东胜气田锦58井区井塌原因分析及钻井液认识

华 松，常洪超，尹付国，海 斌，秦 菲

（1.中国石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司，河南南阳 473132；2.中国石化华北石油工程有限公司国际公司，河南郑州 450006）

东胜气田锦 58井区构造上位于鄂尔多斯盆地伊盟北部隆起带，地质构造复杂、断层局部发育、地层破碎和裂缝发育[1]。钻井过程中常遇到井漏、井塌等问题，造成划眼、卡钻、电测遇阻等事故，严重制约了钻井周期。分析已钻井资料发现，刘家沟组地层裂缝发育，易发生井漏；石千峰组、石盒子组泥岩地层坍塌严重，井壁稳定问题突出。如 JPH–406井在石盒子组3 030.0～3 110.0 m井段出现严重垮塌，两次填井侧钻，严重影响了钻井速度和经济效益。

1 地层岩性及黏土矿物组分

锦58井区石千峰组与上石盒子组泥岩分布广、层位稳定，泥岩段长。石千峰组和石盒子组泥岩中的黏土矿物主要为伊蒙混层，含量75%左右；其次为伊利石、绿泥石和高岭石，属于硬脆性泥岩。石盒子组黏土矿物中伊蒙混层含量高达65%～77%；其次为伊利石、绿泥石和高岭石。下石盒子组盒1段储层岩性以含砾中粗砂岩屑为主，其次为细–中粒岩屑石英砂岩。储层中富含黏土矿物，黏土矿物总量为 36.6%～38.1%，黏土矿物以伊蒙混层为主，含量高达65%左右；其次为伊利石、高岭石和绿泥石。大部分高岭石、绿泥石与凝灰质蚀变有关，高岭石常呈碎屑外形，地层较为破碎，储层填隙物主要为黏土矿物（高岭石、伊利石、绿泥石）。

2 井塌原因分析

（1）石千峰组、石盒子组地层泥岩分布广，泥岩中大量蒙脱石和伊蒙混层的水化、膨胀、分散是造成坍塌和阻卡的主要原因。

（2）锦58井区多为三开带导眼水平井，二开裸眼段长，同一裸眼段内存在不同压力体系，钻井液密度窗口窄[2]。石千峰组、石盒子组界面造斜井段泥岩需要一定的钻井液密度支撑，而受刘家沟组中下部与石千峰组上部地层承压能力的制约，钻遇石千峰组与石盒子组界面时，密度调整不到位，造成井内液柱压力低，井壁失去力学支撑，导致井壁垮塌。

（3）锦 58井区断层局部发育[3–4]，构造复杂，石千峰组和石盒子组发育大段泥岩，上石盒子组棕红、棕褐色的塑性泥岩水化膨胀造浆严重；下石盒子组灰褐色脆性与塑性泥岩整体表现为硬脆性剥落掉块坍塌[5]，泥岩层理和裂隙发育，钻井液滤液进入地层，泥岩易水化、膨胀、分散，导致井壁垮塌。

（4）预防井漏钻进时，排量提不上来，不能有效携带岩屑；井斜较大时（大于45°），易形成岩屑床，不易清除，造成通井遇阻、划眼，越划越严重引起井塌。复杂井段多在石千峰组、石盒子组地层，岩性为棕褐色泥岩与砂岩互层，胶结差，泥岩易剥落形成“大肚子”井眼，造成井眼不规则。

（5）井漏频繁，因漏致塌。井漏后液柱压力降低，无法平衡地层压力，造成井壁失稳。

（6）钻井液封堵能力较差，失水不易控制，泥饼质量差，滤液进入引起孔隙压力升高，导致井壁剥落；钻井液抑制性不强，泥饼虚厚，造成钻头、扶正器泥包，起钻抽吸，导致井壁失稳。

（7）泥岩段定向钻进，滑动时间长。定向段施工过程中，在泥岩段滑动钻进钻时较长，增加了泥岩段的冲蚀，易造成井壁不规则，不利于岩屑的上返，引起后期通井时间长，泥岩浸泡，加大井壁垮塌的风险。

3 钻井液防塌技术关键

（1）钻至刘家沟组前，加入适量屏蔽暂堵材料，根据相邻区块刘家沟组岩心裂缝测量结果，裂缝宽度一般不超过1 mm。选择不同粒径的颗粒状堵漏材料和纤维状材料，可确保更多的堵漏材料进入地层，即随钻封堵材料要及时封堵微裂缝，防止裂缝扩展，形成致密封堵层[6]，起到防漏作用。在钻进过程中及时补充不同粒径的封堵材料，从而预防钻进中刘家沟组的漏失，提高地层承压能力。

