渤海玄武巖地層防塌鉆井技術

張向華

摘 要：在渤海灣及其近域鉆井過程中，館陶組和東一段均鉆遇大段性硬、致密灰質玄武巖，由于其可鉆性差，易于坍塌掉塊，給優快鉆井帶來較大困難。通過分析其產生的機理、發生作用的特點，找到預防、解決的辦法，提高優快鉆井速度。

關鍵詞：玄武巖 防塌 可鉆性 預防措施

中圖分類號：TE254 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0128-02

1 渤海玄武巖地層垮塌產生的機理及特點

1.1 井壁失穩力學因素分析

通過構造地質學及巖石力學研究分析，玄武巖受構造運動時產生的內部預應力未得到充分釋放，地層內部受力不均衡，在被打開形成井眼后，原始平衡狀態被破壞，壓力向井眼釋放而造成坍塌。其次是玄武巖地層存在非均質性，既有原生作用，也有次生作用，還有外來圍巖的卷入，疏松多孔、硬而脆、松而軟的巖石交互出現。杏仁氣孔構造發育，杏仁體多由方解石、蛋白石、綠泥石構成，杏仁體的硬度與玄武巖的硬度差別較大，在鉆井過程中隨地層應力的釋放或激動壓力過大以及機械碰撞作用，極易在杏仁體等處產生應力集中，而導致玄武巖地層的垮塌掉塊。還有由于玄武巖地層存在微孔隙、微裂縫，通過壓力傳遞和自吸水實驗，由于玄武巖滲透率低，水力傳導速率小，孔隙壓力的變化不能迅速傳遞出去，導致近井壁地層巖石孔隙壓力升高，直接降低鉆井液支撐井壁的有效壓力，而且由于孔隙流體組分的變化，進一步誘發嚴重的黏土礦物水化效應，產生水化應力和改變巖石力學性質，促使玄武巖井壁失穩坍塌[1]。

1.2 渤海灣玄武巖地層特點

為了探尋適用于渤海灣玄武巖地層的防塌措施，冀東油田對渤海灣M27-27井巖心的巖石結構、礦物組成、水分含量、線膨脹率、回收率和穩定指數等進行了分析。結果表明，該套巖層含有大量蛋白石等粘土礦物，且非均質性嚴重，成分復雜，裂隙發育。

經過調研和試驗數據分析，南堡地區的玄武巖巖石特性如下[2]。

（1）巖石主要為基性火山巖。其類型主要為晶屑凝灰巖、玄武巖；結構類型主要為粗玄（問粒）結構、玻基交織結構、晶屑間隱斑狀結構以及去玻化的霏細結構。

（2）巖石的主要礦物為基性斜長石、輝石類、簾石類、玻璃質及微細磁鐵礦等不透明礦物；黑云母少見，可能與后生綠泥石化有關。

（3）次生變化主要表現為綠泥石化、綠簾石化、去玻化、硅化、碳酸鹽化；斜長石多蝕變成竹節狀，輝石多蝕變成破碎顆粒狀，斑晶多為污濁破碎狀。

（4）凝灰巖屬于火山噴發期后火山物漂降堆積而成，后期蝕變嚴重。其結構與泥巖類似，在鉆井過程中易造漿或掉塊。

2 渤海玄武巖地層防塌的鉆井技術

通過對海油渤海曹妃甸和南堡地區CFD1-1-X和NB31-3-1兩口井的鉆探發現，在玄武巖地層遇到井下復雜情況導致鉆井非生產時間增多，CFD1-1-X下7”尾管在3 168 m因玄武巖垮塌遇阻，被迫起出尾管，損失時間高達150.75 h。渤海五號鉆井平臺在鉆遇此段玄武巖時機械鉆速很低，選用不同類型的12-1/4”PDC和牙輪鉆頭后，仍不甚理想，最低機械鉆速僅為0.6 m/h，三開平均機械鉆速比計劃低60%以上。

