塔里木盆地柯坪地区新苏地1井冲洗液护壁堵漏工艺

2019-09-20董海燕高永进白忠凯张远银姜鹍鹏吕修祥

钻探工程 2019年8期

董海燕，高永进，白忠凯，张远银，姜鹍鹏，吕修祥

(1.山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264003； 2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；3.中国石油大学〈北京〉地球科学学院，北京 102249)

1 概述

塔里木盆地柯坪地区地质调查井(新苏地1井)钻探工程项目是依据中国地质调查局下达的《自然资源部中国地质调查局地质调查项目实施方案审批意见书》，国家重点工程“天山-兴蒙构造带油气基础地质调查工程”的二级项目“新疆重点区块油气基础地质调查”(编号：DD 20189602)的子项目。该项目是由中国地质调查局油气资源调查中心承担，山东省第三地质矿产勘查院中标实施的一口大口径油气基础地质调查井及相关钻探辅助工程。新苏地1井位于塔里木盆地阿瓦提凹陷西北缘沙井子构造带(见图1)，是一个以晚古生代和新生代沉积为主的凹陷，局部发育断裂。主要钻探目的是重点查明阿瓦提凹陷沙井子断裂带地层序列，获取储盖层等评价参数；建立油气成藏模式，预测资源潜力，力争获得油气发现。该井设计井深2700 m(最终进尺以地质设计为准)，三开井身结构，完井直径≮215.9 mm套管，包括表层套管、技术套管和固井；最终完钻井深2882.05 m，完井直径为215.9 mm。

图1新苏地1井构造位置图

Fig.1Well Xinsudi-1location map

2 新苏地1井地质工程概况

2.1 新苏地1井地质概况

新苏地1井所处的塔里木盆地阿瓦提凹陷西北缘沙井子构造带及周缘在2006年以前开展了10余次的地质研究调查和油气重磁勘探工作，总体勘探程度较低，区内共开展油气勘探井10口，其余多数是路线调查，对区内地层、构造和油气矿产资源研究甚少。在凹陷内部，局部发育断裂，古生界中断裂较发育。根据邻井钻探成果和地震剖面，预测该井钻遇地层自上而下依次为第四系、新近系、二叠系、寒武系、奥陶系、震旦系和元古界阿克苏群。主要岩性有：细砾石、粗砂岩、粉砂质泥岩、砂岩、泥灰岩等。

2.2 新苏地1井工程概况

(1)新苏地1井设计与实际井身结构(见图2)。

图2新苏地1井井身结构图

Fig.2Structure of Well Xinsudi-1

(2)井身结构(设计与实钻)数据(见表1)。

表1 新苏地1井井身结构

(3)井身质量要求。

井身质量、水平位移范围(见表2)，按《石油钻井井身质量技术监督及验收规范》(QSY 66-2003)执行。

表2 新苏地1井井斜、水平位移允许范围及实际数值

(4)钻井及冲洗液循环处理主要设备。

本井设计井深2700 m，根据钻机选型标准，本井选择ZJ40J型4000 m石油钻机(见表3)，并确保具备因出现油气层需加深钻探深度的能力。

表3 钻机与冲洗液循环主要设备配置

(5)实钻(设计)钻具组合(见表4)。

表4 新苏地1井实钻(设计)钻具组合

注：(1)Ø244.5 mm技术套管内的钻杆适当位置加防磨接头，并根据所钻井深适时调整防磨接头数量及位置，以减少钻具对套管的磨损。(2)现场实钻施工，基本按照以上钻具组合使用，钻遇特殊情况按照技术要求进行调整。

3 新苏地1井施工中存在的主要问题及原因

3.1 新苏地1井施工中存在的主要问题

3.1.1 阿瓦提凹陷沙井子构造断裂较为发育

新苏地1井井位所处塔里木盆地阿瓦提凹陷位于塔里木盆地西北部，面积2.75×104km2(见图3)，凹陷至少经历了2次大的升降活动，特别是古生代经历的南北倾翘活动甚为明显，断裂较发育，早、晚古生代东西方向的倾翘活动明显，逆冲断裂较为发育。

图3 阿瓦提坳陷及其周缘构造区划图

3.1.2 沙井子断裂特征明显，易引起复杂地质问题

沙井子断裂带发育沙井子主断裂及其伴生断裂，同属逆冲断裂，主断裂呈北东-南西向展布，长约180 km，规模大，且沙井子断裂具有走滑，扭动性质。沙井子断裂断面倾向北西。断层倾角大，为50°～70°。断裂切穿基底，向上断至新近系，断穿层位多。总体断距深层大，浅层小，沿断裂走向发生变化。断裂两盘的地层发生不同程度的变形，在断裂带中西段，基底卷入型逆冲断层上盘为基底断块，受逆冲牵引作用，断块表现为翘曲形态，向北东，逆冲断块上升盘发育断弯型背斜构造，古生界剥蚀强烈，下盘地层受挤压作用褶皱弯曲。沙井子断裂带在平面和剖面上均有明显的分段特征。主断裂上盘地层受挤压逆冲牵引作用发生褶皱弯曲，表现为翘曲形态，在接近褶皱核部的部位发育伴生断裂，向下切穿基底，向上断至新近系，与主断裂基本平行，倾角相对较小。沙井子主断裂倾角约60°，断距明显加大，主断裂上盘发生褶皱，强烈抬升，遭受剥蚀(见图4和图5)。

