苏里格气田水平井造斜增斜段井壁稳定控制

2013-01-06韩伟超长江大学石油工程学院湖北武汉430100中石油渤海钻探工程有限公司第三钻井工程公司天津300280徐晓磊吴晓龙中石油渤海钻探工程有限公司第三钻井工程公司天津300280

长江大学学报(自科版) 2013年14期

韩伟超（长江大学石油工程学院，湖北武汉430100中石油渤海钻探工程有限公司第三钻井工程公司，天津300280）徐晓磊，赵鹏，吴晓龙（中石油渤海钻探工程有限公司第三钻井工程公司，天津300280）

苏里格气田地质构造属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部中带，是中国陆上发现的一个特大型气田，是一个低压、低渗、低丰度、大面积分布的岩性气藏［1］。该气田水平井的主要目的层为石盒子组盒8段，埋深约3200～3500m左右，岩性以砂泥岩为主，产层薄，直井产量低，采用水平井是提高单井产量，加快苏里格气田勘探开发的有效方法。因此，近几年在苏里格气田大面积投入水平井开发。

然而，水平井钻井施工过程中，造斜增斜井段主要集中在石千峰组与石盒子组（简称 “双石组”），主要以硬脆性泥岩地层为主，在造斜增斜段施工过程中，经常发生井壁坍塌掉块现象，井壁失稳已经成为制约苏里格气田水平井钻井提速提效的瓶颈，因此在 “双石组”造斜增斜时保持井壁稳定对于水平井钻井成功与否至关重要。

1 造斜增斜段井壁失稳机理分析

“双石组”地层岩性为大段红褐色泥岩、灰色泥岩和小段砂岩，主要以硬脆性泥岩地层为主，泥页岩是典型的沉积岩，层理极发育，并且还存在微裂缝。在该层位造斜过程中，随着井斜的增加，钻井液失水渗入泥页岩层理面使发生垮塌的程度增加，钻井液中自由水进入后极容易破坏其原始力学稳定性，造成井壁失稳，发生井壁坍塌掉块现象。由于造斜段岩石可钻性差、研磨性强，钻井时间长，增加了钻井液侵泡地层时间，加大了泥岩层段井壁失稳的可能性。另外，在造斜增斜井段钻进过程中，随着井斜角的增加，下部钻具与下井壁接触，发生摩擦，钻进时以及起下钻引起的激动压力，都能造成井壁失稳，发生井壁坍塌掉块现象。

井壁失稳是岩石力学、钻井液化学以及现场施工人员的操作共同作用的结果，维持硬脆性泥岩井壁稳定，不能盲目提高钻井密度，另外上部的刘家沟地层易漏失，钻井液的封堵性更重要，钻井液性能不稳定，不能很好地支撑井壁，造成造斜增斜段先期井壁剥落，无法形成致密泥饼，为后期施工埋下了隐患。

2 造斜增斜段井壁稳定性研究

2．1 造斜增斜段井壁稳定计算模型的建立

对于广义平面应变条件下的斜井井眼（见图1），受三向地应力（垂向应力和最大、最小水平主地应力）的作用，井壁岩石为弹性状态，在井斜角为α，井斜方位与最大水平主地应力方位角之间的夹角为β时，作用在井壁岩石上的3个主应力σ1、σ2、σ3分别为［2-3］：

式中，Pwf为钻井液液柱压力，MPa；δ为渗透率系数；φ为孔隙度；η为有效应力系数；Pp为地层孔隙压力，MPa；σθ为切向有效正应力，MPa；σz为垂向有效正应力，MPa；τθz为切应力，MPa。σ1、σ2、σ3的大小顺序在具体计算中排定。

由于井眼周围应力集中，使井壁上产生的应力最大。因此，将井壁上的应力与强度准则相比较，便可判断井壁稳定与否。井壁不稳定分为2种情况：一种是钻井液密度过大，使岩石所受的周向应力超过岩石的抗拉强度而造成拉伸破坏；另一种是钻井液密度过低，使井周应力大于岩石本身的强度而产生剪切破坏，对于脆性地层（如泥页岩地层）出现井壁坍塌掉块现象，而对于塑性地层则井眼内产生塑性变形，造成缩径［4］。由于造斜增斜井段岩性以泥页岩为主，笔者着重对泥页岩的坍塌压力进行分析研究。

根据库伦-摩尔破坏准则，岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度C（黏聚力）和作用于剪切面上的摩擦阻力，可以得到：

图1 斜井井眼应力分析坐标转换示意图

式中，Fs为安全系数；φ为内摩擦角，（°）；C为黏聚力，MPa；τ为剪应力，MPa；σn为正应力，MPa。

2．2 苏里格气田造斜增斜段井壁稳定性分析

根据苏里格气田某井室内岩石强度试验数据、地应力测试资料，结合测井资料，计算得到该井石千峰组和石盒子组地层孔隙压力、地应力、岩石强度参数（见表1）。

表1 “双石组”地层计算参数表

根据以上计算模型编制出井壁稳定分析软件，结合表1中的双石组地层计算参数，计算出造斜增斜井段不同井斜角和不同方位角下地层坍塌压力变化图谱，如图2和图3所示（图中0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°表示计算点方位与最大水平主地应力方位夹角）。

