塔河油田托甫臺區塊井壁穩定分析與探討

舒沙飛，葉 誠

（中石化西北油田分公司石油工程監督中心，新疆 輪臺 841600）

1 井身結構

目前托甫臺A 小區普遍采用四級井身結構，即一開使用444.5mm 鉆頭鉆至1000m，下339.7mm 套管封隔第四系、上新近系，二開使用311.2mm鉆頭鉆穿二疊系，進入石炭系卡拉沙依組中完，下入250.8mm+244.5mm 技術套管封隔白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系地層，三開使用215.9mm 鉆頭進入奧陶系一間房組4m 中完，鉆遇石炭系、泥盆系、志留系，下入177.8mm尾管，四開使用149.2mm鉆頭鉆至設計完鉆井深。

2 鉆井施工難點與探討

2.1 施工難點

隨機分析本區自2013年以來的近20口井，其中二疊系發生井漏4 井次，卡鉆3 井次，因玄武巖掉塊劃眼困難填井側鉆1 井次；志留系累計井漏13 井次，卡鉆3井次，填井側鉆1井次。

據統計，本區二疊系平均厚度200m 以上，其中上部為深灰、灰綠色英安巖，下部為灰黑色玄武巖。二疊系地層研磨性較強，可鉆性差，對鉆頭磨損嚴重，且微裂縫發育，存在井漏及玄武巖剝落掉塊導致卡鉆的風險。志留系砂泥巖發育，層間交界面極易漏失，泥巖易垮塌，垮漏同層，鉆井液密度安全窗口窄。已完鉆井志留系柯坪塔格組平均井徑擴大率達36.6%～49.50%，井壁失穩現象嚴重。

2.2 井壁失穩機理

據研究，玄武巖垮塌機理主要是受構造運動時產生的內部預應力未得到充分釋放，地層內部受力不均衡，在被打開形成井眼后，原始平衡狀態被破壞，壓力向井眼釋放而造成坍塌。其次是玄武巖地層存在非均質性，杏仁氣孔構造發育，在鉆井過程中隨地層應力的釋放或激動壓力過大以及機械擾動作用，極易在杏仁體等處產生應力集中，而導致玄武巖地層的垮塌掉塊。此外由于玄武巖微裂縫滲透率低，水力傳導速率小，孔隙壓力不能迅速傳遞出去，導致近井壁地層巖石孔隙壓力升高，降低鉆井液支撐井壁的有效壓力，促使玄武巖井壁失穩坍塌[1]。

志留系泥巖硬脆，微裂縫、層理等弱面發育，易剝落產生片狀掉塊。根據“滲流—應力—化學耦合作用”理論，在壓差、化學勢力及毛細管效應的作用下[2]，鉆井液及其濾液沿微裂縫和層理面的滲流導致的巖石力學強度改變是硬脆性泥巖垮塌的根本原因，受鉆井液沖蝕和底部鉆具組合擾動的影響，加劇井壁失穩[3]。

3 應對措施

3.1 鉆井液體系優化與性能評價

根據區塊施工經驗，鉆至下部地層井溫80℃左右一般將鉆井液轉換為聚磺鉆井液體系，增強鉆井液的抗溫性。考慮到本區塊二疊系玄武巖及下部地層硬脆性泥巖的漏失以及剝落掉塊，需要強化鉆井液的封堵、防塌性能，通過助劑優選及性能評價，室內優化出抑制性較強的鉀胺基聚磺鉆井液體系，同時通過不同目數的剛性粒子來增強鉆井液封堵能力。基本配方（質量分數）如下：4%膨潤土漿+2%～3%SMP-3+2%TSH-2+3%～7%KCl+0.5%～1%聚胺+2%～3%超細碳酸鈣（800～2500目）+2%FDL-2+2%SY-A01+重晶石。其中SMP-3為磺化酚醛樹脂，TSH-2為改性褐煤樹脂，FDL-1為隨鉆堵漏劑，SY-A01為乳化瀝青。

3.2 鉆井液密度選擇

研究認為對于裂縫地層而言，鉆井液密度過低或過高都容易引發井壁失穩：當鉆井液密度過低時，井周應力超過地層強度，引起坍塌；鉆井液密度過高則可能在裂縫性地層中無法形成有效濾餅，壓力沿層理面或裂縫面傳遞，裂開的泥巖沿弱面剝落，最終井眼周圍地層的強度和硬度隨時間降低，造成進一步坍塌[4]。

本區二疊系火成巖裂隙發育，已完鉆井施工密度在1.28～1.33g/cm3。二疊系鉆井液密度的選擇難點在于：一方面，當密度過低時，鉆井液對井壁巖石提供的壓力不足以支撐井壁，會造成井壁失穩；另一方面，密度過高，鉆井液液柱壓力超過地層孔隙壓力時，會對巖石微裂隙尖端產生水力劈裂，降低三疊系近井壁硬脆泥巖的整體強度，同時也增加井漏風險。綜合考慮在做好各類防塌措施的前提下，建議二疊系施工密度1.28～1.32g/cm3。

志留系硬脆性泥巖水化膨脹和水化分散對井壁穩定的影響較小[5]，主要考慮降低濾失量同時選擇合適的密度提供井壁支撐來減少垮塌。因層間膠結原因，該段井漏多發生在塔塔埃爾塔格組與柯坪塔格組交界面附近。從以往施工情況來看，在做好隨鉆封堵的情況下，兼顧防漏失及垮塌，志留系施工密度選擇1.32～1.35g/cm3。

