深探井井壁穩定關鍵技術分析

胡勇科，馬驍，馬海云

中國石油冀東油田分公司 監督中心（河北 唐山063299）

冀東油田的高尚堡、南堡2號構造等區塊東三段、沙河街組的中深地層發育硬脆性泥巖、油頁巖、碳質泥巖等特殊巖性，微裂縫發育，氣測顯示活躍，2019年在鉆遇該層段時，對其認識不清，受多種因素影響，NP2-56、NP2-46等4口井出現掉塊、劃眼、井塌等井壁失穩問題，井徑擴大率超標，測井時間長、損失大，不僅影響鉆井安全，也影響鉆完井速度的提高，成為影響油田快速勘探的技術瓶頸。開展深探井井壁穩定關鍵技術分析，能夠為油田中深層的快速勘探開發提供技術支持。

1 井壁失穩機理

鉆開地層之后，鉆井液濾液浸入地層改變了深層硬脆性泥巖原有的物理化學平衡環境，黏土礦物產生水化膨脹，孔隙壓力增大，削弱了井筒內液柱壓力對井壁的有效支撐，導致泥巖強度降低[1]。硬脆性泥巖發育微裂縫、微孔隙，為滲透水化提供了通道。在鉆井正壓差、毛細管力等驅動力的作用下，自吸水現象明顯，加速微裂縫開啟、內應力降低，導致泥巖水化膨脹、剝落掉塊[2]。井塌與井漏相互作用，鉆井正壓差產生尖劈效應導致井壁周圍巖石強度降低，引起崩落或掉塊，發生井壁失穩。

2 井壁失穩因素分析

調查分析預探井鉆井復雜事故發現，2019年施工的4口井深超過4 000 m的深探井鉆了7個井眼全部發生井壁失穩問題[3]。其中，NP2-56井原眼與側鉆井眼均發生井塌，被迫提前完鉆；G66X9井完鉆后，無法通井到底，只能減少油層套管下深[4]；NP5-82C1井井眼2井塌2次，分別劃出新井眼、井塌打水泥塞側鉆，井眼3鉆進至4 525 m完鉆，短起下、通井過程中發生井塌，先后應用光鉆頭、小鉆頭、劃眼工具等通井，劃眼困難、卡鉆風險高，只能劃眼至4 157 m，被迫對上部井段測井，最后填眼報廢[5]；以上3口井因井塌累計報廢進尺3 846 m。NP2-46井因井壁失穩造成井眼質量差，完井測井儀器卡死、穿心打撈1次。完鉆后，通井12次、測井11次，用時50.1 d，才完成常規測井項目與井壁取心施工。NP2-56、NP2-46、G66X9、NP5-82C1的井徑擴大率分別為23.6%、27.0%、31.4%與18.2%，均超過設計要求。4口井因井壁失穩損失時長141.1 d。

2.1 地質因素

冀東油田南堡2號構造等區塊的東三段至沙河街組地層發育硬脆性泥巖、凝灰巖等特殊巖性，黏土礦物總量較高，以伊蒙混層和伊利石為主，水化膨脹性強，儲層縫洞、微裂縫發育，氣孔杏仁狀構造常見，易誘發井壁失穩。NP2-56井原眼劃眼井段4 518～4 533 m、側眼4 024 m，均為Ed3碳質泥巖[6]。G66X9井Es地層發育硬脆性泥巖，Es34亞段4 638～4 900 m發育約94 m油頁巖，層理明顯，易剝落。通過對NP2-60井巖樣切成薄片進行掃描電鏡分析，發育孔徑4～160 nm微裂縫。中深地層含氣泥巖井段多，地層破碎，存在氣液置換，導致鉆井液濾液浸入，引發井壁失穩。NP2-46、NP5-82C1井Es砂泥巖互層，氣測顯示活躍[7]。鉆遇CO2發生污染，處理不及時，導致鉆井液流變性、泥餅質量發生惡化，引起ECD（當量循環密度）升高、井壁封堵能力變差，誘發后續的劃眼困難、井漏等復雜。G66X9井鉆進過程中CO2含量1%～2.4%。NP5-82C1井眼3鉆進過程中，氣測錄井監測到CO2含量0.8%～1.5%且持續30 h。現場采用保守方法：加入NaOH調整pH、HAS控制鉆井液黏切，導致完鉆后井漿性能惡化，井塌、劃眼頻繁卡鉆，被迫填眼棄井。