（2）提高钻井液体系的抑制能力，强化封堵作用。采用钾铵基复合防塌钻井液，通过K+和NH4+离子的晶格固定和离子交换作用来抑制泥页岩水化膨胀[7–8]，并利用大分子的包被吸附作用，复配超细碳酸钙、阳离子乳化沥青填充微裂缝，降低失水。易失稳泥岩层段滤失量控制在4 mL以下，同时提高滤液黏度[8]，减小滤液渗入地层的速度和渗入量，防止泥岩水化膨胀，剥落掉块，达到稳定井壁的目的。

（3）根据井下情况及时调整钻井液密度，支撑井壁。石千峰组、石盒子组地层调整好流变参数，适当提高钻井液的黏度、切力，保持动塑比为0.36～0.60，减轻钻井液对井壁的冲刷。提高悬浮和携带岩屑的能力，将钻屑高效地携带至地面，做好短起下钻，避免大斜度井段形成岩屑床。加足润滑剂，保持钻井液具有良好的润滑性能。

（4）控制固相含量，特别是低密度固相。低密度固相含量越低，钻井液的内摩擦力就越小，有利于减少能量消耗，同时提高钻井液的高温稳定性、抗污染能力等[9–12]。选用絮凝能力强的聚丙烯酰胺，同时充分使用好四级固控设备，振动筛尽量使用细目筛，提高除砂器、除泥器和离心机的使用效率，有效清洁钻井液，提高机械钻速。

（5）控制起下钻速度。确定遇卡钻头位置岩性，砂岩选点循环，将井筒内的沉砂分段携带出来，防止井段过长、岩屑浓度过高而压漏地层。尽可能减少在复杂井段的起下钻趟数，减少钻头、钻具对井壁的破坏。

4 钻井液体系配方及性能评价

4.1 钻井液体系配方

JPH–438井位于锦58井区核心区，为三级井身结构带导眼的开发水平井，设计井深4 237.7 m，水平段长900.0 m。该井采用钾铵基复合防塌钻井液，强化钻井液节点控制，优化钻井液性能指标，满足井下安全施工。

一开井段采用聚合物钻井液：清水+（6.0%～7.0%）钠 土+（0.2%～0.3%）Na2CO3+（0.1%～0.2%）K–PAM+（0.1%～0.2%）聚丙烯酰胺。

二开直井段采用低固相钾铵基聚合物钻井液：一开钻井液+（0.1%～0.3%）NaOH＋（0.1%～0.2%）K–PAM+（0.1%～0.2%）聚丙烯酰胺+（0.2%～0.3%）K–HPAN+（0.2%～0.3%）NH4–PAN+（0.3%～0.5%）降失水剂KJ–1。

二开斜井段采用进入石千峰组后采用钾铵基复合防塌钻井液：原钻井液+（0.1%～0.3%）NaOH+（0.3%～0.5%）K–PAM+（0.3%～0.5%）聚丙烯酰胺＋（0.5%～1.0%）NH4-PAN+（2.0%～3.0%）阳离子乳化沥青+（1.0%～2.0%）SMP–1+（1.0%～2.0%）SPNH+（1.0%～2.0%）超细碳酸钙+（1.0%～1.5%）降失水剂KJ–2+（2.0%～3.0%）润滑剂+（1.0%～2.0%）乳化石蜡。

三开井段采用钾铵基复合防塌钻井液：二开钻井液+（0.1%～0.3%）NaOH+（0.3%～0.5%）K–PAM+（0.3%～0.5%）聚丙烯酰胺+（0.5%～1.0%）NH4–PAN+（1.5%～2.0%）阳离子乳化沥青+（0.5%～1.0%）降失水剂 KJ–2+（1.0%～2.0%）超细碳酸钙+（2.0%～3.0%）润滑剂。

4.2 钻井液体系室内评价

4.2.1 抑制性评价

（1）岩屑滚动回收率。采用JPH–406井石千峰组–石盒子组泥岩进行室内滚动回收率实验。实验时间为 16 h，实验温度为 100 ℃，测定温度为50 ℃，实验数据如表1。

