塔河油田托甫台区块井壁稳定分析与探讨

2022-07-09舒沙飞

西部探矿工程 2022年6期

舒沙飞，叶诚

（中石化西北油田分公司石油工程监督中心，新疆轮台 841600）

1 井身结构

目前托甫台A 小区普遍采用四级井身结构，即一开使用444.5mm 钻头钻至1000m，下339.7mm 套管封隔第四系、上新近系，二开使用311.2mm钻头钻穿二叠系，进入石炭系卡拉沙依组中完，下入250.8mm+244.5mm 技术套管封隔白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系地层，三开使用215.9mm 钻头进入奥陶系一间房组4m 中完，钻遇石炭系、泥盆系、志留系，下入177.8mm尾管，四开使用149.2mm钻头钻至设计完钻井深。

2 钻井施工难点与探讨

2.1 施工难点

随机分析本区自2013年以来的近20口井，其中二叠系发生井漏4 井次，卡钻3 井次，因玄武岩掉块划眼困难填井侧钻1 井次；志留系累计井漏13 井次，卡钻3井次，填井侧钻1井次。

据统计，本区二叠系平均厚度200m 以上，其中上部为深灰、灰绿色英安岩，下部为灰黑色玄武岩。二叠系地层研磨性较强，可钻性差，对钻头磨损严重，且微裂缝发育，存在井漏及玄武岩剥落掉块导致卡钻的风险。志留系砂泥岩发育，层间交界面极易漏失，泥岩易垮塌，垮漏同层，钻井液密度安全窗口窄。已完钻井志留系柯坪塔格组平均井径扩大率达36.6%～49.50%，井壁失稳现象严重。

2.2 井壁失稳机理

据研究，玄武岩垮塌机理主要是受构造运动时产生的内部预应力未得到充分释放，地层内部受力不均衡，在被打开形成井眼后，原始平衡状态被破坏，压力向井眼释放而造成坍塌。其次是玄武岩地层存在非均质性，杏仁气孔构造发育，在钻井过程中随地层应力的释放或激动压力过大以及机械扰动作用，极易在杏仁体等处产生应力集中，而导致玄武岩地层的垮塌掉块。此外由于玄武岩微裂缝渗透率低，水力传导速率小，孔隙压力不能迅速传递出去，导致近井壁地层岩石孔隙压力升高，降低钻井液支撑井壁的有效压力，促使玄武岩井壁失稳坍塌[1]。

志留系泥岩硬脆，微裂缝、层理等弱面发育，易剥落产生片状掉块。根据“渗流—应力—化学耦合作用”理论，在压差、化学势力及毛细管效应的作用下[2]，钻井液及其滤液沿微裂缝和层理面的渗流导致的岩石力学强度改变是硬脆性泥岩垮塌的根本原因，受钻井液冲蚀和底部钻具组合扰动的影响，加剧井壁失稳[3]。

3 应对措施

3.1 钻井液体系优化与性能评价

根据区块施工经验，钻至下部地层井温80℃左右一般将钻井液转换为聚磺钻井液体系，增强钻井液的抗温性。考虑到本区块二叠系玄武岩及下部地层硬脆性泥岩的漏失以及剥落掉块，需要强化钻井液的封堵、防塌性能，通过助剂优选及性能评价，室内优化出抑制性较强的钾胺基聚磺钻井液体系，同时通过不同目数的刚性粒子来增强钻井液封堵能力。基本配方（质量分数）如下：4%膨润土浆+2%～3%SMP-3+2%TSH-2+3%～7%KCl+0.5%～1%聚胺+2%～3%超细碳酸钙（800～2500目）+2%FDL-2+2%SY-A01+重晶石。其中SMP-3为磺化酚醛树脂，TSH-2为改性褐煤树脂，FDL-1为随钻堵漏剂，SY-A01为乳化沥青。

3.2 钻井液密度选择

研究认为对于裂缝地层而言，钻井液密度过低或过高都容易引发井壁失稳：当钻井液密度过低时，井周应力超过地层强度，引起坍塌；钻井液密度过高则可能在裂缝性地层中无法形成有效滤饼，压力沿层理面或裂缝面传递，裂开的泥岩沿弱面剥落，最终井眼周围地层的强度和硬度随时间降低，造成进一步坍塌[4]。

本区二叠系火成岩裂隙发育，已完钻井施工密度在1.28～1.33g/cm3。二叠系钻井液密度的选择难点在于：一方面，当密度过低时，钻井液对井壁岩石提供的压力不足以支撑井壁，会造成井壁失稳；另一方面，密度过高，钻井液液柱压力超过地层孔隙压力时，会对岩石微裂隙尖端产生水力劈裂，降低三叠系近井壁硬脆泥岩的整体强度，同时也增加井漏风险。综合考虑在做好各类防塌措施的前提下，建议二叠系施工密度1.28～1.32g/cm3。

志留系硬脆性泥岩水化膨胀和水化分散对井壁稳定的影响较小[5]，主要考虑降低滤失量同时选择合适的密度提供井壁支撑来减少垮塌。因层间胶结原因，该段井漏多发生在塔塔埃尔塔格组与柯坪塔格组交界面附近。从以往施工情况来看，在做好随钻封堵的情况下，兼顾防漏失及垮塌，志留系施工密度选择1.32～1.35g/cm3。

