川東地區下二疊統梁山組頁巖鉆進預防卡鉆技術

卓云 吳宗國 劉德平 古光平

中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司

四川盆地川東地區下二疊統梁山組頁巖、煤層極易發生垮塌，導致卡鉆。石炭系地層壓力系數低，與上部高壓層同存，鉆進中極易發生井漏，導致壓差卡鉆［1－6］。由于地層巖性復雜，進入梁山組、石炭系后，沒有執行進梁山組、石炭系防卡措施，造成卡鉆。如WQ002－H4井帶扶正器進梁山組發生垮塌卡鉆，XC7井用 215.9 mm鉆頭直接鉆完了石炭系，進入志留系發生壓差卡鉆，處理難度大，最后側鉆，造成了極大損失。

針對該段鉆井難點，開展了以鄰井實鉆厚度、巖性組合為依據，開展梁山組及上下交界面工程因素評價，從地層厚度、巖性、巖屑顏色、實鉆鉆時方面，總結形成梁山組工程安全預警技術，通過井眼軌跡控制、鉆具組合效能分析、鉆頭選型、鉆井液密度窗口探索、鉆井液防塌性能優控、設備／鉆具升級配套、“進一退二”安全操作等因素評價，進一步完善了事故復雜預防技術。

1 鉆井復雜情況與難點

該區鉆進梁山組過程中已發生的主要復雜情況表現為：

1）鉆井液密度偏低，導致地層垮塌。如LD8井、L001－X1井，發生了嚴重垮塌。通過適當提高鉆井液密度，確保了井壁穩定，解除了井下復雜。

2）進入石炭系井段過長，發生壓差卡鉆。XC7井進入石炭系后，沒有及時分層，用 215.9mm鉆頭直接鉆穿石炭系，并進入志留系24m，導致壓差卡鉆。

3）防卡措施不到位，梁山組發生垮塌卡鉆。WQ002－H4井沒有及時確認進入梁山組，鉆進中沒有嚴格執行梁山組安全操作措施，導致垮塌卡鉆。

2 工程安全預警技術

采用了鄰井實鉆巖性組合為依據，把鉆時錄井作為判斷鉆頭進入梁山組，巖屑錄井及循環觀察作為判斷鉆遇巖性的手段。如某石炭系氣藏的待鉆井MX005－H2井的3口鄰井，MX5、MX005－H1井位于構造高點，MX2井位于潛伏高點。待鉆井與MX005－H1井距離281m。所以，工程應用地層、巖性數據主要參考MX005－H1、MX5井實鉆數據。

2.1 厚度分析

MX5、MX2井為直井，梁山組厚度分別為10m、16m。MX005－H1為大斜度水平井，梁山組井斜60°，斜厚19m，折算垂厚10m。設計的MX005－H2井棲一段、梁山組垂厚分別為100m、10m。設計以55°～61°井斜角鉆開石炭系，斜厚分別折算為187m、21m（表1）。

表1 已鉆井棲一、梁山組實鉆厚度統計表

2.2 巖性組合

1）棲一段：上部為深灰色、褐灰色細粉晶灰巖；下部色較深，近底部夾燧石結核灰巖。底以深灰帶黑色泥晶灰巖與下伏梁山組的灰黑色頁巖分界。

2）梁山組：為灰黑色頁巖，淺灰、深灰色粉砂巖夾灰色鋁土質泥巖及煤線，見黃鐵礦星散分布。

3）石炭系前3m：為灰褐色、深灰帶褐色云巖、角礫云巖夾薄層灰質云巖。

梁山組上下（棲一段、石炭系）顏色淺，中間（梁山組）顏色深。

2.3 鉆時分析

1）川東地區棲一段層厚100m左右。其底部20 m，巖性主要為石灰巖，可鉆性好。棲一段底部2～5 m鉆時明顯偏高，可能含有燧石或泥質條帶。

2）梁山組在川東地區二疊系中具有塊狀高鉆時的特點。梁山組縱向上的3套巖層的鉆時細分為：上部2～3m巖性為頁巖夾煤層（煤線），可鉆性好。個別井頁巖層厚度異常（門西2井梁山組上部頁巖厚11m）。中部2～5m為泥巖、泥質粉砂巖、可鉆性相對較差。下部2～4m為頁巖、泥質粉砂巖，可鉆性好（表2）。

