀝青、酚醛樹脂等材料。泥餅質量越好，因托壓而造成的粘卡現象就越少。水平井中硬地層定向時產生托壓時一次加入200~300kg膨化石墨，對降低因潤滑性差產生的托壓有很好的效果；另外膨化石墨配合潤滑劑使用可以降低鉆具的扭矩。

具體的解決方法：

（1）在鉆井液中增加液體潤滑劑和固體潤滑劑的用量，使粘滯系數小于0.06，實現低摩阻、低扭矩鉆進。

（2）為了在井壁上形成致密泥餅，減少鉆具在井壁上的粘附性，在鉆井液中加入超細鈣ZDS-1和乳化瀝青SFT-1等各種降失水劑。

（3）通過觀察不粘篩布鉆屑成型度、鉆井液性能的穩定性等確保鉆井液具有足夠的抑制性。

（4）利用聚合醇的潤滑性、清潔性、抑制性與無機鹽復配，在鉆具與井壁上形成牢固的復合膜增強潤滑性。

（5）通過清除—加重—清除的措施來調整鉆井液中固相比例。加大固控設備使用頻率，特別是離心機的使用，減少鉆井液中的亞微粒子濃度。

3.4 針對地層交結產生托壓現象的解決方法

首先現場施工人員要具有結合施工實際判斷造成托壓現象的能力，給出托壓現象產生的原因為地層交結的原因。而判斷的主要依據是之前的鉆時，同時結合之前施工鉆進作業措施，如果之前施工定向頻率不大，整體摩阻不大，且鉆速時快時慢，井下工具工作正常；地質錄井描述巖屑的巖性發生變化，此時定向鉆進過程中出現托壓現象，就要判斷為地層交結原因，那么在后續施工過程中鉆完單根或者立柱后需要上下多劃幾次井眼，平滑井壁，將井筒內的巖屑返出地面，直至不再出現托壓現象。如果地質條件允許的情況下可先復合鉆進1~2m再定向。通過以上操作一般就能解決地層交結產生的托壓現象（例如在2020年1月大慶油田采油七廠的一口葡字號的水平井水平段施工中，采用G3旋轉導向工具施工，鉆時正常，井下工具等一切正常，在井眼軌跡鉆出砂巖儲層后，地層巖性由細砂巖變成紫紅色泥巖，在軌跡追層的過程中，鉆井參數不變的情況下，定向機械鉆速在0.0~0.2m/h之間，綜合信息判斷為地層交結產生的托壓現象，后續施工過程中鉆具組合中加入液動旋沖工具，先復合鉆進再定向鉆進，多次劃眼作業，完美地解決了托壓現象，恢復正常鉆進）。

4 結束語

綜上所述，水平井托壓現象主要是因為鉆井液性能、井眼軌跡、鉆具組合不合理以及地層巖性變化等多種因素所致，對現場施工產生諸多不利影響，在水平井的鉆進過程中，需要及時地對井眼軌跡進行優化，盡可能多進行劃眼作業，增強鉆井液的潤滑性，有效地改善泥餅的整體質量，才能避免托壓現象的產生，實現安全、快速完成鉆井作業的目的。