南堡3號(hào)構(gòu)造井壁失穩(wěn)問題分析與對(duì)策

胡勇科,李 丹,邱元瑞,王桂軍,李 釗, 晉新偉

(1.中國石油冀東油田分公司工程監(jiān)督中心,河北唐海 063299；2.中國石油冀東油田分公司南堡作業(yè)區(qū)；3.中國石油冀東油田分公司開發(fā)處)

1 現(xiàn)場井壁失穩(wěn)現(xiàn)象

南堡油田位于渤海灣盆地黃驊坳陷西南部灘海，共發(fā)育5個(gè)構(gòu)造。2012年以來，南堡3號(hào)構(gòu)造成為冀東油田勘探開發(fā)重點(diǎn)區(qū)塊，先后施工了PG2、 NP306X1等5口探井評(píng)價(jià)井，這些井在鉆井中發(fā)生過不同程度的井漏、井壁垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故，其中井壁失穩(wěn)問題最為突出，不僅影響了施工安全，也影響著鉆完井速度的提高，成為影響快速勘探開發(fā)的主要障礙之一。

調(diào)查分析2012年南堡3號(hào)構(gòu)造鉆井施工中復(fù)雜事故發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場井壁失穩(wěn)現(xiàn)象為：撈砂中掉塊多、環(huán)空憋堵、下鉆遇阻、長井段劃眼、井壁垮塌等。NP3-19井鉆進(jìn)至東三段地層、東二段地層發(fā)生井塌，被迫打水泥塞，在東二段地層進(jìn)行側(cè)鉆；南堡3-20井鉆進(jìn)至沙一段地層、東營組地層發(fā)生垮塌，下鉆遇阻進(jìn)行大段劃眼，鉆具斷裂落井，被迫打水泥塞，在東三段地層進(jìn)行側(cè)鉆；NP306X1、堡古2等3口井在東營組地層鉆進(jìn)中，振動(dòng)篩返出大量大的掉塊，采取提高鉆井液密度、下鉆遇阻后劃眼等措施后井下施工恢復(fù)正常。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南堡3號(hào)構(gòu)造初期的5口中深井均出現(xiàn)東營組井壁失穩(wěn)問題，損失時(shí)間多達(dá)95.06 d。

2 井壁失穩(wěn)原因

2.1 地質(zhì)因素[1-2]

南堡3號(hào)構(gòu)造自上而下鉆遇地層：平原組，明化鎮(zhèn)組、館陶組，東營組一段、二段、三段，沙一段。施工中發(fā)生掉塊、劃眼、井塌等復(fù)雜事故的井段主要集中在東營組與沙一段地層。通過對(duì)地層巖樣切成薄片進(jìn)行掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，巖石強(qiáng)度較高，不易分散，存在微孔縫。通過對(duì)巖樣黏土礦物及膨脹率統(tǒng)計(jì)表明，該段地層發(fā)育大段硬脆性泥巖，黏土礦物含量較高，且主要以無序伊蒙混層為主，水化膨脹性強(qiáng)，黏土礦物易發(fā)生表面水化膨脹和滲透水化膨脹，造成井壁剝落掉塊，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致坍塌卡鉆事故。

化驗(yàn)表明，沙一段泥質(zhì)總量15.7%～50.1%；泥巖回收率在60%～96%，泥巖膨脹率為22%～53%，屬于弱分散強(qiáng)膨脹巖石；東二段分散性相對(duì)較強(qiáng)，泥巖浸泡分析數(shù)據(jù)表明，東二段泥巖水化程度強(qiáng)，16 h時(shí)出現(xiàn)大裂縫；東三段泥巖水化程度較強(qiáng)，16 h時(shí)出現(xiàn)大量氣泡；沙一段泥巖水化程度弱，18 h時(shí)出現(xiàn)少量氣泡。

2.2 鉆井液因素[3]