2.2 鉆井液密度

1）密度偏低。根據鄰井資料預測NP2-56井地層坍塌壓力系數，東三段最高為1.25，沙一段最高為1.40，而設計的鉆井液最高密度1.41 g/cm3。施工中，NP2-56原井眼與側鉆井眼分別將鉆井液密度提高至1.42g/cm3、1.44 g/cm3，均無法維持井壁穩定，發生井塌事故。NP2-46、G66X9井完鉆后，通井過程中，井壁失穩；G66X9井通井劃眼過程中，密度提高了0.04 g/cm3。

2）地應力影響。深層大斜度井井眼受地層應力影響大，易發生井壁失穩，剝落的掉塊堆積會堵塞井眼，導致劃眼困難，并引發卡鉆事故。通過地應力分析，大井斜高角度地層坍塌壓力比直井或小井斜定向井大幅度增高，為井壁失穩的主要原因。南堡5-82C1井3個垮塌井眼方位均在295°～302°（第四象限），分析井眼方位與主應力方位夾角對井壁失穩存在的影響。NP2-56兩個井眼、NP5-82C井眼2井斜均大于60°，井內壓力無法有效支撐井壁，失穩而井塌。

3）ECD波動大。NP2-46、G66X9、NP5-82C1三口井鉆進施工正常，在起鉆或者短起下過程中發生井壁坍塌，在起鉆過程中井底ECD降低導致井壁失去物理平衡而坍塌。NP2-56井在復雜井段實鉆中ECD值達到1.49，起下鉆、鉆進過程中鉆井液密度1.40 g/cm3；NP5-82C井眼2在復雜井段實鉆中ECD值達到1.57，施工過程中鉆井液密度1.48 g/cm3；ECD與密度差值均達到0.09。實鉆的鉆井液密度偏低，未能建立有效力學平衡，造成井壁失穩。NP2-46井鉆進至4 959 m以后，每次起下鉆到底循環時氣測全烴值高達99%，持續時間30～40 min，環空壓力下降，也誘發了井壁失穩。

2.3 鉆井液因素

1）鉆井液封堵、防塌效果不好。探井要求鉆井液控制6級以內熒光，現場出現井塌跡象以后再被迫放寬熒光限制。另外，受環保等因素制約，深層大斜度井鉆井液中未混入原油或瀝青類材料，或加入不足，導致鉆井液封堵、防塌效果差。NP2-46、G66X9井三開上部井段鉆井過程中未加入高效封堵材料，造成井眼質量差，后續施工困難。另外，現場使用的超細鈣、白瀝青、FT-3000等封堵材料的粒徑屬于微米級，對納米級微裂縫不能形成有效封堵，不能有效阻止濾液浸入。

2）控制電阻率，影響鉆井液抑制能力。為了測核磁共振等資料，地質設計要求鉆井液電阻率不低于0.4Ω·m/18℃，加入鉀鹽的質量有限，導致鉆井液抑制能力不足。鉆井液轉型時若未加足鉀鹽，打鉆過程中，鉆井液坂土含量升高，取消電阻率控制后，也無法加入足量鉀鹽，影響鉆井液防塌性能。

3）鉆井液性能波動大。NP2-46井鉆井液攜巖能力不足，鉆進期間動塑比0.30～0.33，（偏低）。NP2-46井中途放漿、置換調整熒光；NP2-56、G66X9、NP5-82C1等井漏多次、劃眼期間憋漏，堵漏次數多，堵漏材料多，新漿補充量大，造成鉆井液性能不穩定。

