蘇里格氣田水平井造斜增斜段井壁穩定控制

韓偉超 （長江大學石油工程學院，湖北 武漢430100中石油渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程公司，天津300280）徐曉磊，趙 鵬，吳曉龍 （中石油渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程公司，天津300280）

蘇里格氣田地質構造屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部中帶，是中國陸上發現的一個特大型氣田，是一個低壓、低滲、低豐度、大面積分布的巖性氣藏［1］。該氣田水平井的主要目的層為石盒子組盒8段，埋深約3200～3500m左右，巖性以砂泥巖為主，產層薄，直井產量低，采用水平井是提高單井產量，加快蘇里格氣田勘探開發的有效方法。因此，近幾年在蘇里格氣田大面積投入水平井開發。

然而，水平井鉆井施工過程中，造斜增斜井段主要集中在石千峰組與石盒子組 （簡稱 “雙石組”），主要以硬脆性泥巖地層為主，在造斜增斜段施工過程中，經常發生井壁坍塌掉塊現象，井壁失穩已經成為制約蘇里格氣田水平井鉆井提速提效的瓶頸，因此在 “雙石組”造斜增斜時保持井壁穩定對于水平井鉆井成功與否至關重要。

1 造斜增斜段井壁失穩機理分析

“雙石組”地層巖性為大段紅褐色泥巖、灰色泥巖和小段砂巖，主要以硬脆性泥巖地層為主，泥頁巖是典型的沉積巖，層理極發育，并且還存在微裂縫。在該層位造斜過程中，隨著井斜的增加，鉆井液失水滲入泥頁巖層理面使發生垮塌的程度增加，鉆井液中自由水進入后極容易破壞其原始力學穩定性，造成井壁失穩，發生井壁坍塌掉塊現象。由于造斜段巖石可鉆性差、研磨性強，鉆井時間長，增加了鉆井液侵泡地層時間，加大了泥巖層段井壁失穩的可能性。另外，在造斜增斜井段鉆進過程中，隨著井斜角的增加，下部鉆具與下井壁接觸，發生摩擦，鉆進時以及起下鉆引起的激動壓力，都能造成井壁失穩，發生井壁坍塌掉塊現象。

井壁失穩是巖石力學、鉆井液化學以及現場施工人員的操作共同作用的結果，維持硬脆性泥巖井壁穩定，不能盲目提高鉆井密度，另外上部的劉家溝地層易漏失，鉆井液的封堵性更重要，鉆井液性能不穩定，不能很好地支撐井壁，造成造斜增斜段先期井壁剝落，無法形成致密泥餅，為后期施工埋下了隱患。

2 造斜增斜段井壁穩定性研究

2．1 造斜增斜段井壁穩定計算模型的建立

對于廣義平面應變條件下的斜井井眼 （見圖1），受三向地應力 （垂向應力和最大、最小水平主地應力）的作用，井壁巖石為彈性狀態，在井斜角為α，井斜方位與最大水平主地應力方位角之間的夾角為β時，作用在井壁巖石上的3個主應力σ1、σ2、σ3分別為［2-3］：

式中，Pwf為鉆井液液柱壓力，MPa；δ為滲透率系數；φ為孔隙度；η為有效應力系數；Pp為地層孔隙壓力，MPa；σθ為切向有效正應力，MPa；σz為垂向有效正應力，MPa；τθz為切應力，MPa。σ1、σ2、σ3的大小順序在具體計算中排定。

由于井眼周圍應力集中，使井壁上產生的應力最大。因此，將井壁上的應力與強度準則相比較，便可判斷井壁穩定與否。井壁不穩定分為2種情況：一種是鉆井液密度過大，使巖石所受的周向應力超過巖石的抗拉強度而造成拉伸破壞；另一種是鉆井液密度過低，使井周應力大于巖石本身的強度而產生剪切破壞，對于脆性地層 （如泥頁巖地層）出現井壁坍塌掉塊現象，而對于塑性地層則井眼內產生塑性變形，造成縮徑［4］。由于造斜增斜井段巖性以泥頁巖為主，筆者著重對泥頁巖的坍塌壓力進行分析研究。