表2 鉆時變化分析表

3）石炭系前3m主要為石灰巖、白云巖，可鉆性好。

2.4 梁山組復雜地層工程安全預警措施

2.4.1 鉆時判斷

1）在棲一段中鉆進，一旦鉆時增加，就可能鉆到了棲一段底部，再鉆2～5m，鉆時又降低，巖性由石灰巖變為頁巖，部分井夾煤層（煤線），顏色變深、變黑，表明可能進入了梁山組。

2）在梁山組鉆進，鉆時一旦降低，就可能是到了梁山組底部，再鉆2～4m，巖性由頁巖（個別井為粉砂巖）變為石灰巖、白云巖，顏色變淺，表明可能進入了石炭系。

2.4.2 及時地質循環

1）實鉆過程中，加強鉆時對比、巖屑觀察，發現異常變化，及時進行地質循環，為地質分層創造條件。

2）如巖屑卡層困難，建議在必要時進行電測分層。

3）遇地層巖性組合復雜，短時間難以準確分層時，工程上要提前落實梁山組事故復雜預防措施，確保鉆井安全。

3 梁山組卡鉆事故預防技術

1）進梁山組后，簡化鉆具結構。減少鉆鋌數量，使用螺旋鉆鋌，甩掉扶正器。梁山組上層為棲霞組，屬于穩斜井段，使用彎螺桿加MWD復合鉆進。為確保鉆井安全，逐步總結形成了進梁山組起鉆簡化鉆具結構、倒出扶正器的安全鉆井模式。

2）優化設計井眼軌跡，嚴格控制狗腿度，提高梁山組以上井段通過能力。 215.9mm井段單點狗腿度不超過6°，連續幾點狗腿度應不超過5°。鉆進中做好摩阻的記錄，檢測井眼軌跡變化情況。

3）保持合理的鉆井液密度。通過分析川東地區近年來33個主要構造、112口已鉆井梁山組鉆井液密度，探索了梁山組安全鉆井的鉆井液密度窗口值范圍。

4）保證鉆井液潤滑性，必要時加入1%～2%固體潤滑劑。嚴格將鉆井液的高溫高壓失水、泥餅分別控制在15mL、3mm以內，加力學封堵性穩定劑HN－3、SAS或FRH、KHm、SMP以增強地層的膠結力和改善泥餅質量。加入0.2%～0.3%SP－80或 OP－10表面活性劑?？煽紤]加入1%～2%的單向壓力封閉劑加固井壁。

5）使用牙輪鉆頭，降低卡鉆風險及卡鉆后處理難度。部分井梁山組含有粉砂巖、細砂巖，研磨性強，使用牙輪鉆頭鉆進，要加強鉆頭使用分析，防掉牙輪。

6）預計特別復雜、鉆井風險大的井，建議設備、鉆具配套升級，提高復雜處理能力：①安裝頂驅，提高劃眼效率，減少事故復雜；②使用大水眼鉆具，提高排量，增強攜砂能力；③井口使用一定長度的新鉆桿，增加井口抗拉強度，提高復雜處理能力；④合理機泵匹配，絞車和泥漿泵動力來源獨立，確保上提鉆具中的排量不變，有利于提高深井小井眼帶砂效果。

7）“進一退二”鉆井精細操作技術：①每鉆進1～2 m，上提鉆具2～4m劃眼，檢查有無井壁垮塌、阻卡及沉砂情況，如鉆時很慢，每30～60min應上提鉆具1次，上提幅度應大于3～5m；②起鉆前，在梁山組循環30min，應立即起出梁山組，再循環；③起下鉆遇梁山組要劃眼進出。