(1)密度使用不合理。東營組地層存在著較高的坍塌壓力，東三段最高地層坍塌壓力1.28 g/cm3，而鉆井液設(shè)計(jì)最高密度1.30 g/cm3。施工中，提前調(diào)整密度至1.35 g/cm3可以滿足施工要求，若等到出現(xiàn)井壁垮塌跡象后再提高密度，需要1.40 g/cm3或更高的密度才能穩(wěn)定井壁。

(2)抗高溫性能控制不當(dāng)。鉆至東二段地層后，井溫高達(dá)150℃，每次下鉆到底后，開泵困難，返出的鉆井液黏切升高，流動(dòng)性差，失水變大。井內(nèi)鉆井液靜止一段時(shí)間后，抗高溫效果差的鉆井液材料在高溫下發(fā)生失效，造成鉆井液性能變差，對(duì)穩(wěn)定井壁不利。

(3)抑制性能差。設(shè)計(jì)鉆井液配方中加入3%～5%KCl，此加量使得鉆井液性能不好控制，造成流變性變差，引發(fā)黏度升高、失水變大。KCl加量低，鉆井液對(duì)中深地層泥巖抑制效果差。

(4)防塌性能不好。鉆井液HTHP失水偏大，增加進(jìn)入中深地層的濾液量和浸入深度；高溫條件下，封堵性能差，不能有效阻止濾液浸入地層；鉆井液防塌性能較差，無法穩(wěn)定井壁[3]。

2.3 工程措施因素

(1)井眼軌跡控制無預(yù)見性。復(fù)雜井段未優(yōu)化軌跡控制方式，造成井眼曲率大，軌跡不圓滑，增大摩阻扭矩，影響深部地層施工。深井采用五段制軌跡施工難度大。NP3-20井井眼軌跡由三段制改為雙增五段制，施工難度增加，施工周期增長，井眼長時(shí)間浸泡，易發(fā)生失穩(wěn)。

(2)操作不當(dāng)導(dǎo)致井壁應(yīng)力失穩(wěn)。頻繁起下鉆，尤其是速度過快的起下鉆，長時(shí)間的定點(diǎn)循環(huán)，尤其是帶螺桿的定點(diǎn)循環(huán)，容易對(duì)井壁造成掛碰沖擊、壓力激動(dòng)沖擊和沖刷旋轉(zhuǎn)破壞，不僅誘發(fā)井壁失穩(wěn)，還造成交錯(cuò)的凹凸井眼，為后續(xù)的鉆完井施工增添劃眼、卡電纜等風(fēng)險(xiǎn)。

(3)井眼維護(hù)措施不到位。鉆井施工中，片面追求機(jī)械鉆速，未及時(shí)落實(shí)通井、短起下與攜巖措施，形成砂橋、巖屑床，造成起鉆困難，下鉆發(fā)生遇阻、卡鉆等復(fù)雜事故。

3 井壁失穩(wěn)對(duì)策分析

3.1 優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)

(1)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。①加強(qiáng)工程與油藏結(jié)合，綜合施工難度、防碰、軌跡控制難易、進(jìn)尺、優(yōu)快鉆進(jìn)、井壁穩(wěn)定和注采工藝要求等因素，優(yōu)選井眼軌道剖面類型。在保證安全鉆進(jìn)的條件下，簡化井身結(jié)構(gòu)，減少技術(shù)套管下入深度。完鉆層位為沙河街的井，設(shè)計(jì)三開井身結(jié)構(gòu)，技套盡量封固館陶組礫巖地層。②減少套管鞋以下的口袋長度，以1～2 m為宜。

(2)井眼軌跡優(yōu)化。在滿足地質(zhì)要求的條件下，優(yōu)化造斜點(diǎn)位置和軌道設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于水平位移小于1 000 m的井，選擇直-增-穩(wěn)-降-直五段制剖面，以有利于井眼軌跡控制、三開快速鉆進(jìn)、深部地層井壁穩(wěn)定及完井工作。水平位移大于1 000 m的井，根據(jù)具體情況選擇直-增-穩(wěn)或直-增-穩(wěn)-微降剖面，增斜率選擇2.1～2.4°/30 m，降斜率選擇0.8～1.5°/30 m。盡量減少深部扭方位和降斜井段，提高復(fù)合鉆進(jìn)井段比例，加快鉆井速度。