根據庫倫-摩爾破壞準則，巖石破壞時剪切面上的剪應力必須克服巖石的固有剪切強度C（黏聚力）和作用于剪切面上的摩擦阻力，可以得到：

圖1 斜井井眼應力分析坐標轉換示意圖

式中，Fs為安全系數；φ為內摩擦角，（°）；C為黏聚力，MPa；τ為剪應力，MPa；σn為正應力，MPa。

2．2 蘇里格氣田造斜增斜段井壁穩定性分析

根據蘇里格氣田某井室內巖石強度試驗數據、地應力測試資料，結合測井資料，計算得到該井石千峰組和石盒子組地層孔隙壓力、地應力、巖石強度參數 （見表1）。

表1 “雙石組”地層計算參數表

根據以上計算模型編制出井壁穩定分析軟件，結合表1中的雙石組地層計算參數，計算出造斜增斜井段不同井斜角和不同方位角下地層坍塌壓力變化圖譜，如圖2和圖3所示（圖中0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°表示計算點方位與最大水平主地應力方位夾角）。

通過圖2和圖3，可以根據在雙石組地層不同井斜角、方位角時的地層坍塌壓力確定在雙石組地層造斜增斜井段鉆井過程中的鉆井液密度，為控制造斜增斜井段井壁穩定提供依據。

3 造斜增斜段井壁穩定控制措施

3．1 井眼軌道優化

首先，優化定向井剖面設計，優化井眼軌道設計。“直-增-穩-增-平”雙增剖面類型是最常用的，因為多數造斜鉆具造斜特性不可能保持穩定，而地層巖性的變化也在影響著鉆具造斜率，使實鉆軌跡發生一定的偏差，并及時計算修改穩斜段長度，使定向段井眼軌跡平滑，巖石側向力比較穩定，施工過程中起下鉆刮拉井壁時，不會對井壁造成過大的沖擊力，減少了井壁失穩的可能。其次，縮小二開井眼尺寸。二開直接采用215．9mm鉆頭鉆進，改變傳統二開使用241．3mm鉆頭鉆進，既可以提高造斜率，又可以提高機械鉆速。

圖2 石千峰組坍塌壓力隨井斜角方位角變化圖

圖3 石盒子組坍塌壓力隨井斜角方位角變化圖

3．2 優化鉆井液體系，確定合理的鉆井液密度

鉆井液密度低導致井壁巖石發生剪切破壞而坍塌掉塊，若井內鉆井液密度較小，不能對井壁提供足夠的支撐，將使井壁巖石所受的應力超過其本身的強度產生剪切破壞而造成井壁坍塌。蘇里格地區劉家溝地層地層滲透性好，極易發生漏失，鉆進時采用大循環，鉆井液密度控制在1．05g／cm3以內，鉆穿劉家溝后進入石千峰地層上罐走小循環，造斜增斜段伴隨著鉆井液改型開始。合理的鉆井液改型是后期定向段井壁穩定工作的一個關鍵環節。盲目地提高密度并不能有效地穩定井壁，定向鉆進施工的前48h內，鉆井液處理的關鍵在于快速的調節鉆井液性能，提高鉆井液的黏切，降低失水，在井壁形成薄而致密的泥餅，提高地層的承壓能力，才能緩慢的提高鉆井液密度。在提高密度過程中，添加少量的封堵劑，防止劉家溝地層漏失誘發雙石組地層井壁失穩。

3．3 減少泥漿中自由水進入井壁，降低泥頁巖的水化程度

填加合理的防塌材料，鉆井液中保證防塌劑的比例，有效地做到化學防塌，其次補充降失水劑特別是抗高溫失水劑，控制 API（0．7MPa，室溫條件下）失水在3～4ml之間，HTHP（High Temperature and High Pressure，高溫高壓）失水小于12ml，減少侵入地層中濾液自由水，這樣才能有效地控制泥巖的水化膨脹，降低井壁失穩的風險。聚合物鉆井液中，增加大分子及陽離子含量，對泥巖表面進行多點吸附，阻止水分子侵入，降低水化速度，保持泥巖膠結強度，改善泥餅質量，增強護壁效果。嚴格控制鉆井液含砂量，鉆井液含砂量高，形成的濾餅厚且松，膠結性差，易發生縮徑，起鉆拔活塞，造成井眼坍塌。