2.4 工程措施因素

1）鉆井參數有待優化。NP2-46井在4 959 m處理氣侵循環7 h；4 942～4 973 m卡層鉆進循環13 h；沒有采取優化排量措施，一直使用30 L/s。NP5-82C1井眼2鉆進劃眼過程中個別參數不合理，轉速、排量偏高，鉆井液黏切高，循環阻力大，不同工況下井筒壓力不穩定，在交變應力的作用下增大了硬脆性泥巖地層井壁失穩的幾率。

2）井眼軌跡控制難度大。井斜大、穩斜段長，施工難度大，造成鉆井周期長，井眼長時間浸泡，易發生失穩。G66X9井三開裸眼段長達2 470 m，3 987 m后進入穩斜段（48.4°），實鉆過程中穩斜困難，基本每柱定向鉆進4～9 m，導致軌跡不好，容易形成巖屑床。NP2-46定向鉆進時脫壓、鉆時慢，進一步加重鉆井液對井壁的沖刷，造成不規則井眼。NP2-56、NP2-46與G66X9的三開井段平均井徑擴大率嚴重超標，分別為23.6%、27%與31.4%。

3）操作不當導致井筒壓力不穩定。頻繁起下鉆循環措施不當，容易對井壁造成掛碰、壓力激動沖擊和沖刷旋轉破壞，不僅誘發井壁失穩，還造成交錯的凹凸井眼，井徑擴大率超標，增大巖屑返出難度，增加劃眼、卡儀器等一系列鉆井施工風險。NP2-56井因定向儀器沒信號、頻繁起下鉆引起井內壓力波動，誘導了凝灰巖、炭質泥巖等破碎易塌地層的井壁失穩。

2.5 鉆井液浸泡時長

1）復雜事故多，浸泡時間長，不利于井壁穩定。G66X9井在4 641 m進行第3次鉆井取心時卡鉆，泡解卡漿解卡。隨后在4 951～5 123 m鉆進過程中，起下鉆困難、劃眼。下鉆通井8次，完成鉆輸測井施工。下鉆開泵、劃眼期間憋漏5次，漏失122 m3。NP2-46井因井徑不規則，井眼不清潔，完井測井時儀器遇卡、穿心打撈1次。完鉆后，下鉆通井12次、測井11次，僅完成常規項目測井與井壁取心施工。以上兩口井完井周期分別達49.29 d與72.29 d，鉆井液浸泡時間長，不利于井壁穩定。

2）井漏與井塌并存，處理難度大。NP2-56發生井壁失穩后，通井下鉆劃眼至4 024 m發生卡鉆，泡解卡漿近2 d，反復活動鉆具才解卡，對井壁傷害嚴重；替解卡漿過程中漏失91 m3，均加劇了井壁垮塌。NP5-82C1井眼3側鉆至4 525 m完鉆，短起下至技套，期間出現阻卡，下鉆至4 350 m遇阻，卡鉆多次，劃眼到底。第一次通井在4 197～4 525 m起下鉆困難，多次卡鉆。CO2污染加劇后，下入光鉆頭通井劃眼至4 194 m，劃眼困難，期間井漏2次。隨后下入小鉆頭、劃眼工具通井，只能劃眼至4 157 m，被迫對上部井段測井，最后填眼棄井。以上問題影響鉆井安全，延長井眼浸泡時間，加劇了井壁失穩。

3 井壁穩定關鍵技術

針對鉆井現場施工難題，開展深探井井壁失穩分析，根據鉆井液物理-化學-力學協同防塌基本原理，形成“優化設計—封堵固結—抑制水化—力學支撐—減少浸泡—工程措施配合”，六大關鍵技術協同預防井壁坍塌，并在現場進行應用。

