水平井托压现象原因分析及解决措施

李文志

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163000）

1 钻井过程中的托压现象及危害性

近年来，大庆油田的水平井钻井工程数量逐年增加，规模逐渐扩大，在定向钻井中出现最多的问题就是托压现象；从随钻测井地面传感器及综合录井仪器地面传感器的钩载、泵压等数值变化分析，托压现象的直观体现就是在钻压逐渐增大的情况下，井下钻具的钻头的位置不发生变化，钻井液泵的泵压不变、不憋泵，在继续增加钻压的时候可能会突然憋泵。当水平井定向钻井出现托压现象之后，将会引发这样几方面问题[5]：

（1）在钻进过程中井下钻具承受了大部分钻压，而实际作用到钻头上的钻压很小，导致机械钻速低，钻井的效率低，使得钻井时效降低。

（2）当在定向钻进过程中出现托压以后，井下钻具会长时间内保持相对静止，使得产生的岩屑无法及时随着钻井液循环返出，形成岩屑床，可能会导致压差卡钻。

（3）从发生托压现象到托压现象解决，井下钻具可能出现破损，降低钻井时效，增加钻井过程中的安全风险。

2 水平井钻井托压现象产生原因分析

本文通过结合现场实际情况和国内外相关理论研究，提出了产生托压现象的几种原因，并有针对性地提出了相应的解决措施（图1是通过大庆油田最近几年水平井施工过程中托压现象分析得到各原因统计分析饼状图）。

图1 水平井托压现象各原因统计分析饼状图

2.1 井眼不干净、有岩屑床的存在

造成水平井定向过程中托压的一个原因是井眼不干净，易在循环不畅井壁处形成岩屑床。通过分析，造成井眼不干净的原因主要有以下几点：

（1）钻井液泵排量过小，钻井液在井眼环空中的上返速度低，从而使得钻井液携带岩屑能力低，造成井眼不干净。

（2）钻井液携带岩屑能力低，不能将钻进过程中产生的岩屑带出井筒，造成井眼不干净。

（3）四级固控设备（振动筛、除砂器、除泥器、离心机）的使用不能达到钻井施工要求，钻井液中有害固相、岩屑等不能及时清除，使得有害固相等又重新进入井内，造成井眼不干净。

（4）长时间或长井段未进行短起下作业，没有及时刮井壁，使得岩屑在井底堆积或在大斜度井段井壁下部会形成较大体积的岩屑床，造成井眼不干净。

2.2 钻井过程中井眼轨迹差

在水平井的施工过程中，井眼的井斜角大于30°时，定向施工和地层倾角等因素会使井眼轨迹发生偏差。在造斜段、水平层段运用地质导向技术，在寻找入靶点以及在水平段出层后再重新追层的过程中，必须要对井眼轨迹进行调整，由于地质需求可能造成局部狗腿度偏大，导致井眼轨迹不规则，井眼出现多处台阶，易造成托压现象。实际施工经验总结，井斜角在45°~90°之间的大斜度定向井及水平井来说，井眼本身就存在一个岩屑携带困难的问题。然而在定向钻进的过程中钻具与井壁是滑动摩擦，而岩屑床的存在又使得钻具与井壁之间的滑动摩擦力增大，从而造成定向过程中托压。此外，在实际钻井过程中发现水平井的井眼轨迹与造斜率存在一定的关系：造斜率越小井眼轨迹越平滑，钻井施工过程中产生托压现象的机率就越小；长半径的水平井较中半径、短半径的水平井产生托压现象的可能性要小。

2.3 钻具组合不合理

水平井在定向钻进的最初阶段，定向钻具组合中会使用较大直径的扶正器，当井斜角变大时会增加钻具与井壁之间的摩擦阻力，同时可能出现托压现象。在造斜段中，因为钻具中的钻铤刚性较大，不容易出现弯曲，在造斜率较大的井段可能会出现托压现象；在计算倒装钻具时出现错误，使得倒装钻具不能发挥自身的作用，反而使摩擦阻力变大，出现托压现象；钻进水平段时施工人员计算最大钻压不准确，使钻具出现多次屈曲，摩擦阻力变大，出现托压现象。此外，螺杆钻具或者随钻仪器局部直径较大，与井壁的间距小，稳定器会直接紧贴在井壁上，使得钻具的滑动速度变低，出现托压现象。

