碳質泥巖鉆水平井防塌工藝措施

王勇強 ,陳恩讓,曹 輝

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室)

0 引言

陜北氣田在氣井水平井施工過程中，從上古生界石盒子組到下古生界馬家溝組，從大斜度井段到水平段都存在鉆遇碳質泥巖后造成井下復雜問題[1- 6]。隨著水平井水平段的延伸，不可避免的會鉆遇碳質泥巖，大段碳質泥巖往往造成井下復雜[7- 10]，尤其是山西組碳質泥巖，水平段填井側鉆率高，所以水平井碳質泥巖井段的防塌及其工藝措施是鉆井成敗的關鍵技術之一[11- 15]。

Y2AH井是一口三開結構的氣井水平井，位于陜北氣田，目的層為山西組，該井在水平段山西組施工過程中，鉆遇碳質泥巖后，起鉆時在斜井段套管內造成卡鉆，處理事故長達7 d，可見水平井鉆遇碳質泥巖時的鉆井液性能和鉆井工藝措施要求更高。

1 施工卡鉆過程

Y2AH井三開水平段鉆進至水平段長242 m時，鉆遇碳質泥巖13 m，鉆遇煤層7 m，連續共計長度20 m，應用強封堵高性能鉆井液體系，密度1.31 g/cm3，漏斗黏度70 s，API濾失量3.0 mL，pH值9，KCl含量12%。由于鉆遇碳質泥巖及煤層后，決定停用旋轉導向工具，改用常規的定向儀器。換常規定向儀器下鉆到底，儀器無信號，循環鉆井液，準備起鉆更換儀器，振動篩返出量較多，含碳質泥巖、煤塊掉塊較多，循環2 h后，振動篩返出基本干凈無掉塊，起鉆。起鉆至2 305 m(套管內，井斜61°)遇阻，接頂驅開泵，泵壓21 MPa，蹩泵、不返鉆井液，活動鉆具上提下放，懸重由800 kN提至980 kN，活動無效，單凡爾開泵憋壓至20 MPa活動鉆具，上提后泵壓回落4 MPa，提出15 m后，鉆具卡死，此時鉆頭位置2 290 m(技術套管內，井斜59°)，鉆頭進入套管內214.56 m。環空堵死，無法建立循環。

2 卡鉆事故處理經過

接地面震擊器下擊，調節刻度至60 t，下擊70次無效，調節震擊器刻度至80 t，下擊90次無效。隨后采用爆炸松扣，由于鉆頭位置在斜井段，井斜59°，爆炸松扣工具下放困難，爆炸松扣后，魚頂位置2 213 m。然后下入隨鉆震擊器，震擊無效，決定退出安全接頭起鉆，用反扣鉆具及銑管等工具，倒扣套銑。通過5次倒扣套銑，落魚全部打撈成功。

隨后簡化鉆具結構(鉆桿+鉆頭)下鉆通井，在井底打兩次高黏循環，返出較多掉塊(碳質泥巖和煤)，短起下鉆，分段循環，循環至振動篩無掉塊返出，起鉆完。

圖1為返出的山西組碳質泥巖掉塊，直徑最長的達到9 cm，且掉塊上有鉆具的磨痕。

圖1 Y2AH井水平段碳質泥巖掉塊

3 套管內卡鉆原因分析

三開水平段鉆進至水平段長242 m時，鉆遇碳質泥巖、煤層共計長度20 m，井底掉塊較多，當時循環兩周，振動篩基本無掉塊返出，認為循環干凈了，實際上大的掉塊并未循環出來，當起鉆到井斜61°時井斜增大，隨鉆具一起上行的碳質泥巖掉塊，由于重力作用下沉堆積，造成在套管內卡鉆。

