大牛地氣田水平段鉆遇泥巖遇阻原因分析及對策

張永清 鄧紅琳 王錦昌 王翔

(中石化華北分公司工程技術研究院，鄭州 450006)

水平井分段壓裂是提高單井產能的重要技術，通過近幾年的試驗，水平井配合壓裂改造已成為大牛地氣田的主要建產方式。大牛地氣田水平井的水平段長度一般在1 200 m左右，由于目的層非均質性強，且水平井段相對較長，在鉆井過程中經常鉆遇泥巖。泥巖對水基鉆井液的要求較高，且水平井段井眼凈化能力差，若工程技術措施不當，就會導致在泥巖段，甚至在砂巖段遇阻。遇阻不僅增加了鉆完井的周期和成本，而且會導致壓裂管柱無法下入目的層，進而嚴重影響水平井的開發效果。因此，防止或減少遇阻情況的發生具有重大意義。

1 遇阻概況

2012年，大牛地氣田盒1段共完鉆水平井57口，其中含泥巖段遇阻的水平井12口，占總井數的24.5%。鉆遇泥巖遇阻回填，報廢進尺4 227.37 m，損失時間244.67 d，導致7口井未按原設計完井。

盒1水平井段的泥巖一般處于砂巖段之間，位于水平段的中前部或中后部，遇阻發生在泥巖段或砂巖段，泥巖段遇阻較嚴重，遇阻常見情況如下:

(1)鉆遇泥巖即發生剝落、垮塌，輕微遇阻，提高鉆井液密度后穩定性變好，幾天后劃眼到該段上提下放遇阻、憋泵、憋轉盤及返出泥巖掉塊。

(2)鉆遇泥巖后，在砂巖段，上提遇阻點下放時不遇阻，在上提順利段下放時卻遇阻，有時出現大段砂巖遇阻。

(3)泥巖段在后期劃眼、通井作業中，個別點出現遇阻，上下活動或下壓即可通過。

2 遇阻原因分析

根據現場的遇阻情況，結合遇阻的判斷依據［1］可知:情況(1)、(3)為坍塌遇阻;情況(2)為縮徑遇阻。坍塌遇阻主要發生在泥巖段，縮徑遇阻主要發生在砂巖段。分析出現這2種遇阻情況的主要原因是鉆井液密度不合理、濾失量過大以及鉆井液攜巖能力差。

2.1 鉆井液密度的影響

2.1.1 鉆井液密度對泥巖段的影響

進入水平段后鉆頭在砂巖中鉆進，使用的鉆井液密度較低，由于砂巖的力學穩定性優于泥巖，鉆遇泥巖后，若鉆井液的液柱壓力不足以平衡泥巖的坍塌壓力，泥巖便出現剝落掉塊。

鉆遇泥巖后，現場一般會提高鉆井液密度以平衡泥巖的坍塌壓力，若仍有泥巖掉塊，則進一步提高鉆井液密度。硬脆性泥巖成巖后，由于構造應力的拉伸、擠壓和剪切會形成許多縱向裂紋［1］，當鉆井液密度提高后，鉆井液更容易進入到這些裂紋中，導致孔隙壓力增大，作用在泥頁巖上的有效應力減小，使裂紋進一步擴展［2］，加劇了泥巖的不穩定性。

另外，鉆井液密度增大，滲濾壓差增大，機械鉆速降低，泥巖受鉆井液浸泡的時間增加，鉆井液的濾失量增加［1，3］。水進入泥頁巖后發生水化反應，導致泥頁巖強度降低，進而發生剝落掉塊，導致坍塌遇阻。

2.1.2 鉆井液密度對砂巖段的影響

鉆井液密度對砂巖段的影響主要體現在濾失量增加和泥餅增厚。鉆遇泥巖后，鉆井液密度提高，井底壓差增大，對于水基鉆井液，鉆井液靜濾失方程如下［4］:

式中:Vf— 濾失量，mL;A— 滲濾面積，cm3;K — 泥餅滲透率，μm2;ΔP — 滲濾壓差，105Pa;fsc—泥餅中的固相含量體積分數;fsm—鉆井液中的固相含量體積分數;μ—濾液黏度，0.1 mPa·s;t— 滲濾時間，s。

由式(1)可知:其他條件都不變時，濾失量與滲濾壓差的平方根成正比。對于滲透性較好的砂巖段，當滲濾壓差增大時，濾失量大幅增加，濾餅變厚，進而導致縮徑遇阻。

2.2 鉆井液濾失的影響

濾失量增加，在高滲的砂巖段主要導致濾餅增厚，造成縮徑遇阻;而在低滲泥巖段則主要導致泥巖發生水化分散、剝落坍塌，造成坍塌遇阻。

硬脆性泥巖中孔隙及微小裂紋的毛管半徑很小，易吸收鉆井液中的水。濾失量增加，進入泥巖中的水量也相應增加，水進入泥巖后減小了層面間的接觸摩擦力，泥巖強度大幅減小，導致其發生物理崩解，在側壓力的作用下或在鉆具的敲擊下就會剝落掉塊。

