塔中29井区糖葫芦井眼产生原因及处理措施研究

2018-12-06徐力群艾正青刘原彬袁中涛刘忠飞王卫阳

钻采工艺 2018年6期

徐力群，唐斌，艾正青，刘原彬，袁中涛，刘忠飞，王卫阳

(1中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院2西南石油大学)

塔中29井区钻井目的层为奥陶系一间房组碳酸盐岩，在钻井过程中所遇到的地层从上至下有新近系、白垩系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系和奥陶系［1］。三叠系底和二叠系段容易发生井径扩大，产生糖葫芦状井眼［2］。糖葫芦状井眼表现出的工程征兆主要有［3］:①钻井液返速低，岩屑容易在该处堆积，从而导致起钻或者接单根困难;②起钻遇阻后，在上提下放过程中阻卡点不固定;③容易蹩泵，从而可能压漏地层。糖葫芦状井眼形成后不仅对钻井施工存在影响，而且对于后期固井过程中套管居中度［4－5］、水泥浆环空顶替效率［6］等产生不利影响。

因此本文利用塔中29井区ZG291－2井以及邻井数据研究了糖葫芦井眼形成机理和预防处理措施，为顺利钻进和提高固井质量提供一定的参考。

一、扩径形成机理

ZG291－2井设计井深为6 120 m，在二开钻进过程中采用Ø241.3 mm钻头进行钻进，在三叠系底和二叠系井段时经常发生起下钻困难。

通过二开中完井径数据(图1)，可以发现在该井段存在明显的糖葫芦井段，并且由A和B两段大肚子构成。结合钻井情况和地质录井等资料分别分析了A段和B段大肚子产生的原因。

图1 ZG291－2糖葫芦井段

1．A段大肚子

A段大肚子井眼位于井深3 420～3 520 m，地层岩性主要为褐色泥岩、灰质粉砂岩和细砂岩。钻进过程中采用密度为1．37 g/cm3KCl－聚磺钻井液体系，钻井液其他性能见表1所示。

表1钻井液性能参数

在研究过程中，通过对比地层岩性和实测井径扩大率情况发现褐色泥岩扩径率普遍较大，有些井段甚至高达40%，扩径较为严重。

为了进一步确定各种不同颜色泥岩水化膨胀性能，通过文献调研发现［7－9］，如果泥岩中蒙脱石或者伊蒙混层含量较高，泥岩容易水化膨胀，即泥岩在水中容易分散或者吸水量较大。因此在现场实验中，选取了三叠系底和二叠系不同颜色的泥岩岩屑进行实验，其吸水率见图2。

图2不同泥岩吸水率情况研究

在实验过程中当不同颜色的泥岩接触到清水后，褐色泥岩很快就破碎分散，具有很强的造浆性。浸泡4 h后，褐色泥岩表现出较大的吸水率。因此认为该段大肚子主要是由于褐色泥岩水化膨胀产生。

2．B段大肚子

B段大肚子井眼主要位于井深3 540～3 680 m处，地层岩性主要为褐色泥岩、粉砂岩、凝灰岩和玄武岩。其产生机理除了褐色泥岩的水化膨胀以外还包括黑色玄武岩垮塌失稳，本节重点分析了黑色玄武岩垮塌失稳机理。

2．1玄武岩破碎

玄武岩在成岩和构造运动的影响下自身带有裂缝，当在带有裂缝的玄武岩中钻进时由于钻井液的浸入，钻井液润滑作用降低了玄武岩之间的摩擦力，从而导致玄武岩地层容易掉块［10］。

2．2钻具振动

国内外研究人员研究发现，对于非水化膨胀性地层，钻具振动对井壁失稳能够产生重要影响［11－13］。因此利用文献［14－15］中数据计算了本井钻进过程中钻具对井壁产生力的大小和影响。