處理套管內卡鉆經驗不足，防范意識不夠，遇卡后操作不當，未及時接頂驅開泵循環，下放活動鉆具，造成環空堵死，無法建立循環。

4 碳質泥巖穩定性評價

4.1 山西組碳質泥巖巖心浸泡實驗

將5塊碳質泥巖巖心分別在清水、pH值12的燒堿水、30%NaCl水中浸泡5 d后觀察分散情況。

實驗結果顯示：

(1)巖心依然完整，說明山西組碳質泥巖屬于非膨脹性泥頁巖，頁巖性質比較穩定。

(2)在浸泡過程中，巖心表面和側面產生微氣泡，說明碳質泥巖微孔隙和微裂隙發育，為水的浸入提供了通道，但是水的浸入，并沒有造成小塊巖心開裂、分散。

4.2 山西組碳質泥巖大塊巖心熱滾實驗

將靜止常溫浸泡過的大塊巖心在地層溫度95℃/16 h下滾動，結果見表1。

表1 山西組碳質泥巖巖心回收率

實驗發現：大塊碳質泥巖的一次回收率在99.87%以上，在水中和30%NaCl水中巖心個別出現了開裂，說明碳質泥巖存在的天然層理中，由于水的浸入，造成膠結強度降低，在常溫條件下浸泡120 h，沒有開裂，而在95℃條件下滾動后，開裂，說明溫度條件和機械作用，造成碳質泥頁巖沿層理開裂，但棱角分明，并無膨脹分散現象，屬于不分散巖性。

4.3 碳質泥巖巖心在鉆井液中的分散性評價

山西組碳質泥巖巖心在鉆井液中的分散性通過120℃/16 h回收率實驗來評價。

(1)在清水中一次回收率98.82%。

(2)聚磺配方(0.3%提切劑+0.3%提黏劑+0.3%聚合物降濾失劑+5%降濾失劑- II+3%降濾失劑+0.3%NaOH+2%G325+1.5%G319+3%G308+2%G314+3%RYH- 838+重晶石粉，密度1.30 g/cm3)，一次回收率99.24%。

(3)KCl聚磺配方(0.3%提切劑+0.3%提黏劑+0.3%聚合物降濾失劑+5%降濾失劑- II+3%降濾失劑+0.3%NaOH+2%G325+1.5%G319+3%G308+2%G314+3%RYH- 838+12%KCl+重晶石粉，密度1.30 g/cm3)，一次回收率96.34%。

(4)復合鹽聚磺配方(0.3%提切劑+0.3%提黏劑+0.3%聚合物降濾失劑+5%降濾失劑- II+3%降濾失劑+0.3%NaOH+2%G325+1.5%G319+3%G308+2%G314+3%RYH- 838+12%KCl+5%WT- 1+重晶石粉，密度1.30 g/cm3),一次回收率93.26%。

山西組碳質巖心在鉆井液中一次回收率R40都比較高，在93%以上，但是在聚磺體系和清水中回收率相對較高，反而在KCl聚磺和復合鹽聚磺體系中略微低一些，這也說明在鹽水體系中，對提高碳質泥巖的回收率沒有明顯的作用，這說明了碳質泥巖不同于一般的泥巖。所以對于碳質泥巖地層穩定性的提高，鉆井液的封堵性能應首先考慮。

4.4 鉆井液對碳質泥巖力學特性的影響

碳質泥巖質地堅硬、微裂縫發育，水化膨脹性能差，但是膨脹壓力高[15]，鉆井過程中鉆井液濾液進入微裂縫或微裂紋，降低了弱結構面間的摩擦力，導致碳質泥巖地層破碎，地層強度降低，坍塌壓力增大，加劇井壁失穩。

5 水平段山西組碳質泥巖現場試驗

GQ3CH1是一口氣井水平井，位于陜北氣田，目的層水平段為山西組，鉆井液體系采用復合鹽體系。該井水平段由于鉆遇碳質泥巖后井下復雜，水平段先后進行了兩次填井側鉆，均在較長的碳質泥巖井段遇阻復雜。

第一次側鉆后，水平段長度627 m。

最長連續灰黑色碳質泥巖段154 m，灰黑色碳質泥巖共計158 m。

水平段復合鹽聚磺體系配方： 0.1%NaOH+0.1%提黏劑+0.5%～1%XL- 1+0.5%～1%降濾失劑- 2+0.5%～1%NAT20+3%～6%WT- 1+3%～7%KCl+8%～12%NaCl+4%ZDS+0.2%～0.3%G325+0.5%RY838+1%潤滑劑+重晶石粉+云母+QD- 2+DF- A+YHP- 007。