(3)若鉆井施工中卡鉆、井塌等風(fēng)險(xiǎn)很大，建議有條件地放寬鉆井液熒光控制，便于加入熒光較高、效果更好的潤滑防塌材料，提高井壁穩(wěn)定效果，確保施工安全。

3.2 穩(wěn)定井壁鉆井液技術(shù)

3.2.1 使用合理的鉆井液密度

(1)優(yōu)化鉆井液密度設(shè)計(jì)。在平衡地層孔隙壓力的基礎(chǔ)上，結(jié)合地層坍塌壓力，地層破裂壓力來優(yōu)化鉆井液密度設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)鉆情況合理調(diào)整密度(見表1)。

表1 地層壓力(當(dāng)量密度)預(yù)測與鉆井液密度設(shè)計(jì)

(2)密度提前調(diào)整到位，不能等出現(xiàn)井壁垮塌跡象后再提高；井壁的坍塌壓力隨鉆井液浸泡時(shí)間的增長而升高，當(dāng)發(fā)生復(fù)雜事故或裸眼井段浸泡時(shí)間較長后，需要相應(yīng)提高密度。

3.2.2 KCl鉆井液性能優(yōu)化

(1)增強(qiáng)鉆井液抗溫性能。進(jìn)入Ed2地層后，使用抗高溫效果好的降失水劑、聚合物等。加入1%Na2SO3清除鉆井液中氧氣，防止材料在高溫下氧化變質(zhì)，同時(shí)加入0.2%A-20提高鉆井液熱穩(wěn)定性。井溫達(dá)180℃以上時(shí)，停止加KCl，補(bǔ)充2%陽離子乳化瀝青，提高鉆井液抗溫能力。

(2)提高鉆井液抑制能力。轉(zhuǎn)型時(shí)一次加足10%KCl，進(jìn)入Ed2地層之后保持濾液總礦化度在90 000 mg/L以上，可以有效抑制黏土礦物水化分散。根據(jù)鉆進(jìn)速度，每鉆進(jìn)50 m補(bǔ)充50 kg聚胺，保持1%有效含量，并及時(shí)補(bǔ)充DSP，抑制泥巖水化分散，使鉆屑被適度絮凝，以利于固控設(shè)備清除。

(3)嚴(yán)格控制鉆井液失水。平常以膠液的方式加入優(yōu)質(zhì)降濾失劑，保持鉆井液中抗高溫降失水材料的有效含量為0.8%DSP、6%SPNH與3%SMP。進(jìn)入Ed2地層之前控制HTHP失水在12 mL以內(nèi)，有效地減少鉆井液濾液對(duì)泥巖地層的侵入。采用DSP提高護(hù)壁能力，加入2%FT-3000，對(duì)地層的微裂縫、孔隙進(jìn)行封堵，阻止濾液通過裂縫進(jìn)入地層，增強(qiáng)鉆井液抗溫防塌能力。

3.3 優(yōu)化鉆井技術(shù)措施

(1)優(yōu)化井眼軌跡控制。施工前對(duì)井眼軌跡控制進(jìn)行整體優(yōu)化，采取勤調(diào)整、小調(diào)整原則，及時(shí)調(diào)整井斜、方位，嚴(yán)格控制井眼曲率，避免淺層井眼曲率過大和深層扭方位、調(diào)井斜；盡量控制Ed3以上井段軌跡圓滑。中靶后，優(yōu)化控制井眼軌跡，井斜在井眼軌跡符合率范圍內(nèi)寧低勿高。選擇造斜能力略大于設(shè)計(jì)的螺桿鉆具，減少滑動(dòng)鉆進(jìn)井段；穩(wěn)斜段使用雙扶螺桿鉆具，增強(qiáng)穩(wěn)斜效果；復(fù)雜井段優(yōu)選常規(guī)鉆具，配合適的短鉆鋌和欠尺寸扶正器，提高穩(wěn)斜效果，保證井眼軌跡圓滑和井下安全，實(shí)現(xiàn)鉆井提速。

