東海西湖凹陷區塊井壁穩定認識及實踐應用

黃佩，馬志忠，袁則名，和鵬飛，王喜杰

1.中國石化股份有限公司上海海洋油氣分公司 (上海 200335)

2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 (天津 300452）

井壁失穩是鉆井過程中常常遇見的難題之一，尤其在鉆遇泥頁巖井段。井壁失穩問題一直是鉆井過程中較為重要的問題，如果在鉆井過程中出現井壁失穩等問題勢必會給其帶來較為嚴重的經濟損失。井壁失穩問題具有普遍性，據統計，鉆遇地層中的75%由泥頁巖組成，而涉及井壁穩定問題中的90%更是由泥頁巖失穩導致的[1-3]。東海西湖凹陷區塊位于上海市東向約300 km，在該區域勘探開發作業過程中，井壁失穩極易造成鉆井遇阻、卡鉆、井漏等情況，嚴重影響鉆井安全和鉆井時效，因此有必要在探井、開發井開鉆前，參考鄰近已鉆井數據資料，精確評估鉆井的井壁穩定性，分析潛在危險，有針對性地提出有效預防鉆井事故的措施、優化鉆井方案與施工的建議，達到安全、高效的鉆井目的。

1 區域地質情況

1.1 地應力

根據地震剖面及成像測井資料，地應力方向及大小為：FMI成像分析水平最大應力方位N800～950E。區域內斷層較為發育，在垂深大于3 500 m時上覆巖石應力(最大水平應力)最小水平應力，伴生天然裂縫、微裂縫。

1.2 地層溫度及壓力系統

近年實鉆探井平均地溫梯度為3.0～3.8°/100 m，地層孔隙壓力在0.92～1.90 g/cm3。

1.3 地質分層及巖性

區域內自上而下依次揭開東海群、三潭組、柳浪組、玉泉組、龍井組、花港組、平湖組合寶石組。具體巖性見表1。

2 井壁穩定難點及應對技術思路

該區域主力油氣層分布于花港組及平湖組以下，埋藏深度3 000～5 000 m，裂縫性地層與煤夾層發育，上部常壓但下部地層孔隙壓力存在異常高壓（NB-1井實際鉆遇地層孔隙壓力2.1 g/cm3）。鉆井工程中常規采用四開或五開井身結構，對技術套管的下深要求較高，實際施工面臨的技術難點就是裸眼井段長、井壁穩定難度大，龍井組、花港組井壁坍塌失穩較為嚴重。根據不同地層的失穩機理，制定了相應的技術思路。

2.1 泥巖失穩機理及應對技術思路

區域內玉泉泉組、龍井組泥巖水化率高，下部花港組砂泥巖互層膠結致密，砂巖含細礫且研磨性強，泥頁巖、脆性泥巖微裂縫發育，吸水后易膨脹坍塌掉塊。

表1 地層層位劃分及巖性

泥頁巖失穩機理主要為：①鉆開地層自身水化膨脹膨脹力推擠產生微裂縫；②地應力天然微裂縫發育。由于裂縫擴大，進一步加劇液相侵入和水化膨脹，井壁圍巖強度和應力狀態改變，其膨脹壓遠高于地層坍塌壓力和鉆井液密度，最終井壁力學失穩，造成鉆具遇阻卡復雜情況甚至埋鉆事故。重點是對地層裂隙裂縫及泥巖納微米級縫孔的有效封堵。泥頁巖滲透率極低，僅少量濾液侵入，即可導致井壁圍巖內孔隙壓力顯著提高，降低有效應力支撐作用，導致井壁力學失穩問題。因此常規封堵材料適應性較差，應從成膜劑、從納米到微米不同粒徑架橋納米封堵、抑制劑等多方面著手設計鉆井液。同時上部井段鉆速快，泥巖水化對鉆井液性能穩定維護要求高；下部巖屑研磨顆粒細固相較難控制，現場需根據不同情況及時改變固控設備參數、膠液補充量等處理思路來應對。

2.2 砂、泥巖互層失穩機理及應對技術思路

砂、泥巖互層失穩機理主要為：鉆井井液通過滲透性砂巖大量濾失和滲漏，液相侵入井壁后夾層產生泥巖水化膨脹。選擇適合的成膜劑與封堵劑，加強對砂巖的有效封堵，減少液相濾失，形成優質泥餅。