在玄武岩地层钻进时，近钻头处钻铤的直径为Ø196.85 mm，单位长度钻铤的重量为1 800 kg/m，加速度取值为80 g(g=9．81 m/s2)，则该段钻铤对井壁的作用力为14 126．40 N，该作用力作用在标准岩心柱上产生的应力为27 MPa，如果作用在井壁上的钻铤有0．1 m，那产生的应力有270 MPa，而玄武岩在围压为20 MPa时其抗压强度为207 MPa［2］，钻铤振动产生的应力大于玄武岩的抗压强度，因此在该作用力下玄武岩很可能会破裂而发生失稳掉块。

2．3玄武岩自重的影响

在研究玄武岩地层井径变化情况时发现在塔中29井区所钻遇玄武岩地层伴生一定厚度的凝灰岩，而夹在凝灰岩之间的玄武岩往往扩径比较严重，在最下端的玄武岩扩径却不是很厉害，见表2所示。

凝灰岩在钻井液的浸泡过程中容易发生分散［10］，从而导致其上端的玄武岩失去有效支撑，在自身重力作用下容易导致玄武岩地层发生失稳。而下部玄武岩由于受到底部岩石的有效支撑，从而降低了玄武岩自重对其失稳的影响。

表2塔中29井区玄武岩地层扩径率

二、处理措施

1．褐色泥岩地层

为了较好的说明对于该段地层泥岩的处理措施，采用邻井井径数据进行了分析，ZG291－1井泥岩存在一定扩径，但是在玄武岩地层，由于钻井液造壁性能好，滤饼对玄武岩形成有效保护，减少了玄武岩掉块，节约了短起下时间。因此建议在该段钻进时泥岩段可以容许适当垮塌，重点是防止玄武岩地层垮塌掉块。

2．玄武岩地层

2．1加强钻井液对火成岩地层的封堵性

在统计ZG291－2井二开起钻次数时发现，钻穿玄武岩地层后再起钻过程中经常有挂卡现象，并且循环过程中返出岩屑内含有黑色玄武岩掉块。

通过该统计可以发现，该井在钻进过程中其钻井液在玄武岩地层没有形成较好的滤饼，失去径向支撑力的玄武岩地层容易发生垮塌。但是邻井ZG291－1井在玄武岩地层段形成了良好的滤饼，从而导致玄武岩地层处井径小于钻头直径(图3)，证明了钻井液具有良好的封堵性，防止了玄武岩地层的垮塌，节约了起下钻时间。

图3 ZG291－1井火成岩段井径曲线

2．2优化钻井施工参数减少钻具振动对玄武岩地层作用力

钻穿火成岩后利用录井数据对比分析了29井区钻时变化情况，这两口井钻穿火成岩时均采用DBS钻头厂家的SF系列钻头，其中ZG291－1井采用直径为Ø241.3 mm型号为SH56VH3钻头，ZG291－2井采用的是直径为Ø241.3 mm型号为SF55H3钻头。

表3邻井玄武岩地层钻进参数对比

通过分析发现，ZG291－1平均钻时快于ZG291－2井(表3)，在火成岩钻进过程中钻压对钻时的影响较大，因此建议在钻遇火成岩的过程中可以采用低钻压和低转速的方式进行钻进。

2．3增加短起次数保证上部地层井眼通畅

通过对比ZG291－2和ZG291－1短起次数和时间，见图4，图5。

图4 ZG291－2井短起下次数和时间统计

图5 ZG291－1井短起下次数和时间统计

发现ZG291－2井在钻遇火成岩之前共起钻3次，其中2次是为验证井眼，并且每次花费的时间均较长，而邻井ZG291－1井在钻遇火成岩之前起钻了8次，其中5次是验证井眼，每次起钻或者短起所花费的时间均较短。通过对比可知在钻遇火成岩之前必须严格按照钻井设计，坚持每300 m短起一次，修整上部井眼，保证火成岩上部井段通畅，为玄武岩的掉块提供良好的通道。