鉆井完井工程中的井眼壁穩定性與防塌措施研究

孫舜

渤海鉆探第二鉆井工程分公司 河北 廊坊 065000

鉆井完井工程存在井深、鉆遇地層復雜、井眼失穩等問題，具體體現為三疊系和石炭系出現井眼坍塌、井漏、固井質量差等問題[1]。此外，由于井身質量優良率低、井徑擴大率高、卡鉆頻繁出現，又加上測井資料不全，增加鉆探成本，降低井鉆探質量和效率。結合鉆井完井工程三疊系、石炭系井眼壁等失穩問題，選取泥頁巖巖心樣，進行室內試驗。同時，還開發了以下兩套防塌鉆井液配方，分別是鉀醇鉆井液配方和硅醇鉆井液配方，此外，還開展相關現場試驗工作[2]。

1 井眼壁失穩的常見原因

1.1 地質方面的原因

地層構造狀態是導致井眼壁出現失穩坍塌的常見原因。在原始地應力的作用下，地殼始終處于不間斷的運動狀態中，因此，不同部位很容易形成擠壓、剪切等構造應力。而這些構造應力相當高，遠遠超過巖石自身的最大強度，很容易實現斷裂而釋放較大的能量。但是，當這些構造應力經過聚集后，其能量仍然不滿足促使巖石破裂的強度時，這些構造應力采用潛能耗，存儲于整個巖石中，等待時機成熟后方可再次釋放能量。但沉積環境不同，膠結程度不同時，巖石自身性質也存在一定的差異。對于泥頁巖而言，其孔隙一旦出現壓力異常問題，在進行成巖期間，在環境溫度、外界壓力的作用下，黏土與水分離后，會形成一定的自由水，這些自由水如果所處環境過于密閉，將會無法排出多余的自由水，多余的自由水匯聚于泥頁巖孔隙內，會形成一定的高壓問題。在進行鉆井處理期間，一旦鉆井液所對應的液柱壓力過小時，巖石會釋放大量的孔隙壓力[3]。此外，當巖石孔隙與裂縫不斷增加，并進行有效連通時，這些流體會快速注入到井內。

1.2 物理化學方面的原因

井壁失穩坍塌卡鉆的物理化學方面的原因表現在巖石的水化膨脹、毛細管作用和流體靜壓力等，即與水的存在密切相關。只要使用水基鉆井液，只要有水的存在，就有泥頁巖的水化膨脹和坍塌問題。經過大量研究發現，泥頁巖中的黏土含量、黏土成分、含水量及水分中的含鹽骨對泥頁巖的吸水及吸水后的表觀有密切關系，泥頁巖黏土含量越高，含鹽量越高、含水量越少則越易吸水水化。蒙脫石含量高的泥頁巖易吸水膨脹，綠泥石含量高的泥頁巖易吸水裂解、剝落。值得注意的是井眼鉆開之后，不僅引起原始地應力的重新分配，而且由于鉆井液的浸入，黏土內部又發生新的變化，產生新的應力如孔隙壓力、膨脹壓力等，削弱了黏土的結構。

1.3 鉆井工藝方面的原因

在鉆井工程中，防止地層坍塌最重要的因素是控制鉆井液的液柱壓力?；趬毫ζ胶饫碚?，必須采取適當的鉆井液密度，形成適當的液柱壓力，這是針對薄弱地層、破碎地層及應力相對集中的地層的有效措施。但增加鉆井液密度也有兩重性，一方面鉆井液密度高了有利于增加對井壁的支撐力，另一方面它又會導致濾液進入地層，增大地層的孔隙壓力，增大黏土的水化面積和水化作用從而降低地層內部的結構力。此外，鉆井液密度的確定，也受其他因素的影響，如鉆井液液柱壓力不能超過產層的孔隙壓力等。在鉆井工程實踐中，要時刻注意鉆井液的性能和流變性[4]。如果鉆井液的循環排量大、返速高呈紊流狀態，容易沖蝕井壁地層，引起坍塌，但如果鉆井液循環排量小返速低呈層流狀態，某些松軟地層又極易縮徑，但在己經發生井塌的情況下，不得不增大排量和返速，否則，不足以將塌塊帶出。

