锦州油田钻井防塌技术的工程实践

李先烽，和鹏飞，袁则名，卓振州，边杰

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司（天津300452）

锦州油田钻井防塌技术的工程实践

李先烽，和鹏飞，袁则名，卓振州，边杰

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司（天津300452）

锦州油田南区东营组坍塌压力高，井壁失稳严重，一期开发过程中，由于井壁坍塌造成的复杂情况频繁出现，导致起钻效率较低。在勘探开发的过程中，通过对钻井液性能的不断优化，试验在原弱抑制钻井液体系-小阳离子体系中加入无机盐NaCl,通过抑制地层水进入井筒内，促使井壁内外离子浓度平衡，达到井壁稳定的目的。阐述了改进后综合阳离子体系的技术要点、维护及工程措施，通过应用这些措施，结果表明对于锦州油田井壁稳定实现有效控制。

锦州油田；井壁坍塌；钻井防塌技术；阳离子体系；井壁稳定

在油气勘探开发中，钻井成本比例较大，如何保证钻井高效、安全是降低成本的主要技术着力点。钻井过程由于井壁失稳而造成复杂情况，如井塌、缩径等问题具有普遍性。随着渤海油田开发的深入，水平井、大斜度井、大位移井等复杂井也不断增加，钻完井作业难度和风险逐步增加[1-4]。锦州油田前期作业的井馆陶底砾岩段、东营组及沙河街组的砂泥岩互层段倒划眼期间钻具憋卡严重，东二下段、东三段和沙河街组泥岩段部分井井壁垮塌严重，造成钻具阻卡严重、套管下不到位等复杂情况，影响作业时效[5-7]。针对前期作业过程中出现的倒划眼困难和井壁垮塌的问题，对井壁稳定性进行了综合的分析，在优选钻井液体系的基础上对钻井液的防塌性能进行了系统的优化，成功应用了12口井，作业过程中井壁稳定，作业安全顺利。

1 技术背景及难点分析

1.1 油田地质情况

锦州油田位于渤海辽东湾海域，平均水深22.7～24.6m，构造在区域上位于辽西低凸起中北段，西侧以辽西大断层为界紧邻辽西凹陷中洼，东南呈缓坡向凹陷过渡，毗邻辽中凹陷中、北洼。

油田钻遇的地层自上而下有：第四系平原组、新近系明化镇组和馆陶组、古近系东营组和沙河街组及太古界，见表1。含油层系为沙河街组和太古界。在东二下段、东三段及沙河街组泥岩段坍塌压力较高，坍塌压力系数在1.35左右。

表1 地质分层及主要岩性

1.2 前期作业情况分析

锦州油田开发井型主要以大斜度井和水平井为主，此区块311.15 mm（12.25"）井眼由于穿越地层较多，并且每个层位都有自己鲜明的特点，给钻井工程方面造成了起泥球、井壁垮塌、钻进及倒划眼时憋压、蹩扭矩严重以及部分井套管下不到位等复杂情况。针对以上难点，先后尝试了PEC、PEM、阳离子体系和综合阳离子体系[8-10]，但是钻井液携砂、起下钻阻卡以及井壁稳定问题均未能得到较好的解决。

对比分析前期已钻311.15 mm（12.25"）井段41口，分别采用了PEM、PEC、阳离子及综合阳离子等钻井液体系钻井，总结出钻井过程中发生的井下复杂情况与事故，见表2。

表2 不同钻井液体系存在的问题

由此可见，井壁防塌已经成为该油田开发的主要问题，直接涉及钻井安全和作业效率提升。其一，划眼困难，存在卡钻风险；其二井眼揭开后褐眼时间长，污染储层；其三，处理时间长，容易出现二次垮塌。

2 防塌阳离子体系的试验运用

2.1 防塌阳离子体系研究思路

关键思路：膨润土浆、聚合醇JLX-C+封堵剂LPF、LSF+包被剂PLUS+降失水剂CPA、PAC-LV、VIF+抑制剂KCl、NaCl及CPI。“平衡抑制+活度抑制”的思路，充分发挥KCl、CPI、NaCl三种抑制剂的作用，合理控制钻井液体系抑制性和失水，提高大段泥岩的井壁稳定性。KCl抑制性（吸附、镶嵌作用）+物理和化学封堵（采用LSF、LPF改善泥饼质量、利用聚合醇JLX-C的浊点效应封堵微裂缝）+活度及膜效应（KCl和NaCl复配降低体系活度、采用成膜剂PF-LPF提高膜效应）。