（2）页岩膨胀性评价。取标准膨润土过100目筛，以105 ℃烘干，称取10 g，以12 MPa压力下压制5 min后，用高温高压智能膨胀仪在120 ℃、3.5 MPa条件下测其在滤液中不同时间的膨胀率，结果见表2。

表2 高温高压膨胀率实验数据

由以上实验数据可以看出，清水岩屑回收率仅仅只有9.33%，说明岩样具有较强的水化能力，钾铵基钻井液体系热滚回收率可以提高到88.52%，而16 h后线性膨胀率降至8.50%以下，这表明钻井液体系抑制性强，能够有效抑制黏土矿物的水化分散和膨胀。

4.2.2 封堵能力评价

对钻井液体系封堵能力进行了高温高压滤失仪室内实验。实验步骤：①将过40～60目的砂子清洗干净后烘干备用；②在高温高压滤失仪中加入40～60目200 g砂子铺平成砂床；③慢慢加入400 mL钻井液至高温高压滤失仪中，逐渐加压至 3.5 MPa，在120 ℃分别测试1.0，7.5，30.0 min的滤失量；④对测试完30.0 min滤失量的高温高压泥浆罐加压测定封堵膜。计算得到30 min累计滤失量为4.4 mL，钻井液体系封堵能力较好，有利于维持井壁稳定，确保井下安全。

4.2.3 抗岩屑污染能力评价

锦58井区石千峰组、石盒子组黏土矿物中蒙脱石含量高，钻进中极易水化造浆，导致钻井液性能不稳定，引起井下不安全。取JPH–406井石千峰组、石盒子组岩屑对钾铵基钻井液体系进行抗岩屑污染能力评价，实验时间为 16 h，实验温度为 100 ℃，测定温度为50 ℃，实验数据见表3。

由表3可以看出，随着岩屑量的增加，钻井液体系的黏度、动切力逐渐增加，整体流变性较稳定。当岩屑加量增加到10%时，体系动切力明显增大；体系动切力增加到15%时，上升趋势变大，流变性变差。因此，该体系抗岩屑的污染能力在15%以下，能够有效抑制劣质土的水化造浆，增强钻井液体系的抑制性；同时，在钻进过程中，合理使用固控设备清洁劣质固相，保证泥浆流变性能稳定。

4.3 实测钻井液性能

钻井液性能稳定，流变性较好，失水较小。在三开泥岩段，增大防塌剂含量并提高钻井液密度，保证了泥岩段稳定施工（表4）。

4.4 JPH–438井井径与JPH–406井井径对比

JPH–438井在石千峰组、石盒子组地层井径扩大率比JPH–406井明显下降，说明JPH–438井井径规则，结合起下钻情况分析，泥岩段未发生垮塌井眼稳定（表5）。

表3 钻井液抗岩屑污染实验数据

表4 实测钻井液性能

表5 JPH–438与JPH–406井径对比

4.5 应用效果

JPH–438井随钻堵漏效果显著，全井在钻至2 730.0 m（石千峰组）时发生一次漏失，采用桥塞堵漏成功且未发生复漏；钻至石千峰组与石盒子组界面时，井眼稳定，起下钻正常；三开水平段在钻至3 650.0 m时遇到三段泥岩，泥岩总长104.0 m，钻井液密度提升至1.23 g/cm3，并加入超细碳酸钙、阳离子乳化沥青、润滑剂，井眼稳定，润滑性好，保证了井下安全。

5 结论

（1）锦58井区断层局部发育，构造复杂，石千峰组和石盒子组发育大段泥岩，泥岩层理和裂隙发育，且黏土组分以高岭石和伊利石为主，并含较多的蒙脱石和伊/蒙混层，易吸水膨胀、垮塌。钻井液的强抑制性和强封堵性是重点，钻井液密度是防塌的关键。

（2）井区安全密度窗口窄，针对易漏层实施随钻封堵，逐步提高刘家沟组地层的承压能力，可防止石千峰组、石盒子组地层发生坍塌。

（3）加强钻井液节点控制，强化钻井液性能，钻至刘家沟组时控制密度小于1.08 g/cm3，进入石千峰组逐步提高钻井液密度，进入石盒子组前密度达到1.18 g/cm3，完钻前密度维持在1.20 g/cm3，并补充沥青类、超细碳酸钙、润滑剂，增强封堵及润滑性能；水平段钻遇长泥岩，密度提高至1.18～1.25 g/cm3，做好防塌措施，保证井眼稳定和井下安全。