需要注意的是，多口井在非钻进工况下造成井漏，因此在压力敏感地层应特别注意工程操作，避免人为井漏。本区块不同密度下的施工情况见表1。

表1 不同密度下二叠系及志留系施工情况

3.3 防漏措施

提前封堵微裂缝。进入易漏地层之前一次性加入5%～10%左右随钻封堵材料，后续根据井下消耗情况及时补充，钻进期间使用适当目数的振动筛筛布，以保证井浆中一定的随钻堵漏材料。考虑井温及压力，应多选择非矿物类刚性（超细目碳酸钙等）及弹性堵漏材料，避免碳化失效，同时为兼顾防塌，使用与地层温度匹配的软化点沥青；每次起钻前做好对漏失层的封堵。封闭浆选择井浆+1%抗高温大分子聚合物+2%～3%抗高温纤维+1%～2%单封+1%～2%SQD-98+2%高软化点沥青+1%～2%超细碳酸钙。

优化流变性。采用钾胺基聚磺钻井液体系。转型前清除劣质固相，保持适当坂含，注重氯化钾的使用，保持二叠系氯化钾浓度3%，志留系井段3%～5%，在保证抑制性的同时保持较低的粘切以降低循环压耗，控制ECD；控制高温高压失水及泥饼质量。

此外恶性漏失可能造成地面钻井液不足，起钻遇卡时不能持续开泵导致掉块不能有效带出，形成埋钻、卡钻，因此漏失层钻进期间有必要储备一定量的钻井液，保证井下安全。

3.4 防塌措施

采取“多元协同”的防塌措施。井浆内聚胺抑制剂有效含量0.5%左右，KCl 加量5%左右，钻井液中钾离子含量大于15000mg/L，选用高软化点沥青复配聚合醇等防塌抑制剂，有效含量5%左右。控制高温高压失水及泥饼质量。优选抗温降滤失剂控制高温高压失水10mL 以内减少滤液入侵对井壁应力的影响。做好随钻封堵，使用超细目碳酸钙封堵微裂缝，强化钻井液的随钻堵漏措施，合理调整钻井液的流变性，有效地提高钻井液的携岩效果。根据实钻情况适当调整钻井液密度，抑制掉块，降低井下风险。

3.5 工程措施

压力敏感地层应注意工程操作，减小压力激动，避免人为导致井壁失稳，造成井漏、井塌等复杂故障。

二叠系：①钻至二叠系前充分循环泥浆做一次短起下，对上部地层遇阻卡井段认真处理，确保上部井眼畅通；②二叠系火成岩可钻性差，对PDC 钻头磨损严重，推荐使用混合钻头，该钻头兼具牙轮钻头和PDC钻头的特点，机械钻速高，寿命长。③简化钻具结构，钻进至二叠系时根据井下实际情况决定是否甩掉扶正器。在钻进过程中严格控制钻井参数，在满足携砂的前提下适当降低排量，防止因机械原因导致地层垮塌掉块。④在二叠系起下钻时，严格控制起下钻速度，上提不要超过10t，若阻卡严重，应及时接方钻杆开泵上提。起钻严格按照规范灌浆，避免因液柱压力降低造成井壁失稳。

志留系：①志留系钻进期间根据井下实际情况决定是否短起下，短起下原则是起至无挂卡的正常井段；②复合钻进时钻速较快，做到早开泵晚停泵，每钻完一根单根划眼一次，每次划眼时要将方补心提出转盘面以上3m；③提前做好接单根前的准备工作，接单根时间要在4min 以内；钻速快时，接单根前进行适当循环1～3min，确保岩屑有较高返高，预防沉砂卡钻；井深时接单根必须活动转盘，防止粘卡；接完单根应及时下放活动钻具正常后，再开泵恢复钻进。

4 现场应用

G 井二叠系厚度210m，为保证该井段施工安全，基于以上研究结果，进入三叠系后，使用钾胺基聚磺钻井液体系，钻井液密度提至1.28g/cm3，沥青类防塌剂加量3%左右，进入二叠系前在三叠系封堵的基础上，控制QS-2 的加量在5%以上，井浆中追加1%～2%的沥青，1%随钻堵漏剂，提高钻井液的封堵性能，控制中压失水不大于4mL、高温高压失水不大于12mL，钾离子含量维持15000mg/L，起钻前大排量循环1.5～2 循环周，掉块多时先用稠浆携砂，正式起钻前泵入封闭浆封闭易垮塌井段。起钻连续灌浆，严格控制易垮塌井段起下钻速度，下钻过程中根据情况分段顶通循环。

三开志留系钻井液密度1.33g/cm3，钻井液中补充聚胺抑制剂0.5%左右，KCl 加量7%左右，钻井液中钾离子含量大于26500mg/L，高软化点沥青加量3%左右。控制高温高压失水8～10mL 以内。结合以上措施，二叠系及志留系施工正常，志留系平均井径扩大率8.3%。该井实际钻井液性能见表2。