图4阿瓦提坳陷近南北向构造剖面图

Fig.4Near north-south tectonic profile of Awati depression basin

沙井子断裂带从总体上讲：最早发育于晚加里东期，晚海西期-印支期活动强烈，南天山碰撞造山作用，使沙井子断裂构造带承受压扭性构造应力作用，最终产生左行挤压走滑构造变形，形成沙井子主断裂，一条高角度基底卷入型挤压走滑断裂；燕山期持续发育，沙井子主断裂和沙南断裂再次强烈冲断；到喜山期喜马拉雅造山作用的远程效应，造成了中亚地区长期处于强烈的挤压构造背景下，形成了一系列的挤压冲断构造。在此过程中，沙井子主断裂再次复活，发生第三次较大规模的冲断作用，阿瓦提作为一个块体，相对于温宿凸起发生一定幅度的顺时针旋转作用，沙井子主断裂发生左行剪切作用。中段-西南段发生压扭性剪切作用，发生挤压走滑作用；东北段发生张扭性剪切作用，之后主断裂及伴生断裂活动减弱并基本定型。

上述地质条件造成一些井段由于地层破碎、地应力释放等原因井壁十分薄弱，施工过程中井壁坍塌、掉块、缩径及漏失严重(见图6)。

3.2 造成井壁坍塌和漏失的机理和原因

(1)阿瓦提凹陷沙井子断裂带地层压力低，岩性硬、脆、碎，水平和竖向层理均较发育，砂岩和灰岩段裂隙发育严重，易发生较大渗漏和井漏。

图5 沙井子断裂带主断裂及伴生断裂图

图6 孔洞、裂隙、破碎、坍塌处岩心实物图

(2)泥岩在没有强裂形变的情况下也可碎裂成小块状，产生大量的不规则碎裂裂缝。该井奥陶系泥岩段地层垮塌，循环出来的岩屑大小不一，大多数直径1～10 cm左右，垮塌量较大，取出的泥岩岩心与地层露头地层较为相似(见图7和图8)。

图7 泥岩砂岩段捞取的岩屑

(3)地层水敏性强，粘土矿物吸水易膨胀、分散、剥落，地层胶结性差(见图9)，孔壁强度低。冲洗液性能降低或冲洗液漏失后，地层极易垮塌。

(4)该井区发育大量断层，这些断层断穿层位较多，同时伴生了大量微裂缝、张裂缝及高角度裂缝(见图10)，导致地层更破碎，更易发生井漏。

4 新苏地1井护壁堵漏工艺

4.1 二开井段(33.80～885.32 m)

(1)二开采用聚合物膨润土冲洗液体系，主要配方：1 m3清水+10%膨润土+0.1%纯碱+0.1%烧碱+1%～3%铵盐，循环补充胶液配方：1 m3清水+0.1%大分子包被剂，冲洗液性能如表5所示。

(2)维护处理要点：冲洗液性能主要控制高膨润土含量、高粘切。维持冲洗液的初切(G1)/终切(G2)=(1～5) Pa/(8～13) Pa，漏斗粘度在35 s以上的同时，以BLZ-1为大分子包被剂，配制胶液，按循环周均匀补充维护来调节冲洗液的流变性。根据井下损耗以及固控损失，合适的加入铵盐控制冲洗液的失水量，适当使用固控设备降低冲洗液中劣质固相，以保证性能的稳定和合理的动塑比，保证冲洗液的携沙能力以及护壁能力。

4.2 三开井段(885.32～2882.05 m)

(1)三开采用聚合物防塌冲洗液体系，主要配方：

图8野外露头地层图

Fig.8Outcrop formation

图9 强水敏性、低胶结性岩心

1开井浆 +0.2%～0.7%大分子包被剂 +1%～3%小、中分子降滤失剂 +1%～3%铵盐 +1%～2%防塌剂，循环补充胶液配方：清水+0.2%～0.7%大分子包被剂/1%～3%小、中分子降滤失剂(见表6)。