2.1 渤海玄武巖地層的失穩與垮塌

南堡和曹妃甸地區館陶組和東一段玄武巖地層坍塌壓力較高，導致井壁失穩、玄武巖脫落。南堡1號構造的玄武巖地層較發育，據完鉆井資料得知，玄武巖厚度為195～785 m，而底礫巖則不發育。勘探初期鉆進館陶組玄武巖發達地區時，經常出現井壁坍塌掉塊、井徑擴大、井漏、卡鉆等事故，影響了鉆井速度和油氣層保護。

CFD1-1-X井裸眼段因存在上漏、下塌兩套截然不同的壓力系數，套管鞋以下井段大部分地層為砂巖，承壓能力低（地層漏失壓力當量密度1.33 g/cm3，地層破裂壓力當量密度1.34 g/cm3）。該井鉆穿玄武巖地層需要鉆井液密度1.28～1.30 g/cm3，方可保證井壁穩定，玄武巖不致脫落坍塌。故在進入玄武巖地層頂部下9-5/8”技術套管，因而也增加了8-1/2”井眼長度和測井及下尾管等后續作業難度。

CFD1-1-X井13-3/8”表層套管鞋地層漏失壓力當量密度低（1.33 g/cm3），而館陶玄武巖垮塌當量密度低，需1.25～1.28 g/cm3密度的鉆井液穩定地層，原設計進入東營下9-5/8”套管顯然不能滿足安全鉆進需要，及時調整了下9-5/8”套管深度，進入館陶玄武巖后停鉆，下9-5/8”套管。既防止了上部地層漏失，又保證了館陶組玄武巖鉆進作業安全。

渤海七號平臺CFD1-1-X井鉆玄武巖鉆井液密度1.28 g/cm3，基本無垮塌現象；渤海五號平臺NB31-3-1井1.28 g/cm3揭開玄武巖，但是在后續作業過程中發現玄武巖有垮塌現象，逐步將鉆井液密度提高到1.32 g/cm3，情況有所好轉。現場通過提高鉆井液密度來平衡此段玄武巖的地層坍塌壓力，還加強了鉆井液封堵防塌能力，滿足力學防塌要求，同時盡可能避免在玄武巖井段的劃眼。

在鉆進過程中，該井段的鉆井液需要有強抑制、強封堵、低失水的性能。基于這一認識，優選出多元醇防塌鉆井液。現場試驗結果表明，該鉆井液體系有效地保證了玄武巖井段的安全順利鉆進及井眼規則性。四開在鉆遇玄武巖地層前，補加1%～2%的單項壓力封閉劑和1%的防塌材料，以提高鉆井液的防塌性能，同時把鉆井液的密度控制在1.25～1.28 g/cm3之間，并密切注意振動篩巖屑返出情況。在進入油氣層前，加入1%單向壓力封閉劑和油溶性暫堵劑。每次起下鉆后，配20 m3新鉆井液補入井漿內，以改善鉆井液的造壁性能。電測前加入2%塑料小球，保證電測順利。

下部地層可鉆性差，易于坍塌掉塊；玄武巖地層多且段長，井底溫度高，古潛山地層易發生井漏、井噴事故。根據該井特點，全井采用防塌聚合物鉆井液、聚合物正電聚醇鉆井液和正電聚醇-甲酸鹽鉆井液體系。結果表明，該體系具有良好的抑制性和潤滑防塌性能，抗鹽抗高溫穩定性強，維護簡單，安全環保，適合于海上鉆井的需要。

現場施工時主要措施如下。

（1）保持泥漿中抑制劑的加量，同時控制較低的失水（API<4 mL）。

（2）加入PF-SMP C，PF-PAC LV降低泥漿的失水；加入低熒光PF-TEX IC改善泥餅質量，以及增強體系的防塌能力；加入PF-LPF增加泥漿的封堵能力；加入PF-LUBE和PF-GRA提高泥漿潤滑性。