盒1段的黏土礦物主要為高嶺石、綠泥石、伊利石、伊/蒙間層，其中綠泥石和伊利石含量較高，高嶺石和伊/蒙間層含量較低［5］。伊利石易出現離子交換進而產生表面水化和滲透水化;高嶺石容易發生剝蝕掉塊;伊—蒙混層2部分的水化能力不同，容易出現非均勻性膨脹。濾失量增加后，水與硬脆性泥巖的化學反應加劇，進而導致泥巖段坍塌遇阻。

2.3 鉆井液攜巖能力的影響

鉆井液攜巖能力差時巖屑不能及時被帶出井筒，在重力作用下易在水平段形成巖屑床［6］，增加了鉆井液中的實際含砂量和固相含量，堆積的巖屑在一定程度上縮小了井眼內徑，易導致下鉆遇阻、憋泵甚至卡鉆。

鉆遇泥巖后，現場一般加入泥巖抑制劑和降濾失劑等有機處理劑，來防止泥巖出現垮塌。這些有機處理劑自身就有微增黏效果，若再大量使用增黏效果較好的降濾失劑(LV-CMC等)，就會導致鉆井液黏度、切力升高，流動性變差。黏度增大后，流動阻力和泵功率消耗增大，當泵的功率一定時，排量就會減小，鉆井液返速減小，導致攜巖能力變差，井底殘留較多沉砂，造成縮徑遇阻。

3 防止遇阻的對策

3.1 鉆井液技術措施

3.1.1 使用合理的鉆井液密度

砂巖段遇阻很大程度上是因為鉆遇泥巖后，濾餅增厚縮徑;泥巖段遇阻則主要是因為發生了剝落掉塊或坍塌。對于含微裂縫或層理的硬脆性泥巖，提高鉆井液密度可平衡坍塌壓力，但太高的鉆井液密度可能會加劇泥巖發生垮塌［3］，況且單純提高鉆井液密度無法平衡較高的水化壓力［1］。四川某井在泥巖段的鉆井液密度遠高于坍塌壓力當量密度，仍出現掉塊［6］。因此，不能只提高鉆井液密度來平衡坍塌壓力，應使用合理的鉆井液密度，使鉆井液快速通過泥巖段，減少鉆井液對泥巖的浸泡時間。

表1中給出了11口井鉆遇泥巖后所使用的鉆井液密度，其設計的完井方式均為預制管柱完井。若以延遲時間(實際水平段施工時間+實際完井時間-設計水平段施工時間-設計完井時間)來衡量遇阻程度，則鉆井液密度和遇阻程度的關系如圖1所示。延遲時間隨鉆井液密度增加基本呈先減少后增加的趨勢，存在一個密度區間使延遲時間較短;延遲時間較長時，壓裂管柱也較難下入;鉆井液密度在1.18～1.22 g/cm3時，延遲時間少且壓裂管柱下入性好。建議鉆遇泥巖后逐漸將鉆井液密度增加至1.18 ～1.22 g/cm3。

3.1.2 使用封堵材料封堵孔隙和裂縫

鉆遇泥巖后，現場將提高鉆井液的抑制性并降低鉆井液的濾失量。為減少水與泥巖發生化學反應，一般控制鉆井液的濾失量小于5 mL［7-8］。然而在實踐中，當鉆井液密度和濾失量都滿足條件的情況下，有些井仍會出現遇阻。一方面在水平井段，巖屑混入鉆井液形成的泥餅質量差，導致實際濾失量偏高;另一方面，硬脆性泥巖含微裂縫，鉆井液未在其表面形成有效的泥餅，導致濾失量過大。

表1 不同密度下各井的延遲時間和完井方式

圖1 鉆井液密度與延遲時間和完井方式的關系

采用封堵材料，封堵砂、泥巖的孔隙和裂縫，可在孔隙和微裂縫表面形成一層薄而韌的隔層，從而有效隔開鉆井液，使濾失量減少。當鉆井液密度增大時，封堵材料進入孔隙和裂縫，減少了水和泥巖的接觸機會，也延緩了孔隙壓力的傳遞。因此，使用封堵材料封堵孔隙和裂縫，不僅可進一步降低濾失量，減少泥巖發生水化反應，還可以減緩力學失穩。