3.1 優化設計要求

綜合考慮施工難度、軌跡控制難易、進尺、井壁穩定和注采工藝要求等因素，降低井斜角、優選井眼軌道剖面。在保證安全鉆進的條件下，簡化井身結構，減少技套下入深度。充分考慮深層井壁不穩定的因素，優化地質要求，超前解決施工問題，減少鉆井取心、取消電阻率控制，放寬熒光限制等（表1）。

表1 2020年深探井設計優化

3.2 提高鉆井液防塌效果

1）優化流變參數，減小ECD同時減小對井壁的沖刷。做好鉀鹽抗高溫鉆井液轉型，加入8%KCl、5%抗高溫降濾失劑、1%FT-3000、0.6%DSP等，調整好流型，形成堅韌、致密的泥餅。日常以加膠液均勻維護，控制良好流變性，井斜較大（＞40°）的深井，若黏度＜50 s，對井壁沖刷嚴重；黏切過大（＞75s），會造成抽吸和激動壓力過大，憋漏地層。提高鉆井液的動塑比0.4～0.6，控制φ6≥8、φ3≥4，有利于攜帶巖屑。根據震動篩巖屑返出情況及拉力、扭矩、泵壓等參數變化，判斷井眼清潔情況，避免環控巖屑過多、ECD過大，壓漏地層。

2）強化封堵固結能力，阻緩壓力傳遞和濾液浸入。針對東三段至沙河街地層泥巖、凝灰巖等微裂縫發育情況，應用多級封堵材料，快速、有效地封堵微裂縫，減少壓力傳遞，阻緩坍塌壓力上升。加入適合地層較大孔隙的超低滲、白瀝青、FT-3000等，實現有效封堵；同時，復配加入2%膠束劑、3%固壁劑等微納米封堵材料，對微裂隙進行有效封堵，提高地層承壓能力，阻止濾液浸入地層，穩固井壁。引進仿生固壁劑、雙疏納米封堵劑及乳液微球封堵劑，在井下與井壁巖石相互作用，形成牢固、致密的“仿生殼”，提高巖石顆粒間內聚力，實現封堵、抑制、固化、井眼強化的目的。

3）提高抑制能力，減小地層巖石的水化膨脹壓力。進入Ed3地層之前，加足6%～8%抗高溫降失水劑，控制鉆井液API失水量＜4 mL、HTHP失水量＜12 mL，有效減少鉆井液濾液浸入地層；聯合應用8%鉀鹽與1%～2%聚胺，降低鉆井液的活度并提高抑制能力，減小水化應力，防止水化膨脹而導致巖石強度降低造成的井壁失穩。

3.3 建立有效力學支撐

合理控制鉆井液密度（推薦Ed3地層密度為1.35 g/cm3，Es1地層密度為1.40 g/cm3，Es3地層密度為1.45 g/cm3），對井壁建立有效的力學支撐，保持井壁穩定。在不發生井壁失穩的條件下，采用低密度鉆井液可以降低過大壓差引起自吸水導致的裂縫尖劈效應，有利于井壁穩定。①按照每周0.02 g/cm3幅度逐步加重、防止加重過程中壓漏地層；②鉆遇易漏層提高密度，先做承壓實驗，確保上部地層不被壓漏；③加強隨鉆壓力監測，逐步調整密度，避免長時間浸泡發生垮塌。

3.4 縮短鉆井液浸泡時長

1）推廣成熟鉆井工具、工藝。優選非平面齒高效PDC鉆頭、水力振蕩器、單開次一趟鉆等先進工藝，促進鉆井提速。

2）合理調整鉆井參數。控制排量28～32 L/s，轉速80 r/min，提高機械鉆速的同時，攪動巖屑，輔助井眼清潔。復雜井段選用常規鉆具，控制好穩斜段軌跡，保證井下安全。

