苏南区块钻井复杂预防技术研究

2015-12-01欧阳建勇王勇杨恩友李平吴予平冯小科

长江大学学报(自科版) 2015年2期

欧阳建勇，王勇，杨恩友李平，吴予平，冯小科

（中石化河南石油工程有限公司南阳项目部钻井工程公司，河南南阳473132）

苏南区块位于宁夏、陕西、内蒙三省交界处，地处毛乌素沙漠边缘，构造上属于鄂尔多斯盆地天环坳陷构造带。天环坳陷构造带在平面上呈南北向带状分布，夹持于陕北斜坡和西缘断裂带之间，不仅受到2大构造单元的影响，而且处在盆地的 “锅底”，成油藏条件相对复杂，大大增加了钻井工程难度。钻井过程中出现了多种井下复杂，导致钻井周期延长，为了最大限度减小井下复杂事故，提高钻井速度，对该区块展开了井下复杂预防技术的研究。

1 钻井主要难点

苏南区块钻井施工过程中易出现井漏、井壁垮塌、煤层卡钻、钻头故障等复杂情况，是苏里格区块井下故障频发区块，导致该区块机械钻速低，建井周期长。钻井施工中主要存在以下技术难点：

1）表层黄土层易发生井漏，严重时会泡垮井架基础。

2）延长组、刘家沟组存在不同程度漏失，有时常规堵漏屡次失败，增加次生故障的概率。

3）直罗组由于煤层发育，且含有多套煤层，煤层失稳坍塌，操作不当就会发生煤层卡钻。

4）石盒子组由于埋藏较深，约为3700～4100m，地层多为泥岩，胶结致密，可钻性差，导致钻头优选难度增加。

2 井下复杂预防技术研究

2.1 表层井漏

2.1.1 表层井漏机理

表层井漏多发生于表层上部，钻遇基岩后，随着井深增加，压实程度越来越高，井漏几率随之降低；加之钻表层过程中，多为清水聚合物泥浆体系，相对密度较低，一般不会由于液柱压力过高导致井漏，常常是由于表层上部黄土层胶结疏松导致井漏。

2.1.2 表层井漏预防技术

通过对苏南区块以往施工井的表层漏失进行综合分析，对该地区表层漏失进行了详细研究，初步选定下导管和减小泵排量两种方法来预防表层漏失。

1）导管防漏钻井工程中常常认为只要下部钻进作业中上部地层容易出现井漏、井跨等复杂时，通常选择使用套管将上部的复杂层位封闭，以便于进行下部钻进，出于这种理念，就出现了使用导管来封闭上部黄土层的方法［1］。

在苏394井表层钻进施工中，通过查阅邻井及相关地质资料，黄土层厚度为30m，利用低排量（12～18L／s）钻至井深28m，下入导管27m，候凝结束后，一开钻进过程中，由于转速较高导致导管摆动幅度较大，只能降低转盘转速，进而制约了机械钻速；钻井过程中也出现导管外上返泥浆，导致井口变大，只能靠圆井来制约井口井径继续变大；下表层套管（以下简称 “表套”）结束后，无法正常开泵，导致起表套等故障，经分析认为主要原因是由于导管外部上返泥浆后，导致井径增大，岩屑上返速度较低，在井底出现沉砂堆积，导致堵死套管内外部，无法建立循环，因而可以看出，下入导管不仅制约了机械钻速的提高，还给后期下表套及固井留下隐患，而且在表层固井时发现由于井口垮塌严重，井口安放的圆井口装置下沉了3～4m，如固井不及时，有可能泡垮井架基础，因而下导管不是最佳的解决方案。

2）降低排量经过查阅邻井资料后分析，在黄土层降低排量，可以大大减少井漏，钻穿黄土层后，根据井漏情况适当地增加排量，提高携岩能力，在李5井施工中就尝试采用降低排量的方法进行钻进，该处黄土层厚度约26m，在钻黄土层过程中选择排量至10～16L／s，虽然钻黄土层过程中也出现了轻微漏失，但在钻穿 “石板层”后未发现井漏，钻完表层后，使用稠浆携带井下岩屑，使得后期下表套及固井作业顺利进行，较下导管表层作业缩短1d，因而使用降低排量的方案在现场的应用效果较为明显。