需要注意的是，多口井在非鉆進工況下造成井漏，因此在壓力敏感地層應特別注意工程操作，避免人為井漏。本區塊不同密度下的施工情況見表1。

表1 不同密度下二疊系及志留系施工情況

3.3 防漏措施

提前封堵微裂縫。進入易漏地層之前一次性加入5%～10%左右隨鉆封堵材料，后續根據井下消耗情況及時補充，鉆進期間使用適當目數的振動篩篩布，以保證井漿中一定的隨鉆堵漏材料。考慮井溫及壓力，應多選擇非礦物類剛性（超細目碳酸鈣等）及彈性堵漏材料，避免碳化失效，同時為兼顧防塌，使用與地層溫度匹配的軟化點瀝青；每次起鉆前做好對漏失層的封堵。封閉漿選擇井漿+1%抗高溫大分子聚合物+2%～3%抗高溫纖維+1%～2%單封+1%～2%SQD-98+2%高軟化點瀝青+1%～2%超細碳酸鈣。

優化流變性。采用鉀胺基聚磺鉆井液體系。轉型前清除劣質固相，保持適當坂含，注重氯化鉀的使用，保持二疊系氯化鉀濃度3%，志留系井段3%～5%，在保證抑制性的同時保持較低的粘切以降低循環壓耗，控制ECD；控制高溫高壓失水及泥餅質量。

此外惡性漏失可能造成地面鉆井液不足，起鉆遇卡時不能持續開泵導致掉塊不能有效帶出，形成埋鉆、卡鉆，因此漏失層鉆進期間有必要儲備一定量的鉆井液，保證井下安全。

3.4 防塌措施

采取“多元協同”的防塌措施。井漿內聚胺抑制劑有效含量0.5%左右，KCl 加量5%左右，鉆井液中鉀離子含量大于15000mg/L，選用高軟化點瀝青復配聚合醇等防塌抑制劑，有效含量5%左右。控制高溫高壓失水及泥餅質量。優選抗溫降濾失劑控制高溫高壓失水10mL 以內減少濾液入侵對井壁應力的影響。做好隨鉆封堵，使用超細目碳酸鈣封堵微裂縫，強化鉆井液的隨鉆堵漏措施，合理調整鉆井液的流變性，有效地提高鉆井液的攜巖效果。根據實鉆情況適當調整鉆井液密度，抑制掉塊，降低井下風險。

3.5 工程措施

壓力敏感地層應注意工程操作，減小壓力激動，避免人為導致井壁失穩，造成井漏、井塌等復雜故障。

二疊系：①鉆至二疊系前充分循環泥漿做一次短起下，對上部地層遇阻卡井段認真處理，確保上部井眼暢通；②二疊系火成巖可鉆性差，對PDC 鉆頭磨損嚴重，推薦使用混合鉆頭，該鉆頭兼具牙輪鉆頭和PDC鉆頭的特點，機械鉆速高，壽命長。③簡化鉆具結構，鉆進至二疊系時根據井下實際情況決定是否甩掉扶正器。在鉆進過程中嚴格控制鉆井參數，在滿足攜砂的前提下適當降低排量，防止因機械原因導致地層垮塌掉塊。④在二疊系起下鉆時，嚴格控制起下鉆速度，上提不要超過10t，若阻卡嚴重，應及時接方鉆桿開泵上提。起鉆嚴格按照規范灌漿，避免因液柱壓力降低造成井壁失穩。

志留系：①志留系鉆進期間根據井下實際情況決定是否短起下，短起下原則是起至無掛卡的正常井段；②復合鉆進時鉆速較快，做到早開泵晚停泵，每鉆完一根單根劃眼一次，每次劃眼時要將方補心提出轉盤面以上3m；③提前做好接單根前的準備工作，接單根時間要在4min 以內；鉆速快時，接單根前進行適當循環1～3min，確保巖屑有較高返高，預防沉砂卡鉆；井深時接單根必須活動轉盤，防止粘卡；接完單根應及時下放活動鉆具正常后，再開泵恢復鉆進。

4 現場應用

G 井二疊系厚度210m，為保證該井段施工安全，基于以上研究結果，進入三疊系后，使用鉀胺基聚磺鉆井液體系，鉆井液密度提至1.28g/cm3，瀝青類防塌劑加量3%左右，進入二疊系前在三疊系封堵的基礎上，控制QS-2 的加量在5%以上，井漿中追加1%～2%的瀝青，1%隨鉆堵漏劑，提高鉆井液的封堵性能，控制中壓失水不大于4mL、高溫高壓失水不大于12mL，鉀離子含量維持15000mg/L，起鉆前大排量循環1.5～2 循環周，掉塊多時先用稠漿攜砂，正式起鉆前泵入封閉漿封閉易垮塌井段。起鉆連續灌漿，嚴格控制易垮塌井段起下鉆速度，下鉆過程中根據情況分段頂通循環。

三開志留系鉆井液密度1.33g/cm3，鉆井液中補充聚胺抑制劑0.5%左右，KCl 加量7%左右，鉆井液中鉀離子含量大于26500mg/L，高軟化點瀝青加量3%左右。控制高溫高壓失水8～10mL 以內。結合以上措施，二疊系及志留系施工正常，志留系平均井徑擴大率8.3%。該井實際鉆井液性能見表2。

表2 G井鉆井液性能表

5 結論與認識

（1）玄武巖地層其內部構造的非均質性、應力釋放及微裂縫壓力傳遞等是其易漏失垮塌的主要原因。

（2）本區硬脆性泥巖井壁失穩主要因素是濾液入侵及裂縫分布。

（3）裂縫發育地層井壁穩定應以封堵為主，水敏性地層應以抑制為主。

（4）對于硬脆性泥巖地層的井眼失穩問題，應從提高力學支撐、嚴控中壓和高溫高壓濾失量、強化化學抑制、加強屏蔽暫堵等多方面著手，通過多元協同方式解決。