2.4 泥饼虚厚、钻井液摩阻系数大

钻井液中固相含量高等因素会造成泥饼虚厚，它在定向过程中也会造成托压现象，泥饼虚厚与钻具的接触面积越大，越易造成粘卡，泥饼虚厚造成的钻具托压现象与井眼轨迹差造成的托压现象有一定的差异，它造成的托压在增大钻压后（如25t钻压），有时会突然出现憋泵现象，在上提钻具的过程中上提附加拉力会大于下放的压力。水平井在定向过程中，许多粘卡是因为托压后加压不当造成的，增加了钻井安全风险。

在实际施工中总结出：接单根、起钻作业时，上提拉力的大小既与井眼净化有关系，还与钻井液的摩阻系数有关系，摩阻系数越小钻具下滑的阻力也越小，反之越大，进而越容易产生托压现象。

2.5 地层交结

水平井钻进的过程中，岩性变化的地层交界处会发生交结改变，尤其是新钻开的井眼，其井壁不光滑，定向的时候钻具及钻具中较粗的接头和扶正器容易在地层的交结改变处被卡住，造成托压现象。地层造浆极易发生在泥页岩地层，泥岩会发生水化作用，而钻具在淤泥当中钻进时，极易出现粘托与钻头泥包的问题，进而导致托压现象的出现。

3 水平井托压现象的解决措施

3.1 保持井眼清洁、提高钻井液携岩能力

大庆油田近年来施工的水平井中基本都采用PDC钻头+螺杆+随钻仪器的快速钻井技术，进尺相对较快，岩屑研磨的较细，这给井眼净化带来一定的难度。在提高钻井液的携岩能力的同时，井队结合机械钻速的快慢，在进尺200~300m井段便要进行一次短起下作业，在钻进一段时间之后要进行一次长起下作业，使得井下沉积的岩屑，从井底和井壁上分离出来，清洁井眼，减少托压现象产生的机率。在钻井设备允许的情况下，加大钻井液泵的排量，提高钻井液的上返速度，为岩屑返出创造有利条件。

实时观察井下钻井液返砂情况，及时调整钻井液的流变参数，实践经验证实对于低固相聚合物钻井液来说，钻井液的动塑比要控制在0.42~0.50之间，对岩屑的携带效果较好；对于钻井液粘切方面，水平井粘度控制在48s以上，钻井液粘切高有利于阻止钻屑的垂直沉降。

3.2 控制好井眼轨迹、优化钻具组合

水平井施工中，针对井眼轨迹差的情况产生的托压现象，优化钻具组合是最有效的解决措施，减少钻铤数量，降低钻具的刚性，增加加重钻杆的数量，减少钻具与泥饼的接触面积，防止托压和粘卡。在井斜达到45°以后采用倒装钻具：钻头+马达+LWD+无磁钻杆+加重钻杆，整个钻具组合中不含钻铤，钻具中马达+LWD加起来18m左右，这样的钻具组合钢性不强；钻头+旋转导向工具+无磁钻杆+马达+震击器+加重钻杆，这种钻具结构钢性也不强，但是旋转导向工具它能提供近钻头井斜，测点距离井底1.0~1.8m左右（见表1），施工人员能有效地控制井眼轨迹，平滑井眼，提高钻井时效，在满足地质需求的同时也满足工程要求；在特殊的情况下还可以在钻具组合中加入水力振荡器、液动旋冲工具、扭摆工具等，这些工具在现场施工中也起到了很好的效果。

表1 大庆油田在用旋转导向工具参数表

狗腿度的大小对托压现象的影响也很大，可以通过以下方法控制狗腿度：

（1）钻井过程中选用具有动态井斜的LWD或者旋转导向随钻仪器，实时监测井斜、方位以及随钻测井曲线的变化趋势，及时调整井斜、方位，避免急增、急降井斜造成的局部狗腿度偏大的问题。