（3）按地層實際壓力，調整好鉆井液密度，保證性能穩定，密切注意振動篩返砂情況。

（4）合理使用固控設備，最大限度清除泥漿中的有害固相，保持泥漿合適的般土含量MBT=35～45 g/L，保持泥漿的流態。

（5）加入1%～2%的甲酸鉀調整泥漿的流態，提高泥漿的抑制性。

2.2 渤海玄武巖地層的可鉆性

在南堡和曹妃甸地區館陶組和東一段均鉆遇大段性硬、致密灰質玄武巖，玄武巖極易坍塌且可鉆性極差。分析玄武巖地層可鉆性的目的在于提高鉆井機械鉆速，爭取快速鉆過玄武巖地層，降低玄武層裸眼段暴露在鉆井液中的浸泡時間，從而減少因玄武巖地層的垮塌造成的風險。

NB31-3-1井在館陶組和東一段2 014～2 540 m，鉆遇大段性硬、致密火成巖，而且分布范圍廣，以玄武角礫巖為主，巖性致密堅硬，破裂壓力普遍大于泥質巖，是該區的區域性優質蓋層。致密堅硬的巖性導致其可鉆性極差。

渤五平臺在選用幾種不同類型的12-1/4”PDC和牙輪鉆頭后，仍不甚理想，機械鉆速僅為0.6～8.1 m/h不等，三開平均機械鉆速比計劃低60%以上。從2 014 m鉆進至2 873 m歷時18 d。比正常鉆進速度多耗時15 d左右。而渤七CFD1-1-2井在此段選用的DBS的8-1/2”FM3553PDC鉆頭，鉆進井段1 825～2 736 m，采用小鉆壓和低轉數，機械鉆速達20.14 m/h，巖性亦為性硬、致密灰質玄武巖和凝灰巖。

可見不同鉆頭選型（尺寸、類型、布齒等）和配套的鉆井工藝，鉆進效果差異很大。現場應優選更適合鉆玄武巖的PDC鉆頭；研究一套防塌性能強的，適合低電阻率井段的鉆井液體系。

3 渤海玄武巖地層防塌措施的認識和總結

針對渤海灣玄武巖段可能會發生垮塌等特點，結合冀東油田有益的鉆探實踐經驗，鉆井工程在此地施工中采取的措施建議如下。

（1）鉆到玄武巖前提高鉆井液密度到坍塌壓力以上，提高鉆井液的粘度在60～65 s左右。調整鉆井液YP、Gel值，盡量維持YP在設計上限，提高鉆井液攜砂能力，確保井下干凈。可以適時適量用稠鉆井液清掃井眼，鉆進過程中不能用稀塞。在進入館陶組前進一步降低失水，防止水敏地層造漿，并增加鉆井液防塌和防漏性能。

（2）關注振動篩返出情況，如有黑色玄武巖掉塊返出，應立即分析下步措施，確定是否提高鉆井液密度，并及時調整鉆井液性能。

（3）鉆遇性硬、致密灰質玄武巖和凝灰巖時，參考同地區鉆井資料，優化鉆頭選型（尺寸、類型、布齒等）和配套的鉆井工藝，優選更適合鉆玄武巖的PDC鉆頭以提高鉆井機械鉆速，盡量減少玄武巖地層垮塌的風險。

（4）設計更為合理的井身結構，減少玄武巖的暴露時間，避免因垮塌周期造成的更多復雜情況。盡量避免在玄武巖井段的劃眼。

參考文獻

[1] 黃承建，王衛國，喬國文，等.吐哈油田鹽膏層鉆井液技術[J].石油鉆探技術，2002，30（2）：49，50.

[2] 馮京海，徐同臺，王富華，等.南堡油田館陶組玄武巖井壁失穩機理和技術對策研討[J].石油鉆探技術，2008，25（5）：1-4.