4 現場應用

4.1 鉆井過程

4.1.1 棲一段鉆進

MX005－H2井密度1.70g／cm3鉆井液，使用1.25°彎螺桿帶PDC鉆頭、定向／復合鉆至井深4 913 m進入了棲一段（測深4 913m井斜53°）。棲一段上部灰巖段鉆時30～60min／m。鉆至井深5 151m、5 152m鉆時87min／m、94min／m，比上部石灰巖段鉆時明顯增加，分析為底部2m含泥質條帶的石灰巖。再鉆至井深5 153m（測深5 100m井斜角61°）鉆時由87～94min／m降低至20min／m，初步判斷進入了梁山組。繼續鉆進2m，鉆至井深5 155m進行地質循環，證實進入了梁山組，起鉆。

4.1.2 梁山組鉆進

簡化鉆具組合，換牙輪鉆頭及塔式鉆具組合下鉆（未遇阻），恢復鉆進。上部6m鉆時20min／m，最快的僅4min／m（5 156m），為頁巖夾煤層。鉆進中有輕微垮塌，返出巖屑中夾有黃銅礦，立即落實進一退二措施，上提遇阻嚴重，返出巖屑垮塌物逐步增多。中上部5m鉆時130～160min／m，比上段明顯增加，為泥巖。鉆至井深5 159m處理鉆井液，鉆井液密度由1.71↗1.78g／cm3。中下部8m鉆時40～100min／m，比中上段明顯降低，為頁巖。繼續鉆進至井深5 169.55 m，接單根下放遇阻，上提鉆具掛卡嚴重。劃眼有蹩鉆現象，振動篩返出頁巖及煤的垮塌物較多，返出垮塌物大小3～5cm。兩次處理鉆井液，鉆井液密度1.78↗1.81↗1.84g／cm3。通過反復劃眼，接好單根，繼續鉆進。底部6m鉆時107～160min／m，比中下段明顯增加，為粉砂巖，導致鉆頭嚴重磨損。鉆至井深5 181m，鉆時仍然偏高（80～99min／m）。巖性為白云巖，判斷進入石炭系3m，中完起鉆（表3）。起出鉆頭牙齒全斷。

表3 MX005－H2井鉆時變化分析表

4.2 效果評價

1）根據 MX005－H1、MX5、MX2井實鉆的巖屑、鉆時資料提出了梁山組利用鉆時變化特點輔助卡層建議。MX005－H2井現場應用梁山組井斜角64°，實鉆鉆井液密度1.83g／cm3，該建議與實鉆情況基本一致。

2）在進入梁山組就嚴格執行簡化鉆具結構、“進一退二”等防卡措施，通過動態監測、精細操作，順利鉆達固井井深，無事故復雜發生，確保了該段鉆井安全。

5 認識與建議

1）工程安全預警技術把地質分層結果作為選用防卡技術應用的依據。梁山組巖性復雜，實在難以及時分層，可以組織電測，要提前落實防卡措施。實鉆中，根據鉆時變化的可比性，注意調節好鉆頭使用，盡量使用1只鉆頭完成梁山組鉆進。

2）探索梁山組安全鉆井的鉆井液密度窗口，結合井眼軌跡優化、鉆具組合效能、鉆頭類型選擇、設備升級配套、鉆井精細操作等措施，進一步完善了梁山組事故復雜預防技術。

3）梁山組實鉆厚度、鉆井液安全密度與已鉆井差異大，地層鉆厚與地層傾角、實鉆井斜、方位有密切關系，而鉆井液安全密度與井壁穩定直接相關，受地層主應力方向影響特別大［7－12］。建議組織開展該方面的工程地質學的專題、深入研究，提高區域構造特征、地質資料的工程安全鉆井參考價值。

［1］ 崔思華，王明磊，彭秀麗，等.碳酸鹽巖地層綜合劃分方法研究［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2011，33（5）：41－48.CUI Sihua，WANG Minglei，PENG Xiuli，et al.Study on the synthetical division method for carbonate formation［J］.Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆Technology Edition，2011，33（5）：41－48.