（2）在造斜率较大的井段要进行多次划眼作业，既能保证井眼扩大率，又能预防键槽的出现，岩屑还能及时返出井筒，清洁井眼。

（3）在轨迹控制过程中，测点要加密，采取“勤定、少定”的原则。在定向井段保证工具面的位置要合理，避免在水平段中调整方位，使井眼轨迹平滑。

（4）在使用PDC钻头增斜造成托压时应改用牙轮钻头，钻进过程中采用滑动钻进和复合钻进相结合的方法调整井斜、方位。

3.3 针对泥饼虚厚、钻井液的摩阻系数大造成托压现象的解决方法[3]

原油是在钻井施工中广泛应用的润滑剂，为了提高钻井液的润滑性，施工过程中一般都会加入原油，但是原油的加入会使泥饼的质量变差，因此要控制好原油的加入量，现场一般控制在3%~5%，最多不能超过9%~10%。为了改善泥饼质量，可以在钻井液中加入磺化沥青、酚醛树脂等材料。泥饼质量越好，因托压而造成的粘卡现象就越少。水平井中硬地层定向时产生托压时一次加入200~300kg膨化石墨，对降低因润滑性差产生的托压有很好的效果；另外膨化石墨配合润滑剂使用可以降低钻具的扭矩。

具体的解决方法：

（1）在钻井液中增加液体润滑剂和固体润滑剂的用量，使粘滞系数小于0.06，实现低摩阻、低扭矩钻进。

（2）为了在井壁上形成致密泥饼，减少钻具在井壁上的粘附性，在钻井液中加入超细钙ZDS-1和乳化沥青SFT-1等各种降失水剂。

（3）通过观察不粘筛布钻屑成型度、钻井液性能的稳定性等确保钻井液具有足够的抑制性。

（4）利用聚合醇的润滑性、清洁性、抑制性与无机盐复配，在钻具与井壁上形成牢固的复合膜增强润滑性。

（5）通过清除—加重—清除的措施来调整钻井液中固相比例。加大固控设备使用频率，特别是离心机的使用，减少钻井液中的亚微粒子浓度。

3.4 针对地层交结产生托压现象的解决方法

首先现场施工人员要具有结合施工实际判断造成托压现象的能力，给出托压现象产生的原因为地层交结的原因。而判断的主要依据是之前的钻时，同时结合之前施工钻进作业措施，如果之前施工定向频率不大，整体摩阻不大，且钻速时快时慢，井下工具工作正常；地质录井描述岩屑的岩性发生变化，此时定向钻进过程中出现托压现象，就要判断为地层交结原因，那么在后续施工过程中钻完单根或者立柱后需要上下多划几次井眼，平滑井壁，将井筒内的岩屑返出地面，直至不再出现托压现象。如果地质条件允许的情况下可先复合钻进1~2m再定向。通过以上操作一般就能解决地层交结产生的托压现象（例如在2020年1月大庆油田采油七厂的一口葡字号的水平井水平段施工中，采用G3旋转导向工具施工，钻时正常，井下工具等一切正常，在井眼轨迹钻出砂岩储层后，地层岩性由细砂岩变成紫红色泥岩，在轨迹追层的过程中，钻井参数不变的情况下，定向机械钻速在0.0~0.2m/h之间，综合信息判断为地层交结产生的托压现象，后续施工过程中钻具组合中加入液动旋冲工具，先复合钻进再定向钻进，多次划眼作业，完美地解决了托压现象，恢复正常钻进）。

4 结束语

综上所述，水平井托压现象主要是因为钻井液性能、井眼轨迹、钻具组合不合理以及地层岩性变化等多种因素所致，对现场施工产生诸多不利影响，在水平井的钻进过程中，需要及时地对井眼轨迹进行优化，尽可能多进行划眼作业，增强钻井液的润滑性，有效地改善泥饼的整体质量，才能避免托压现象的产生，实现安全、快速完成钻井作业的目的。