2 井眼壁失穩機理分析

2.1 X-射線礦物分析

通過分析鉆井完井工程坍塌地層的全巖礦物組成，獲得表1所示分析結果。同時，通過分析黏土礦物相對含量，獲得表2所示的分析結果。從表1、表2中的數據可以看出，在鉆井完井工程中，巖樣巖性存在較大的差別，其不均質性比較突出。在整個巖樣中，除了含有石英砂巖外，還含有砂質泥巖、黏土礦物等成分，其中，黏土礦物含量最高達到57%。在五種具有代表性的巖樣中，黏土礦物組成成分存在較大的差異，以具有膨脹性的黏土礦物為例，其地層存在易膨脹、易分散、井眼壁失穩等問題；以非膨脹性的黏土礦物為例，其地層坍塌形式主要表現為掉塊。

表1 X-射線衍射全巖礦物組成分析

表2 X-射線衍射黏土礦物組成分析

2.2 掃描電鏡微結構分析

在鉆井完井工程中，借助掃描電鏡，對坍塌地層巖樣結構進行掃描分析，發現巖心黏土礦物整個排列具有一定的規律性、取向性。通過分析和比較地層層理發育情況，發現部分巖心出現較大的微裂縫問題，所以，在進行鉆井期間，在壓差的影響下，鉆井液可以直接沿著巖層裂縫，直接注入到地層內部，促使整個泥頁巖出現明顯水化現象，導致地層發生膨脹度高、易分散、掉塊等問題。

2.3 理化特性分析

通過分析巖樣的膨脹率和清水分散回收率，發現整個巖樣巖心表現出較低的巖心膨脹率。不同巖心，其回收率存在較大的差別，但是，整體回收率值相對較低，這表明鉆井完井工程大部分地層存在膨脹度低、易分散等特點。此外，對巖樣比表面積和比親水量進行試驗分析發現，在鉆井完井工程的同一地層中，如果井深巖樣不同，其比表面積、比親水量存在明顯差異，且整體相對較高[5]。比表面積主要反映和體現地層分散能力高低；比親水量主要反映出頁巖表面所對應的水化膜厚度，當比親水量不斷增加時，水化膜厚度不斷增加，泥頁巖層之間存在較大的水化斥力，導致泥頁巖表面出現明顯坍塌現象，這是導致鉆井完井工程井眼壁不穩定性的根本原因。

2.4 井眼壁穩定對策

結合井眼壁不穩定機理分析結果，提出一套行之有效的防塌技術對策?？茖W調整和控制鉆井液密度，對地層坍塌壓力進行有效地平衡，避免泥頁巖地層出現坍塌安全事故；不斷地強化鉆井液抑制能力，促使鉆井液高溫高壓濾失量不斷降低，使其降低到最低值，避免泥頁巖出現明顯水化膨脹現象；綜合運用硅酸鹽等高凝膠性的物質，促使鉆井液表現出較高的化學膠結固壁能力；有效調整和控制鉆井液活度，使得鉆井液表現出較高的防塌能力等。

3 鉆井完井工程防塌鉆井液配方研制

3.1 單劑優選與配方優化

借助滾動分散、高溫老化等試驗方法，優選包被劑、防塌劑等多種處理劑。同時，優化組合這些處理劑，并形成兩套滿足鉆井完井工程井眼壁防塌處理需求的鉆井液配方。1號鉀醇鉆井液配方：該配方的基漿密度、亞甲基藍容量分別為1.029g/cm3、40g/L。2號硅醇鉆井液配方：該配方的基漿密度、亞甲基藍容量分別為1.04g/cm3、55g/L。