［2］ 趙宗舉，周慧，陳軒，等.四川盆地及鄰區二疊紀層序巖相古地理及有利勘探區帶［J］.石油學報，2012，33（增刊2）：35－51.ZHAO Zongju，ZHOU Hui，CHEN Xuan，et al.Sequence lithofacies paleogeography and favorable exploration zones of the Permian in Sichuan Basin and adjacent areas，China［J］.Acta Petrolei Sinica，2012，33（S2）：35－51.

［3］ 李鳳杰，陳榮林.四川盆地東北地區中—下二疊統層序地層特征研究［J］.石油實驗地質，2008，30（5）：472－477.LI Fengjie，CHEN Ronglin.Study on the Middle－Lower Permian sequence stratigraphy in northeastern area，Sichuan Basin［J］.Petroleum Geology and Experiment，2008，30（5）：472－477.

［4］ 王昌杰，劉德平.川東地區復雜深井鉆井技術［J］.鉆采工藝，1999，31（1）：12－17.WANG Changjie，LIU Deping.Complex deep drilling technique in east Sichuan area［J］.Drilling ＆ Production Technology，1999，31（1）：12－17.

［5］ 梁大川，崔茂榮，黃進軍.川東地區二迭系梁山組地層井壁不穩定機理及對策［J］.鉆采工藝，2001，24（1）：16－18.LIANG Dachuan，CUI Maorong，HUANG Jinjun.The borehole instability mechanism and countermeasure to Permian Liangshan Formation in east of Sichuan［J］.Drilling ＆Production Technology，2001，24（1）：16－18.

［6］ 徐加放，邱正松，黃曉東.談鉆井液封堵特性在防止井壁坍塌中的作用［J］.鉆井液與完井液，2008，25（1）：3－5.XU Jiafang，QIU Zhengsong，HUANG Xiaodong.Application of the sealing property of drilling fluids in bore hole stabilization［J］.Drilling Fluid ＆ Completion Fluid，2008，25（1）：3－5.

［7］ 閆傳梁，鄧金根，蔚寶華，等.頁巖氣儲層井壁坍塌壓力研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（8）：1595－1602.YAN Chuanliang，DENG Jingen，YU Baohua，et al.Re－search on collapsing pressure of gas shale［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（8）：1595－1602.

［8］ 汪海閣，王靈碧，紀國棟，等.國內外鉆完井技術新進展［J］.石油鉆采工藝，2013，35（5）：1－12.WANG Haige，WANG Lingbi，JI Guodong，et al.Advances in well drilling and completion technologies for domestic and overseas［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2013，35（5）：1－12.

［9］ 張繼國，楊永勝，紀樹偉，等.查深1井鉆井液技術［J］.石油鉆采工藝，2013，35（5）：56－58.ZHANG Jiguo，YANG Yongsheng，JI Shuwei，et al.Drilling fluid technology of Well Chashen－1［J］.Oil Drilling ＆Production Technology，2013，35（5）：56－58.

［10］ 尹邦勇，劉剛，陳紅.5種定向井卡鉆及預防措施［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：68－71.YIN Bangyong，LIU Gang，CHEN Hong.Study of direction well pipe－sticking problems［J］.Oil Field Equipment，2010，39（11）：68－71.

［11］ 謝鑫.壓差卡鉆的控制方法［J］.國外油田工程，2010，26（12）：45－47.XIE Xin.The method for control differential pressure sticking［J］.Foreign Oilfield Engineering，2010，26（12）：45－47.

［12］ 黃兵，吳宗國，楊偉，等.天東012－H1井長水平段安全快速鉆井技術［J］.鉆采工藝，2011，33（6）：132－134.HUANG Bing，WU Zongguo，YANG Wei，et al.Safe and fast drilling technology in long horizontal section of Tiandong Well 012－H1［J］.Drilling ＆ Production Technology，2011，33（6）：132－134.