3．4 優選鉆頭，提高鉆速，減少泥頁巖浸泡時間

合理的鉆頭選型能快速的完成造斜增斜段施工，減少泥巖浸泡時間，降低井壁失穩的風險。蘇20區塊蘇20-13-17H造斜段3377-3646m使用2只鉆頭（中成MD6633H和蛟龍P5519LS），進尺269m，用時7．38d，而同期施工的蘇20-13-17H井造斜段3313～3680m僅用了1只鉆頭（哈里伯頓FXD65D），進尺367m，用時5．65d；2012年蘇里格蘇76區塊蘇76-4-19H井造斜段2719～3401m使用2只鉆頭（中成MD6633ZC和MD6542ZC）進尺682m，用時10．48d，同年施工蘇76-6-25H井造斜段2723～3430m使用2只鉆頭（迪普DD65C），進尺707m，用時4．71d。2組井對比鉆井時間縮短50%左右，后者比前者井壁浸泡時間明顯降低，極大的減少了井壁失穩坍塌的風險，中完通井時蘇76-4-19H井下鉆到底遇阻，通過劃眼到底，反復短起下3次才保證井眼暢通，循環時返出片狀掉塊，而蘇76-6-25H井由于造斜增斜段施工時間比較短，井壁穩定，通井時順利到底，井底沒有沉砂，保證了中途完鉆的安全施工。

3．5 嚴格執行操作規程

嚴格控制鉆進排量，排量過低易在造斜增斜段形成巖屑床，起下鉆阻卡時開泵活動激動和抽吸容易造成井壁失穩坍塌，排量過大容易加大對井壁的沖刷，破壞泥餅，泥巖剝落井壁失穩，一般鉆進排量控制在28～30L／s；起鉆按規定灌滿鉆井液，保證液柱壓力不出現大的波動。嚴格控制起下鉆速度，每次起鉆前在造斜增斜段打入防塌封閉鉆井液，做好空井時的井壁支撐。

3．6 鉆井設備和人員素質

頂驅設備在造斜增斜段施工能極大的減少鉆井事故發生，在早期井壁失穩掉塊導致的阻卡現象可以快速操作，避免事故惡化。另外，崗位員工對于井塌的風險識別能力也很關鍵，及早的發現巖屑變化，能直觀分析出井下情況，通過調整鉆井液性能，短程起下鉆循環帶出井底掉塊，快速恢復井內壓力平衡，抑制井壁穩定失穩，避免井下復雜加劇，防止井塌事故發生。

4 結 論

通過對蘇里格氣田水平井造斜增斜段井壁失穩機理分析，并對造斜增斜段井壁圍巖應力分布情況分析，主要針對該井段泥巖地層坍塌壓力模型的建立，編制軟件，并計算出不同井斜角和方位角下的坍塌壓力，從而確定在雙石組地層造斜增斜段鉆井過程中的鉆井液密度。

［1］李爽，李玉斌，段憲余，等 ．水平井技術在蘇10區塊的應用［J］．特種油氣藏，2011，18（3）：84-86．

［2］土林，付建紅，饒富培，等 ．大位移井井壁穩定機理及安全密度窗口分析［J］．石油礦場機械，2008，37（9）：46-48．

［3］李軍，陳勉，金衍，等 ．大位移井井壁穩定三維彈塑性有限元分析［J］．巖石力學與工程學報，2004，23（14）：2385-2389．

［4］樓一珊，劉剛 ．大斜度井泥頁巖井壁穩定的力學分析［J］．江漢石油學院學報，1997，19（1）：61-64．