方正斷陷井壁穩定的鉆井液技術

王靜

摘要：方正斷陷位于依-舒地塹的中北段，該地區井壁穩定性差，井徑擴大率超標問題較為突出，易發塌塊卡鉆事故。通過對施工井的統計，并對易坍塌層位的礦物進行分析，結果表明：該地區硬脆泥巖發育，砂泥巖互層，深層粘土礦物以高嶺石為主，伴伊蒙混層，礦物膨脹率低，現場取芯觀察微裂隙、層理發育。泥頁巖吸水膨脹改變了井眼周圍的應力分布，加劇了應力分布的不均衡[1]。而且由于吸水使泥頁巖的力學性能參數發生了變化，強度降低，彈性模量減少，泊松比增大等，這就使得泥頁巖地層的井壁穩定問題更加嚴重。在鉆井過程中，保障鉆井液的抑制能力同時，快速、有效、致密的封堵地層孔隙，減少鉆井液侵入深度，是控制硬脆泥巖垮塌的有效途徑。施工中采用“剛性粒子架橋+柔性粒子填充+慮失控制”方案，形成封堵鉆井液配方，通過現場應用，多口井施工井平均井徑擴大率控制在9%以內。

關鍵詞：方正斷陷；硬脆泥頁巖；鉆井液；封堵

井壁穩定問題是一個長期困擾石油工程的重大技術難題，在全世界范圍內廣泛存在，我國各油田也都不同程度地存在，井塌大多發生在泥頁巖地層中，約占90%以上[2]。對于鉆井來說，井壁失穩會造成井下復雜情況，影響鉆井施工進度，嚴重時可能導致井眼報廢，造成巨大的經濟損失。方正斷陷井壁失穩情況較為普遍，2010年以來，16口井中有8口井井徑超標嚴重，尤其是寶泉嶺組、新安村+烏云組井段穩定性更差。

1、方正斷陷井壁失穩原因分析

1.1上部地層膠結性差。方正斷陷寶二段中部以上地層，普遍分布一套水進期的碎屑沉積，疏松砂質礫巖膠結差。

1.2深部非膨脹性粘土礦物發育。大慶油田勘探開發研究院應用X一衍射儀對F6井進行了粘土礦物定量檢驗[3]。方正斷陷深部地層粘土礦物以高嶺石為主，夾少量伊蒙混層，是典型的非膨脹性粘土礦物。F6井深部地層巖石線性膨脹率在0. 5%-0.9%之間幾乎不膨脹；地層巖石滾動回收率在89.4%-92.1%之間，分散性較弱，水化膨脹率低，巖屑回收率高。

1.3巖性硬脆且微裂隙、層理發育。通過鉆井取心觀察，巖心微裂隙、層理發育，硬脆，易破碎。

2.4存在地應力集中，橢圓井眼

由F23井、F2井四臂井徑圖可見，井眼呈明顯橢圓狀，證明方正地區存在應力集中問題，也是影響井眼擴大率偏大的因素。

2.5工程因素影響。

某井寶一段（2368-3102米）實鉆巖性中較為連續泥巖砂巖互層，但在使用動力鉆具后井徑擴大率增大明顯。更換常規鉆頭后，井徑有明顯變小的趨勢，3700左右井徑擴大率曲線有個明顯的尖峰，分析原因為3702-3718米多段實鉆煤層發育。認為，動力鉆具的震動對井徑擴大率影響較大。

2、封堵劑材料優選

2.1封堵材料優選

根據防塌封堵作用原理：微裂縫、層理是鉆井液侵入地層的主要通道，對井壁穩定產生直接影響。依據硬脆微裂縫地層特征和防塌封堵作用原理分析，認為硬脆泥巖宏觀裂縫、微觀裂紋、層理都較發育，微裂紋開度可達5μm以上[6]，因此鉆井液封堵劑應該具有下特點：在一定條件下具有變軟變形的特性；封堵劑粒子的平均粒度應小于50 ，最好在3-10 ；封堵劑本身必須是不溶或微溶于水，主要是分散而不是溶于水中。