2.2 阳离子体系的配方

3%膨润土浆+0.4%～0.6%PF-PAC-LV+1%～1.5%PF-LSF+1%～2%PF-NRL+1%～1.5%PF-LPF+ 12%NaCl+1%～5%KCl+0.5%～1%PF-CPI+0.5%～1% PF-VIF+0.5%～0.8%PF-PLH+重晶石（加重）。

配电网重构是个NP-hard(Nondeterministic Polynomial-time Hard)问题，一般会根据选择不同的目标函数对应建立不同的配电网重构的数学模型，常见的有以配电系统中的有功损耗最小为目标函数，或是配电系统运行的安全可靠性为目标函数，也可能是以故障时候恢复供电时间短以及故障时候停电范围小作为目标函数。

由图1可知，随着NaCl加量增大，盐水活度降低，加量在大于12%以后活度降低、速率降低，考虑成本控制以及现场可操作性，最终确定其加量为12%。

图1 NaCl不同浓度盐水活度曲线

采用K+抑制页岩水化：K+的水化能低，因而K+优先被黏土所吸附。由于水化能低，会促使晶层间脱水，使晶层受到压缩，形成紧密的结构，从而能够有效地抑制黏土水化，如图2所示。K+直径大小为刚好可以进入两个氧六角环之间的空间，因而能进入伊利石的层间。当K+失去吸附水化膜时，稍微变小，相邻晶层的四面体晶片互相靠近。随着上述过程继续进行，收缩作用迫使K+进入裸露表面的自由空间，它立刻被牢固地保留在适当位置上。由于K+形成键合，从而限制了相邻硅酸盐晶片的膨胀和分离。这种致密构造不会在水中再发生较强的水化。

CPI是一种小分子量的有机阳离子聚合物，其分子量比通常的有机阳离子小的多，带有较高的正电荷，通过静电吸附于黏土颗粒的表面，可降低黏土表面的负电荷，降低黏土活性，使之趋于稳定。KCl与CPI复配使用可有效解决井壁硬化的问题，达到平衡抑制的效果，另外结合活度抑制，能够更加合理地控制钻井液体系的抑制性，提高大段泥岩的井壁稳定。

图2 不同钻屑加量对KCl含量的影响

2.3 阳离子体系在钻井过程中性能维护措施

311.15 mm（12.25"）井眼上部采用海水膨润土浆钻井液，钻进至馆陶组地层开始进行钻井液体系转化，在钻进至东营组前完成转化工作，转化成果为NaCl阳离子体系，具体性能参数见表3。

表3 钻井液性能指标

1）转化后钻井液同时需降低失水，至3.6 mL以下，进东营后失水必须降至3.2 mL以下。

3）转化后，般土含量控制在28～35 g/L，用于给井壁提供泥饼。在泥饼形成过程中，有堵漏材料作为支撑，钻井液的质量更加坚韧，支撑性好，更能稳定井壁。补充胶液中也应添加随钻堵漏材料，缓慢补充进入井浆内。目的是为了给泥饼提供源源不断的支撑物。

4）携带性：由于大部分井311.15 mm(12.25″)井段井斜都处在不利于携砂的井斜段，钻进过程中密切关注振动筛岩屑返出情况，调整性能使3/6转最小值不小于7，YP不低于12，不要过于追求低黏，最终的目的是利于岩屑携带，降低岩屑床厚度。

5）阶梯式提高钻井液密度：出馆陶前密度提高到1.32 g/cm3;钻进至东下段易跨塌层前，密度提高到1.34 g/cm3；进入沙一段前，密度提高到1.35～1.38 g/cm3。

6）封堵性：底砾岩钻进过程中进入东营前及时调整封堵性及润滑性，失水控制在3.6以下，提高泥饼质量，避免在东营组上部及馆陶组渗透性好的砂泥岩井段形成虚厚泥饼，同时通过控制失水降低泥岩因失水过大引起的坍塌。进入东下段易垮塌井段前提高LPF、LSF等封堵材料加量，由1.5%提高至2.5%。化学封堵剂聚合醇JLX-C加量由2%～3%提高至3%～5%。