例如:DPH-25井水平段鉆遇泥巖多次，第一次鉆遇硬脆性泥巖揭開后便出現垮塌，側鉆后使用封堵材料乳化瀝青，有效的抑制了泥巖剝落，效果非常明顯。常用的封堵材料還有超細碳酸鈣、瀝青、磺化瀝青等。

3.1.3 使用合理的流變性參數提高攜巖能力

水平井鉆井過程中，影響攜巖能力的因素主要有地質條件、工程設計、設備條件、鉆井液流變參數和環空返速等［9］。但在實際工況下，影響攜巖效果的可控因素僅為環空返速和鉆井液流變性［10］。

環空返速對水平井段攜巖程度有很大的影響［11］。鉆井液流變性對巖屑的攜帶與懸浮、井壁穩定等有一定影響［4］。鉆井液攜巖能力差，易形成巖屑床和虛泥餅，進而造成縮徑遇阻。因此要使用合適的環空返速和流變性參數，同時也要考慮有機處理劑對流變性的影響。

表2中給出了10口井水平段鉆遇泥巖后所使用的鉆井液參數，其中DPH-71、DPH-28、DPH-38和DPH-24井遇阻程度較低。

表2 水平段鉆遇泥巖后各井使用的鉆井液參數

由于設備限制，在盒1段水平段鉆進中泵排量一般在17 L/s左右，根據相關公式可計算出環空流速和環空臨界流速，由表2可知，環空臨界流速和環空返速的差值大于零，即鉆進時鉆井液處于層流狀態;遇阻程度較低井的差值分布在0.36～0.41 m/s。

遇阻程度較低井的鉆井液流變性參數:塑性黏度介于16～18 mPa·s，動切力介于6.13～7.15，動塑比介于0.34～0.42;采用φ200和φ100時的數值來計算流性系數和稠度系數，流性系數介于0.55～0.69，稠度系數介于0.12～0.19。

環空臨界流速與環空返速的差值和鉆井液流變參數都存在一個最優區間使水平段遇阻程度最低。

3.2 工程技術措施

(1)短程起下鉆，破壞巖屑床。鉀銨基聚合物體系在水平段攜巖能力相對較差，容易使巖屑沉積形成巖屑床，不僅增加了鉆具的摩阻，造成托壓，而且縮小了井徑，容易導致遇阻。因此，每鉆進150～200 m，水平段要短程起下鉆一次，及時破壞巖屑床，保證起下鉆順暢。

(2)控制起下鉆速度［7］，不在泥巖段開泵，防止激動壓力過大，導致泥巖應力釋放，出現掉塊、坍塌。

(3)優化鉆具組合，減少使用接近鉆頭尺寸的鉆具。

(4)水平段考慮使用1.25°螺桿配合148 mm雙扶增大井徑，避免完鉆后長時間劃眼，增加泥巖的浸泡時間，加大遇阻的風險。

4 結論

(1)使用合理的鉆井液密度，使其快速通過泥巖段，防止坍塌遇阻。研究區含泥巖水平井段合理的鉆井液密度區間為1.18～1.22 g/cm3。

(2)使用封堵材料，封堵孔隙和裂縫可較好地防止泥巖段出現坍塌遇阻。

(3)環空返速和鉆井液流變參數都存在一個最優區間，使鉆遇泥巖后水平段遇阻程度最低。

［1］蔣希文.井下事故與復雜問題［M］.北京:石油工業出版社，2006:4-6.

［2］屈平，申瑞臣.煤層氣鉆井井壁穩定機理及鉆井液密度窗口的確定［J］.天然氣工業，2010，30(10):64-68.

［3］謝玉洪，黃凱文，余洪驥.北部灣盆地易坍塌地層鉆井技術［M］.北京:石油工業出版社，2009:74-82.

［4］周金葵.鉆井液工藝技術［M］.北京:石油工業出版社，2009:47-48.

［5］曹忠輝，程少林.大牛地氣田上古生界儲層黏土礦物及敏感性分析［J］.河南石油，2006，20(1):10-13.

［6］楊昌學.元壩陸相欠平衡集成鉆井技術［J］.鉆采工藝，2012，35(3):31-33.

［7］王錦昌，鄧紅琳，袁立鶴，等.大牛地氣田煤層失穩機理分析及對策［J］.石油鉆采工藝，2012，34(2):4-8.

［8］孫煥引，劉亞元.鉆井液［M］.北京:石油工業出版社，2008:20-31.

［9］陳浩，李冰，史禹.大井斜大位移井鉆井液攜巖問題分析及對策［J］.勝利油田職工大學學報，2009，23(3):54-55.

［10］王天成.提高水平井鉆井液攜巖能力的實踐及認識［J］.石油鉆探技術，1996，24(1):18-21.

［11］陳俊，劉希圣，丁崗.水平井段環空攜巖的實驗研究［J］.石油大學學報，1992，16(4):23-26.