(2)提高短起下修整井壁效果。鉆進(jìn)過程中，每鉆進(jìn)一個(gè)立柱，進(jìn)行正倒技術(shù)劃眼至少2遍。短起下操作要精細(xì)，裸眼段控制起下鉆速度，減少鉆具對(duì)井壁的刮碰。井深2 000～3 000 m每300 m短起下一次，井深3 000～4 000 m每200 m短起下一次，井深4 000～5 000 m每100 m短起下一次，起到本次鉆頭所鉆井段1.5～2倍，充分修整新形成井眼，循環(huán)攜砂，清除巖屑床，提高井眼質(zhì)量。完鉆后采取高轉(zhuǎn)速技術(shù)倒劃眼起鉆，破壞下井壁巖屑床，清潔井眼。

(3)改進(jìn)循環(huán)措施。鉆井中減少鉆具對(duì)井壁的機(jī)械碰撞。在頂通、落實(shí)顯示、測斜等情況下循環(huán)時(shí)，上下活動(dòng)鉆具5 m以上，避免長時(shí)間定點(diǎn)循環(huán)，減少“大肚子”等不規(guī)則井眼的形成；同時(shí)減少起下鉆次數(shù)，控制起下鉆速度。下鉆做好分段循環(huán)、小排量開泵等細(xì)節(jié)，可采用5 L/s排量頂通0.5 h，再逐步提高排量，增加幅度每0.5 h提高5 L/s，避免開泵過猛發(fā)生憋漏。更換鉆具組合后下鉆要小心，遇阻嚴(yán)禁帶螺桿劃眼，必要時(shí)優(yōu)化鉆具通井。

4 實(shí)施效果

(1)通過應(yīng)用鉆井井壁穩(wěn)定技術(shù)，2013年冀東油田3號(hào)構(gòu)造鉆井井壁失穩(wěn)問題明顯減少，見表2。

(2)2013年應(yīng)用井壁穩(wěn)定技術(shù)，加快了鉆井速度，提高了生產(chǎn)時(shí)效。與2012年施工的井深、井斜、水平位移相近的同類型井相比，2013年的鉆井周期、完井周期、平均機(jī)械鉆速、平均生產(chǎn)時(shí)效等指標(biāo)明顯提到了提高，見表3。

表2 三號(hào)構(gòu)造井壁失穩(wěn)問題對(duì)比分析

表3 2013年與2012年3號(hào)構(gòu)造同類型井完井指標(biāo)對(duì)比

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)南堡3號(hào)構(gòu)造東二段、東三段和沙一段地層發(fā)育硬脆性泥巖，地層中伊/蒙混層礦物和伊利石含量較高，易水化膨脹，此為鉆井中容易發(fā)生井壁失穩(wěn)的根本原因。

(2)鉆遇中深泥巖地層時(shí),現(xiàn)場鉆井液密度抑制防塌等性能控制不好、工程設(shè)計(jì)及工程措施不盡合理等因素，造成井壁剝落掉塊、垮塌，長井段劃眼，甚至填眼側(cè)鉆。

(3)通過優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)，改進(jìn)KCl鉆井液配方，優(yōu)化鉆井液性能維護(hù)，優(yōu)化工程措施等穩(wěn)定井壁技術(shù)，解決了南堡3號(hào)構(gòu)造的鉆井井壁失穩(wěn)問題。

[1] 徐同臺(tái).井壁穩(wěn)定技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].鉆井液與完井液,1997，14(4):36-43.

[2] 胡勇科,楊景中,李家?guī)?等.冀東油田南堡4號(hào)構(gòu)造鉆井井壁穩(wěn)定技術(shù)[J].復(fù)雜油氣田,2012，21(6):48-53.

[3] 呂軍,鐘水清,劉若冰,等.鉆井液對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響研究[J].鉆采工藝,2006，29(3):74-75,81.