3.2 鉆井液性能評價

結合現場實際應用需求，采用室內模擬評價的方式，對鉆井液加重、抑制性、抗劣土污染、抗鈣污染等性能進行評價。鉆井液抑制性綜合評價和抗劣土污染能力試驗結果可以看出，膨脹率主要使用二級膨潤土；回收率主要使用4646～4684m的巖屑；頁巖穩定指數主要使用4660～4699m的巖屑。這兩套鉆井液配方具有懸浮性高、抑制性高、抗劣土污染能力強等優勢，完全滿足現場施工需求。

4 現場應用

4.1 TK826 井

TK826井作為鉆井完井工程的一口開發井，所設計井深和完鉆井深分別為5970m、5946m。某井段所出現的裸眼較長，裸眼井段長度達到4600m，整個鉆遇地層比較復雜，整個鄰井曾經多次出現井眼壁坍塌安全事故。為保證鉆井操作的安全性，對鉆井液工作質量提出了更高的要求。當井眼壁鉆至4000m之前，需要借助聚合物鉆井液體系，從4400m位置處開始進行轉型操作，并將其轉換為聚磺鉆井液體系，不斷提升抗高溫能力。同時，在4666m位置處將其轉換為硅醇鉆井液，整個聚磺鉆井液體系轉化相當順利，有效地避免井眼壁坍塌安全事故的發生。TK826井鉆井液轉化前后性能變化見表3所示。

表3 TK826井鉆井液轉化前后性能變化

4.2 TK745 井

TK745井作為鉆井完井工程所布置的一口開發井，其井深設置為4871.52m，并對鉆頭進行起鉆更換處理。當起鉆至2468.85m時，出現卡液未解卡等問題，后期，將卡點密度降低至1.16g/cm3，并進行解卡操作。當下鉆至3300m時，將其轉換為鉀醇鉆井液，使其卡點密度上升至1.29g/cm3，并繼續向下不斷鉆井。嚴格按照地質要求進行沖孔，沒有出現黏卡問題，完全達到預期效果。

4.3 應用效果分析

硅醇鉆井液在轉化前期、后期，其性能并沒有出現明顯變化，尤其是黏度一直維持在57mPa·s左右。此外，還能在鉆穿二疊系白米后不會出現掉塊現象。同時，濾餅表現出良好的致密性和韌性，整個高溫、高壓失水量小，簡化鉆井液維護流程，并有效地降低平均井徑擴大率。在長裸眼井段中，通過使用密度為1.04g/cm3的鉆井液，并不會出現黏卡問題。在鉀醇鉆井液配方的應用背景下，整個井眼壁地層界線變得更加清晰，確保整個巖屑純正，不摻雜任何雜質。在進行鉆井完井工程施工期間，整個轉盤扭矩比較平穩，如果巖屑返回時間與實測值完全相符，說明鉆井液表現出良好的懸浮攜巖能力。

5 結束語

根據對鉆井完井工程井眼壁失穩機理分析和防塌措施研究，得出以下幾個結論：1）鉆井完井工程復雜地層含有較高的黏土礦物。同時，其礦物成分存在較大的差別，具有親水性強、膨脹度低等特點，很容易出現井眼壁坍塌安全事故。2）結合鉆井完井工程地層特點，提出防塌技術對策，科學調整鉆井液密度，促使地層坍塌壓力得以有效平衡；不斷增強鉆井液抑制性，使得鉆井液高溫高壓濾失量降到最低，避免地層出現嚴重水化膨脹現象；提高鉆井液凝結固壁能力等。3）通過采用試驗方式，在優選大量處理試劑的前提下，提出鉀醇鉆井液配方和硅醇鉆井液配方?，F場應用結果表明；以上兩套鉆井液配方均可以降低井眼壁坍塌風險，具有井眼規則合理、井眼擴大率低、處理劑添加量少、易維護等特點，使得鉆井綜合成本降到最低。另外，這兩種鉆井液配方具有操作簡單、安全可靠、易維護等特點，完全滿足井眼壁防塌處理需求。