3）預防復雜事故。開展鉆井工程風險預測，制定針對性施工方案，細化措施，嚴格落實，做好實鉆分析與預測，降低事故復雜影響，縮短鉆井周期。

4）CO2污染后處理對策。關注氣測組份變化，及時發現CO2；合理調整鉆井液密度，減少CO2侵入。以小型實驗為指導，確定處理劑加量。向井漿中加入CaO，降低被污染鉆井液的黏度切力。加密檢測并加入燒堿，控制pH值在10～12；加入降黏劑和降濾失劑，調整好鉆井液的流變性、失水等性能。若CaO過量，鉆井液中的鈣離子濃度增大，黏度切力急劇上升，應采用適量的純堿進行中和處理。

5）落實好防漏堵漏措施。砂礫巖、微裂縫發育的泥巖或火山巖、斷層容易發生井漏。鉆進至易漏井段前30～50 m，加入2%超細鈣、1%～1.5%單封等隨鉆防漏材料，提高鉆井液防漏能力；短起下，清潔、驗證上部井眼；降低鉆進參數，排量為28 L/s，轉速為50 r/min。井漏發生后，準確判斷漏失位置，應用“復合橋堵+彈性材料”方法堵漏。

3.5 優化配套工程措施

1）促進鉆井提速。應用高效螺桿鉆具、水力振蕩器等鉆井技術，提高定向鉆進效果，加快鉆井速度，縮短浸泡時長。避免淺層造斜時井眼曲率過大和深層扭方位、調井斜，減少在不穩定地層定向，控制軌跡圓滑。復雜井段優選常規鉆具，配合短鉆鋌和欠尺寸扶正器，提高穩斜效果，保證井下安全，從而實現鉆井提速。

2）改進循環措施。鉆進、起下鉆過程中減少鉆具對井壁的機械碰撞。在頂通、卡層、測斜等情況下循環時，避免長時間定點循環，避開易塌井段，減少“大肚子”等不規則井眼的形成。同時減少起下鉆次數，并控制速度。起鉆要灌好鉆井液，下鉆做好分段循環、緩慢開泵等細節，采用5 L/s排量頂通0.5 h，再逐步提高排量，每循環10 min提高5 L/s，避免開泵過猛發生憋漏。更換鉆具組合后下鉆要小心，遇阻嚴禁帶螺桿劃眼，必要時優化鉆具進行通井，劃眼操作要小心，防止出新眼。

4 實施效果

1）2020 年在4口深探井鉆井施工中應用井壁穩定關鍵技術，加快了鉆井速度，提高了生產時效，取得較好效果。4口深探井鉆井、測井施工順利，測井項目完成率提高；井徑比較規則、平均擴大率僅為4.8%～15.3%。2020年深探井的井壁失穩率明顯減少，未發生井塌、填眼側鉆事故，僅發生劃眼2井次，測井遇卡1井次。

2）與2019年井深相近的同類型井相比，2020年施工井的平均機械鉆速提高到112.14%；生產時效提高了1.08%；平均鉆井周期縮短了22.34 d；完井周期縮短了23.06 d（表2～表4）。

表2 2019年4口深探井施工指標

表3 2020年4口深探井施工指標

表4 深探井施工井鉆井指標對比

5 結論與建議

1）東三段至沙河街地層發育砂泥巖互層與泥頁巖、凝灰巖等特殊巖性，硬脆性泥巖易水化剝落，凝灰巖等破碎膠結差、微裂縫發育，是導致井壁失穩的內在因素。

2）深探井井壁穩定關鍵技術包括優化井眼軌跡設計與放寬地質要求、應用多級材料物理封堵與化學膠結劑封固井壁、有效力學支撐和提高鉆井液的抑制能力，完善鉆井配套措施，縮短地層浸泡時長，以實現穩定井壁目標。

3）開展地應力研究，分析井眼方位與主應力方位夾角對井壁失穩影響，進一步優化該井區新井的井位坐標、井斜角和方位角。同時，加強地層傾角與井眼軸線夾角對井壁穩定影響研究，根據井斜、井眼大小，提高大井斜下的地層坍塌壓力的預測精度，從而為鉆井液性能、工程措施提供參考。