通过图2和图3，可以根据在双石组地层不同井斜角、方位角时的地层坍塌压力确定在双石组地层造斜增斜井段钻井过程中的钻井液密度，为控制造斜增斜井段井壁稳定提供依据。

3 造斜增斜段井壁稳定控制措施

3．1 井眼轨道优化

首先，优化定向井剖面设计，优化井眼轨道设计。“直-增-稳-增-平”双增剖面类型是最常用的，因为多数造斜钻具造斜特性不可能保持稳定，而地层岩性的变化也在影响着钻具造斜率，使实钻轨迹发生一定的偏差，并及时计算修改稳斜段长度，使定向段井眼轨迹平滑，岩石侧向力比较稳定，施工过程中起下钻刮拉井壁时，不会对井壁造成过大的冲击力，减少了井壁失稳的可能。其次，缩小二开井眼尺寸。二开直接采用215．9mm钻头钻进，改变传统二开使用241．3mm钻头钻进，既可以提高造斜率，又可以提高机械钻速。

图2 石千峰组坍塌压力随井斜角方位角变化图

图3 石盒子组坍塌压力随井斜角方位角变化图

3．2 优化钻井液体系，确定合理的钻井液密度

钻井液密度低导致井壁岩石发生剪切破坏而坍塌掉块，若井内钻井液密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。苏里格地区刘家沟地层地层渗透性好，极易发生漏失，钻进时采用大循环，钻井液密度控制在1．05g／cm3以内，钻穿刘家沟后进入石千峰地层上罐走小循环，造斜增斜段伴随着钻井液改型开始。合理的钻井液改型是后期定向段井壁稳定工作的一个关键环节。盲目地提高密度并不能有效地稳定井壁，定向钻进施工的前48h内，钻井液处理的关键在于快速的调节钻井液性能，提高钻井液的黏切，降低失水，在井壁形成薄而致密的泥饼，提高地层的承压能力，才能缓慢的提高钻井液密度。在提高密度过程中，添加少量的封堵剂，防止刘家沟地层漏失诱发双石组地层井壁失稳。

3．3 减少泥浆中自由水进入井壁，降低泥页岩的水化程度

填加合理的防塌材料，钻井液中保证防塌剂的比例，有效地做到化学防塌，其次补充降失水剂特别是抗高温失水剂，控制 API（0．7MPa，室温条件下）失水在3～4ml之间，HTHP（High Temperature and High Pressure，高温高压）失水小于12ml，减少侵入地层中滤液自由水，这样才能有效地控制泥岩的水化膨胀，降低井壁失稳的风险。聚合物钻井液中，增加大分子及阳离子含量，对泥岩表面进行多点吸附，阻止水分子侵入，降低水化速度，保持泥岩胶结强度，改善泥饼质量，增强护壁效果。严格控制钻井液含砂量，钻井液含砂量高，形成的滤饼厚且松，胶结性差，易发生缩径，起钻拔活塞，造成井眼坍塌。

3．4 优选钻头，提高钻速，减少泥页岩浸泡时间

合理的钻头选型能快速的完成造斜增斜段施工，减少泥岩浸泡时间，降低井壁失稳的风险。苏20区块苏20-13-17H造斜段3377-3646m使用2只钻头（中成MD6633H和蛟龙P5519LS），进尺269m，用时7．38d，而同期施工的苏20-13-17H井造斜段3313～3680m仅用了1只钻头（哈里伯顿FXD65D），进尺367m，用时5．65d；2012年苏里格苏76区块苏76-4-19H井造斜段2719～3401m使用2只钻头（中成MD6633ZC和MD6542ZC）进尺682m，用时10．48d，同年施工苏76-6-25H井造斜段2723～3430m使用2只钻头（迪普DD65C），进尺707m，用时4．71d。2组井对比钻井时间缩短50%左右，后者比前者井壁浸泡时间明显降低，极大的减少了井壁失稳坍塌的风险，中完通井时苏76-4-19H井下钻到底遇阻，通过划眼到底，反复短起下3次才保证井眼畅通，循环时返出片状掉块，而苏76-6-25H井由于造斜增斜段施工时间比较短，井壁稳定，通井时顺利到底，井底没有沉砂，保证了中途完钻的安全施工。

3．5 严格执行操作规程

严格控制钻进排量，排量过低易在造斜增斜段形成岩屑床，起下钻阻卡时开泵活动激动和抽吸容易造成井壁失稳坍塌，排量过大容易加大对井壁的冲刷，破坏泥饼，泥岩剥落井壁失稳，一般钻进排量控制在28～30L／s；起钻按规定灌满钻井液，保证液柱压力不出现大的波动。严格控制起下钻速度，每次起钻前在造斜增斜段打入防塌封闭钻井液，做好空井时的井壁支撑。

3．6 钻井设备和人员素质

顶驱设备在造斜增斜段施工能极大的减少钻井事故发生，在早期井壁失稳掉块导致的阻卡现象可以快速操作，避免事故恶化。另外，岗位员工对于井塌的风险识别能力也很关键，及早的发现岩屑变化，能直观分析出井下情况，通过调整钻井液性能，短程起下钻循环带出井底掉块，快速恢复井内压力平衡，抑制井壁稳定失稳，避免井下复杂加剧，防止井塌事故发生。