2.2 延长组、刘家沟组井漏预防技术

2.2.1 漏失机理

延长组、刘家沟组井漏的主要原因有2个，一是地层（如天然裂缝和诱导裂缝地层、高渗透非胶结地层）（属内因）；二是外来压力（指钻井液液柱及由它传递给地层的外来压力）（属外因）［2］。假如压差超过地层破裂强度，就发生井漏；压差为零，井漏停止。所以控制压差是防漏和堵漏的关键，而外来压力由以下3部分组成：①钻井液液柱静压力梯度，它由钻井液密度决定；②循环压力，其大小取决于循环速度、环空尺寸和钻井液流动特性；③激动压力，指钻井中措施不当引起的骤增瞬时力（产生情况有启动泥浆泵过猛、起下钻过快及钻井液流变性能差）。

2.2.2 堵漏机理

只有弄清堵漏机理，才能根据不同类型漏层选用相应的堵漏剂，使堵漏工作达到预期目的。漏层可分为水平漏层和垂直漏层2类。

l）水平漏层封堵机理水平漏层分2种情况，一是多孔砂砾地层，这种漏层用桥堵剂可以奏效。理由是堵漏剂粒度比钻井液中固相颗粒大，存积于砂砾地层孔隙内，使钻井液不能通过，在其表面又形成一层泥饼，该泥饼牢固不易被冲走。二是天然水平裂缝。如裂缝缝宽小于6.4mm，缝内需用粒状堵漏剂填满，缝口需用堵漏剂和钻井液固体颗粒粘住，桥堵混合剂能有效地封堵该裂缝。如裂缝缝宽在64～254mm范围，则要求黏度切力高和流动阻力大的堵漏剂。

2）垂直漏层封堵机理垂直漏层的裂缝大多为诱导裂缝，成功的关键取决于施加于它的压力大小，经室内试验证明，软堵塞剂能获得成功。其作用有二：其一是撑开裂缝，撑开裂缝不能进一步扩大；其二是避免将压力传递给诱导裂缝。

2.2.3 井漏现状

在苏里格南区块延长组和刘家沟组钻进过程中，遇到了渗透性漏失和失返性质的裂缝性漏失。对于渗透性漏失，现场采用常规随钻堵漏的方式堵漏，起到了较好的堵漏效果；对于失返性质的裂缝性漏失，在改变钻井液堵漏材料尺寸的基础上，部分平台堵漏施工中见到了一定的堵漏效果，但是忠探1井，大尺寸堵漏剂堵漏效果依然较差［3］。这就要求我们根据现场不同平台的井漏堵漏情况进行研究并总结，做好苏里格南区块的防漏堵漏钻井液技术研究。

2.2.4 防漏堵漏的施工难点

2.2.4.1 防漏的施工难点

1）钻井液体系的制约延长组钻进均采用无固相钻井液体系，该体系不能形成泥饼，基本不具有防漏功能。

2）钻井工艺的制约钻井采用的MWD定向仪器，在易漏层位施工时常规的防漏方案对随钻信号有影响，不能得到很好应用。

3）地质条件的制约在苏里格南区块刘家沟组一般为失返性漏失，由于该地层存在天然裂缝，钻井液固相颗粒不能达到封堵要求，因此给防漏工作带来很大障碍。

2.2.4.2 堵漏的施工难点

1）堵漏不及时由于延长组采用无固相体系，发现漏失不能及时采取堵漏措施，使漏层的漏失趋势加大、漏失通道形成，错过了堵漏施工的最佳时机，增加了堵漏难度。

2）常规桥塞堵漏的局限性由于桥塞堵漏的局限性往往需要多次，才能取得较好的堵漏效果，从而耗费了大量的人力物力财力，最终影响整个钻井速度。

3）漏失层位多苏南区块的施工中存在多个漏层，由于不能用堵漏泥浆钻穿整个易漏地层，所以往往容易在钻进至下个漏层的过程中把上部已经关闭的漏失通道冲刷开，反复堵漏，最终造成堵漏的失败。