(2)维护处理要点：冲洗液性能主要控制膨润土含量、劣质固相、中压失水量。维持冲洗液的初切(G1)/终切(G2)=(1～5)/(8～15) Pa，漏斗粘度在50～70 s的同时，以大分子包被剂和中小分子降滤失剂配制胶液，按循环周均匀补充维护来调节冲洗液的流变性。根据井下损耗以及固控损失，合适的加入井浆，适当使用固控及循环设备(见图11)降低冲洗液中劣质固相，以保证性能的稳定和合理的动塑比，保证冲洗液的携沙能力以及护壁能力。

图10 取出的含有裂缝的断层岩心

密度/(g·cm-3)漏斗粘度/s屈服值/Pa塑性粘度/(mPa·s)静切力/PaAPI失水量/mL膨润土含量MBT/(g·L-1)含砂量/%pH值1.05～1.2435～455～138～12(1～5)/(8～12)全失～2050～1000.59

表6 三开井段冲洗液性能

图11 现场泥浆流变图

4.3 复杂情况发生经过、处理措施及原因分析

(1)2018年9月21日12:03钻进至井深1254.12 m，总池冲洗液体积由43.53 m3下降到42.92 m3，异常井深对应岩性为灰白色灰岩，其他工程参数无明显变化；现场判断为井漏。随后加入0.25 t随钻堵漏剂，钻进时漏失密度1.13 g/cm3的冲洗液2.50 m3，停泵后回返1.0 m3，随后无漏失。漏失原因为灰岩裂缝渗漏。本次共漏失冲洗液1.5 m3，累计漏失冲洗液1.5 m3。

(2)2018年10月1日21:05二开钻进至1738.05 m左右时发生井漏，初始漏速为3～4 m3/h，发现时已漏失冲洗液1 m3，经过循环观察发现为灰岩砂岩渗透性漏失(见图12)，随后加入0.25 t随钻堵漏剂，加入随钻堵漏剂后钻进时不再漏失，随后钻进新地层后发现又出现漏失，继续加入随钻替漏剂钻进，如此反复直至10月2日7:00点发现不再漏失。本次共漏失冲洗液34 m3，累计漏失冲洗液35.5 m3。

图12 岩心横向纵向裂隙发育

(3)2018年10月25日6:37钻进至井深2539.86 m，总池冲洗液体积由47.21 m3下降到46.36 m3，异常井深对应岩性为浅灰色细砂岩，其他工程参数无明显变化；现场判断为井漏。加入随钻堵漏剂0.75 t，钻进漏失密度1.13 g/cm3的冲洗液6 m3，随后无漏失。漏失原因为砂岩渗漏。本次共漏失冲洗液9 m3，累计漏失冲洗液44.5 m3。

(4)2018年11月8日5:54取心钻进至井深2878.72 m发现漏失冲洗液1 m3，开始加入随钻堵漏剂0.25 t，6:50发现漏失冲洗液8 m3，加入1 t SQD-98，冲洗液液面从58.98 m3降至46.8 m3，平均漏速8.66 m3/h；至18:00起钻过程中共漏失14.5 m3，至9日并及时补充胶液6 m3，至9:00漏失冲洗液27.18 m3；8:00静堵过程中共漏失5.5 m3。本次共漏失冲洗液47.18 m3。累计漏失冲洗液91.68 m3。

(5)2018年11月10日14:00下钻至1920 m处，井壁失稳遇阻，但00:00划眼至2100 m，钻穿坍塌井段，5:00下钻至2853 m，开始划眼，05:30划至井深2876.38 m时，总池冲洗液体积由87.10 m3下降至86.37 m3，发生井漏，划至2876.69 m，漏速增至15 m3/h，调配堵漏浆15 m3(中粗粒度核桃壳、复合堵漏剂、SQT-98等材料，)有效注入10 m3，起钻，至11日8:00漏失总量21 m3,准备起钻至套管鞋，静堵3 h。本次共漏失冲洗液21 m3。累计漏失冲洗液112.68 m3。

4.4 处理剂消耗及成本分析

(1)二开冲洗液材料消耗情况(见表7)。

表7 二开材料消耗情况

本开次井段以泥岩为主，Ø311.2 mm井眼钻速快，钻遇大段泥岩层，振动筛跑浆严重后，改换较小目数筛布，2台振动筛同时配合使用，减少了冲洗液损失。同时，使用高膨润土含量、低粘切冲洗液钻进，保障了井下安全。

(2)三开冲洗液材料消耗情况(见表8)。

表8 三开材料消耗情况

本开次井段以砂泥岩为主，主要降低冲洗液失水与劣质固相，防止井壁缩径与掉块。本开次费用消耗来自冲洗液正常的消耗以及井壁失稳掉块调整冲洗液性能。本开次冲洗液性能要求较高，在钻进的过程中使用包被剂降低劣质泥岩遇水膨胀缩径及抑制钻屑分散等，同时使用各类降滤失剂降低失水量，使得冲洗液性能得到合理的控制，防止掉块。井底漏失次数多，防漏与堵漏方面消耗材料也较多。