GQ3CH1井水平段鉆井液性能統計見表2。

表2 GQ3CH1井井水平段山西組碳質泥巖井段鉆井液性能

盡管嚴格控制鉆井液性能，APl失水不大于2 mL，130℃的高溫高壓失水僅為5.8 mL，鹽含量(WT- 1+KCl+NaCl)達到了20%，鉆井液密度已達到允許的最高值1.58 g/cm3，高了就漏失。但154 m的長碳質泥巖井段，下鉆依然井下出現了復雜，遇阻蹩泵，需要大段反復地劃眼，但仍不能通過碳質泥巖井段。

GQ3CH1井水平段第二次側鉆在碳質泥巖井段出現了同樣的井下復雜問題。

S9DH2井同樣是一口氣井水平井，位于陜北氣田，三開水平段目的層為山西組，鉆井液體系采用強封堵聚磺體系。該井水平段長度1 359 m，鉆遇連續碳質泥巖地層141 m,鉆進過程中，起下鉆，完鉆通井、電測、下套管順利。

強封堵聚合物鉆井液體系配方：1%～2%Bent+0.1%～0.2%提黏劑+0.1%～0.2%聚合物降濾失劑+2%～3%降濾失劑(III)+2%～3%降濾失劑+0.1%～0.2%提切劑+0.1%NaOH+0.05%CJSJ- 3+3%～5% ZDS+1%～2% 潤滑劑+重晶石粉。

碳質泥巖井段性能：密度：1.27～1.32 g/cm3，漏斗黏度FV：70～96 s，塑性黏度PV:34～52 mPa·s，動切力YP:19～26 Pa，API濾失量:2.6～3.8 mL，pH值9，靜切力4～7/5～11 Pa。

通過GQ3CH1和S9DH2兩口井山西組水平段試驗發現，對于碳質泥巖井壁穩定，封堵性能突出的的聚磺體系比鹽水體系表現好一些，同時與鉆井液性能的控制和現場工程措施密切相關。

6 認識與建議

(1)碳質泥巖不同于一般的泥巖，分散穩定性較好，鹽水體系和淡水體系相比，對于提高碳質泥巖的分散穩定性區別不大。所以鉆井液應首先強調封堵性能，采用納米材料、瀝青類、超細鈣，水化土等粒子的合理級配形成對微裂縫良好封堵性能，減少濾液對微裂縫的侵入程度。濾液的侵入會降低微裂縫發育的碳質泥巖層理的膠結強度。

(2)碳質泥巖質地堅硬，微裂縫、微裂紋發育,鉆頭、螺桿等機械作用之后易產生較大、較多的掉塊，井壁粗糙，濾餅質量較差，這就是水平段鉆具一進入碳質泥巖井段摩阻明顯增大的原因。因此碳質泥巖井段應適當提高潤滑劑的加量，特別是石墨類固體潤滑劑的加入會起到好的潤滑效果。

(3)水平井碳質泥巖井段掉塊多，且攜帶困難，應強化鉆井液性能和精細工程措施，S9DH2井和GQ3CH1井同樣在山西組水平段鉆遇相當長度的碳質泥巖井段，但S9DH2井采用適當較高的黏切，配合鉆具活動，加強循環，適當延長循環時間，配合短起下等措施，水平段施工順利。建議在碳質泥巖井段能采用倒劃眼方式起鉆，對于掉塊的攜帶效果會更好一些。

(4)長段碳質泥巖會造成碳質泥巖掉塊聚集過多而造成遇阻、遇卡問題。并且遇阻井段相對固定，掉塊一旦聚集過多且壓實后鉆具很難通過，所以起鉆前應充分循環，活動鉆具，盡量循環出較大的碳質泥巖掉塊，避免下鉆時推集成堆，引起復雜。

(5)陜北氣田碳質泥巖井段鉆進，建議采用強封堵高性能鉆井液體系，密度控制在1.30 g/cm3左右，采用適當高黏切的鉆井液，嚴格控制濾失量，加強鉆具活動，提高攜帶能力，或者采用稠漿清掃等方式來清潔井眼。