2.3 煤層失穩機理及應對技術思路

煤巖對機械力作用十分敏感，由于受到泥頁巖夾層的膨脹推擠，極易破碎。另外，微觀范圍內，存在于煤孔隙和裂縫中黏土礦物膨脹，膠結物、無機鹽的分散溶解，也是導致煤層失穩的主要誘因。龍井至平湖組薄煤層較為發育，為解決煤層的井壁失穩問題主要是對砂泥巖、煤層的封堵及泥巖的為重點，降低膨脹對煤層的推擠，降低煤層內部結構破壞，同時，應避免為平衡地層坍塌壓力，過高ECD導致薄弱煤層井漏[4-7]。

3 工程實踐應用及效果分析

根據地層的失穩機理和應對原則，從鉆井液體系選擇和不斷優化的角度出發，2010年至2016年，共作業探井42口，311.15 mm(12.25″)井段中，使用了PEM鉆井液體系、低自由水鉆井液體系、反滲透鉆井液體系。

3.1 已使用鉆井液體系介紹

3.1.1 PEM鉆井液

在PEM鉆井液體系中，PLUS是帶陰離子功能團的聚丙烯酰胺，能選擇性對鉆井液中有害固相清除，保留了微顆粒的分散態。同時配合K+的強抑制性，抑制易水化分散地層造漿，使鉆井液體系性能穩定，鉆屑成型。但在砂泥巖互層井段中鉆進，由于鉆井液體系中微顆粒封堵性、成壁性欠佳，裸眼浸泡周期長，自由水侵入地層容易造成井壁失穩。

3.1.2 低自由水鉆井液

該體系是由PEM鉆井液體系升級，主劑為絡合劑以及超細封堵材料，其中絡合劑是適度交聯的聚電解質，由高分子電解質離子網絡組成，當遇水時，發生離解生成陰、陽離子，極性離子基團與水分子通過配位鍵形成的結合水，結合水再與水分子通過氫鍵形成的結合水層即束縛水。該體系不足之處由于絡合劑是大分子材料，水分子在泥漿靜液柱壓差的水驅力下滲透入地層后絡合劑會與水分子脫離，在地層孔隙中仍以游離水形態存在，所以該體系能在一定層度上起到束縛井筒內鉆井液自由水、減緩水相進入地層孔隙的作用，但不能阻止泥質物水化，因此仍然無法從本質上解決井壁縮徑、垮塌等失穩問題。

3.1.3 反滲透鉆井液

與低自由水鉆井液體系中絡合劑不同的是，鍵合劑為小分子材料能在水分子之間形成鍵連，能隨水相進入地層孔隙，起到始終束縛自由水分子的作用。理論上只要該材料達到與水分子較高的匹配濃度，是能夠阻止地層中泥質物水化分散的，具備水基鉆井液代替油基鉆井液的可能性。同時，膠束封堵劑、微納固壁劑在井壁形成半透膜效應、配合NaCl、KCl高鹽水鉆井液體系，并定量控制井下滲透壓差來平衡鉆井液與井壁地層的水驅動力以達到反滲透作用，進一步減少進入地層孔隙自由水量。

本體系具有較強抑制性，同時由于該體系的不分散性,為獲得鉆井液較高的切力和屈服值，需用高黏聚合物提高切力。目前低滲透鉆井液體系在區塊內試用井數較少，但都取得不錯的效果。同時，該體系仍處于研究中期階段，其實用性還有待進一步檢驗。

3.2 已使用鉆井液體系效果對比

不同鉆井液體系使用效果對比如表2所示。

由表2可以看出，由于鉆井液的低失水，低自由水鉆井液及小分子鍵合劑隨水相進入地層，起到束縛自由水的作用。大大降低下套管遇阻的比例，提高生產效益。

4 結論

1）區塊內柳浪組、玉泉組易水化分散，對鉆井液性能維護、固控裝置要求較高，但少有造成井下復雜情況。

2）龍井組、花港組、平湖組地層泥巖性硬脆，且含易水化膨脹礦物、應力集中段有微裂縫發育、煤層發育，井壁失穩后井筒內堆積大量硬脆泥巖巖屑及掉塊是導致井下復雜情況發生的主要原因。

3）水基鉆井液體系的選擇應考慮使用強封堵、強抑制、低失水、成膜護壁能力好的鉆井液體系。

4）揭開易失穩地層前即收緊失水、封堵、抑制等各項鉆井液性能，預防易水化礦物吸水后膨脹壓劇增，鉆井液靜液柱壓無法平衡而導致地層失穩。

5）適時短起下鉆檢驗井眼狀況，若井下出現縮徑、砂橋、虛泥餅等導致的復雜情況，應根據不同情況調整鉆井液相應性能，且整個短起、循環過程中若補充新膠液，不宜加入鹽類。一旦發生井壁失穩、垮塌嚴重的情況，需采用分段循環，清除（輔以重、稠泥漿塞）井內巖屑、掉塊的思路處理至井眼順暢。