7）抑制性：先期选择一口井作为试验井，在这口井的钻井作业过程中，尝试探索不同钾离子含量对井壁稳定的影响。作业后总结出一套可行操作的思路，即钻穿底砾岩换完钻头后后东营组第一趟钻进400～500 m，短起前，循环干净，在循环期间，把KCl提到4%～5%，钾离子0.02～0.025。短起前注意事项：加KCl要均匀；倒划眼起钻有效破坏已形成的岩屑床，并且循环干净；短起下到底后进入东三前进一步提高钻井液的封堵性及润滑性，失水最好控制在3 mL以内，返出岩屑对比如图3、图4所示。

图3 钻井液体系改进后返出岩屑

图4 原钻井液体系返出岩屑

3 工程防塌措施

1）避免采用负压钻井，根据地质预告，邻井情况及随钻地层压力监测情况，确定合适的钻井液密度，使钻井液液柱压力足以平衡地层压力，支撑井壁。

2）尽可能地减少激动压力。具体措施包括：为了避免憋漏地层引起液柱突降而造成井塌，在下钻到底后，应慢慢转动钻具，先小排量开泵顶通钻井液，循环正常后再加大至正常排量。为防止泥包，避免抽吸作用，在易泥包地层钻进，应加防泥包剂并控制起钻速度。为了防止对塌层产生剧烈的冲刷作用，应严格控制钻井液的流变性及排量，以确保在塌层井段钻进时，钻井液呈层流状态，而且严禁在塌层长时间循环钻井液。起钻时连续灌满钻井液，避免液面较大幅度下降使液柱压力降低。

3）加快钻井速度，尽量缩短地层浸泡时间，因为地层受钻井液浸泡的时间越长，发生井塌的可能性越大。

4）发现井塌预兆时，要坚持不停地活动钻具和循环，可适当调节排量，提高钻井液黏度和密度，增强携砂能力。

4 效果分析

现场试验新型钻井液体系，对井壁稳定起到了较好的作用，通过对三压力剖面的仔细分析，优化钻井液密度控制梯度。无机盐NaCl的加入，使地层自由水进入井筒减少，井壁稳定得到巩固。工程措施的辅助运用，对保护井壁起到了决定性作用。钻井过程中，每钻进300～400 m做一次短起下，用以修整井壁，减少破坏岩屑床厚度，从而提高了本区块起下钻效率，最终达到降本增效的目的。

5 结论与建议

1）阳离子体系的使用，对该区块东营组防塌效果较好，且返出掉块明显变小。但在钻进过程中需勤监测其性能，特别是在东营组泥岩段，黏度严禁忽高忽低，东营组严格控制失水小于5 mL，并且保证钻井液性能稳定。

2）工程防塌措施同样重要，在起下钻过程中严格按照规程操作，防止抽吸、激动压力破坏井壁稳定。严禁在易坍塌井段大排量循环，造成井塌。倒划起钻过程中，应分段扫稠浆携带岩屑。

3）在东营组及下部井段钻进时，建议每钻进300～400 m进行一次短起下，用以修整井壁，破坏岩屑床。

4）防塌措施的正确选择，减少了复杂情况的产生，极大地提高了钻井效率，达到了降本增效的目的。

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The collapse pressure of the Dongying formation in the southern part of Jinzhou oilfield is high and the well wall is unstable. During the first stage of development,the complicated situation caused by the borehole collapse frequently occurs,which results in lower drilling efficiency.In the process of exploration and development,it is continuously tried to add inorganic salt NaCl in original weak inhibition drilling fluid system-small cation system to optimize drilling fluid performance,to inhibit formation water into the wellbore and to promote the balance of ion concentration inside and outside the borehole wall to realize wellbore stability.The technical points,maintenance and engineering measures of the improved integrated cationic system are expounded.The application results of these measures show that the stability of the borehole wall in Jinzhou oilfield is effectively controlled.

Jinzhou Oilfield;borehole collapse;drilling anti-collapse technology;cation system;borehole stability

王梅

2017-03-23

李先烽（1984-），男，工程师，主要从事海洋石油钻完井技术监督工作。