2.2.5 防漏堵漏措施

2.2.5.1 钻井液方面

1）钻井液体系转型，进入漏层前100m将钻井液体系转换为具有防漏功能的低固相天然高分子钻井液体系。

2）性能维护，按改型比例补充钻井液消耗量，严禁直接大量加入清水。

3）钻井液净化，使用好固控设备，保证及时高效地清除钻屑和劣质固相。

4）堵漏材料储备，储备足够的常规处理剂及堵漏材料，发现漏失立即进行堵漏作业。

5）为预防出现失返性质漏层，应储备大、中、小不同粒径的堵漏剂，堵漏失败后，应认真分析漏失原因及井段，必要时可考虑挤水泥堵漏。

2.2.5.2 钻井工程方面

1）根据已钻漏失井资料，锁定每个井区的漏失区域。施工过程中有意识地将井眼轨迹远离漏失区域。

2）进入预计漏层前20m彻底循环洗井，开泵应严格控制排量，应先小排量循环通畅后，再根据携岩要求，逐渐提高泵排量，防止人为蹩漏薄弱地层。

3）在易漏的地层钻进时发现钻时突然加快应立即上提钻具循环观察无异常后方可恢复钻进。4）起下钻控制钻速以避免压力激动造成井漏。

5）下钻小排量打通水眼并避开漏层以防止人为操作造成井漏。

2.3 直罗组煤层坍塌预防技术

2.3.1 煤层坍塌机理

2.3.1.1 煤本身的脆弱性

1）钻井液密度的影响［4］煤岩抗拉强度和弹性模量很小，钻井液密度过低会引起构造应力释放，使煤层沿节理和裂缝崩裂坍塌，大量的掉块上浮会造成环空阻流和卡钻；钻井液密度过高时，水在压差作用下楔入煤层，将裂缝撑开使煤层坍塌。

2）不稳定泥页岩的影响煤层下的泥页岩坍塌后，煤层因失去支撑而使垮塌加剧；同样，煤层的坍塌也促进了上部泥页岩的坍塌，形成恶性循环。

2.3.1.2 钻井液中水的影响

1）水化膨胀作用煤中少量的黏土矿物主要分布在煤的裂缝和孔洞中，起胶结作用，煤岩吸水后产生水化膨胀。煤的抗拉强度低，弹性模量小，煤中丝质体和镜质体各自独立，非均质性强，水化膨胀导致局部应力集中，引起剥落坍塌。另外，膨胀也是煤岩内聚力降低、裂缝扩张的宏观表现。高温也会加剧水化作用，促使地层的坍塌。

2）胶结物的溶解煤中含有微量可溶盐，总的体积分数为0.12%～0.14%，主要分布于裂缝和孔洞中，起胶结作用。煤岩吸水后无机盐的溶解使裂缝间的胶结破坏，煤的强度下降，造成剥落坍塌。

2.3.2 煤层防塌预防措施

1）降低转速，控制起下钻速度，减少旋转钻具和压力激动对煤层井壁的影响。

2）提前结合地质资料，预先做好煤层钻进技术方案，出现钻时加快，应停止钻进循环观察，适当的上提钻具划眼，钻遇多套煤层时，应合理安排短程起下钻，确保井壁稳定及井下安全。

3）精确计算并严格控制钻井液密度，控制钻井液排量和流变性，减轻冲刷作用。

4）加强煤层段泥页岩的防塌性能研究，减少泥页岩垮塌对煤层的影响。

5）在钻井液中加足各类适当的封堵材料，以封堵裂缝和孔洞，减轻钻井液对裂缝的侵入。

2.4 石盒子组钻头故障预防

苏南区块石盒子组上部主要以紫红、黄绿色泥岩和中砂岩、砂质泥岩为主，下部为浅灰色粗砂岩，夹有含砾砂岩。石盒子组处在3700～4100m之间，由于埋藏较深，泥岩胶结致密，可钻性差，加之含有砾石夹层，导致PDC钻头使用效果明显降低，因而优选出一种适合石盒子组钻进的钻头显得相当关键。

2.4.1 石盒子组钻头使用情况

在苏南区块石盒子组钻进过程中使用了3只PDC钻头和2只牙轮钻头，钻头参数指标见表1；钻石盒子组地层后起出的钻头见图1。

表1 苏南区块李7井石盒子井段钻头技术参数

2.4.2 钻头使用分析

从表1的数据及图1可以看出，无论莱州还是锐石PDC钻头，单只钻头进尺及机械钻速与牙轮钻头相比都不是太理想，尤其是PDC钻头在起出后均达到报废水平，钻头1外径磨损到只剩197mm（入井新钻头外径为241.3mm），导致下一只钻头需要长段划眼，操作不当有可能发生 “小井眼卡钻”；钻头2和钻头4起出后冠体出现明显磨损；然而2只牙轮钻头起出后，均无明显损伤；钻头5起出后，基本完好，而且在钻进过程中钻时比较稳定，易于判断井下情况。

2.4.3 石盒子组钻头建议及操作注意事项

从石盒子组的岩性分析及钻头使用情况判断，该层位PDC钻头使用效果较差，机械钻速不稳定，不易判断井下情况；然而牙轮钻头钻进比较平稳，从该地层HJT537G钻头的使用情况分析，建议使用HJT517序列或者同级别钻头，使用牙轮钻头钻进过程中应及时观察岩性及钻时，做好对比工作，预防掉牙轮故障，如钻井过程中出现钻时明显增大趋势，应果断考虑起钻，确保井下安全［5］。