優選各種處理劑優選評價高溫高壓慮失量評級不同封堵材料的，封堵能力。應用5%膨潤土漿為基漿做對比樣實驗結果表明剛性粒子非滲透封堵效果最好；瀝青材料熒光級別高，不適合探井施工，柔性粒子中優選白瀝青DWF-1。綜合考慮封堵材料對鉆井液的性能的整體影響，應用3%的非滲透封堵劑+2%白白瀝青組合

2.3封堵鉆井液配方

在方正應用多年的聚合物鉆井液體系基礎上改進為封堵鉆井液配方：

膨潤土7-10%+WYDZ-1 0.3%+HX-D 0.3%+非滲透3%+白瀝青DWF-1 2%+HPAN 1%+JS-Ⅰ1%+SF260 1% +（PAC0.3%）。

2.4封堵鉆井液性能評價

2.4.1砂層封堵性能評價

應用中壓可視中壓砂床濾失儀，評價封堵鉆井液體系的封堵能力，

封堵鉆井液體系封堵砂層的相比常規聚合物鉆井液體系效果較優，對40-60目砂和20-40目砂的侵入深度均小于10cm，封堵鉆井液體系具有較強的封堵砂層的能力。

2.4.2封堵強度評價實驗

取不同滲透率的人造巖芯，用封堵鉆井液體系進行實驗，通過測定不同驅替壓力下的滲透率評價封堵強度，隨驅替壓力的增大，巖心的滲透率逐漸降低，當驅替壓力達到9MPa時，巖芯的滲透率接近或等于零，也就是說，當壓力為9MPa時，未見滲透率突然增加，說明封堵帶并沒有受到破壞，在不同滲透率巖心上形成的封堵帶至少能承受9MPa的壓力。

3、封堵鉆井液體現場應用

針對方正斷陷的地層特點。寶二段提高鉆井液有效粘度，增加固相含量，提高鉆井液密度，減少上部弱膠結地層沖蝕、垮塌失穩問題，；寶一段以后降低鉆井液的觸變性，減少壓力激動帶來復雜問題，轉化為封堵鉆井液體系。

3.1現場處理維護方案

（1）寶一段以上地層鉆進中，主要以0.3～0.5%wydz-1的和復合銨鹽1～2%的水溶液交替維護，每鉆進200米補加50kg預水化膨潤土漿，配置鉆井液補充新漿。

（2）寶一段以下鉆進密度執行設計上限，將鉀鹽共聚物鉆井液轉化封堵鉆井液。

（3）在進入寶一段，調整性能，降低鉆井液劣質固相含量和粘度；在寶一段前50米在循環罐中一次補加3%的超鈣+2%白瀝青。

（4）震動篩使用時間占總循環時間100%；加重前離心機使用時間占總循環時間80%以上；

（5）每鉆進400米定期倒換新漿50方，豐富鉆井液固相顆粒級配。

3.2現場應用效果

4、認識與建議

（1）硬脆泥巖，在鉆井液抑制能力的基礎上，鉆井液能夠快速、有效、致密得封堵巖石的微裂隙層，減少鉆井液液相對地層力學參數的影響，是有效的解決硬脆泥巖井壁失穩得手段。

（2）硬脆泥巖井段的井壁穩定問題，是各因素多方作用的結果，鉆井工具的選擇、參數的選擇對硬脆泥巖井壁穩定影響明顯。

（3）封堵工藝的探索，就各鉆井液體系的應用情況來看，針對脆性地層，就鉆井液方面核心是封堵，封堵材料的選擇，可以在主動承壓封堵，提高封堵層的封堵效果，提高地層的穩定能力。

參考文獻

[1]蔣祖軍 郭新江 王希勇 主編《天然氣深井超深井鉆井技術》 中國石化出版社 2011

[2]鄢捷年主編《鉆井液工藝學》中國石油大學出版社 2001

[3]沈守文，沈明道，梁大川，等.泥頁巖的 X 射線衍射定向指數與理化性能及井壁穩定的關系[J].沉積學報，2003

[4]鄧金根 程遠方 陳勉 蔚寶華 編《井壁穩定預測技術》石油工業出版社 2003

[5]趙維超 《硬脆性頁巖井壁穩定性影響因素研究》西南石油大學 2014

（作者單位：大慶鉆探鉆井一公司）