周祥林，張麒麟，惠正文，崔玉娜，雷建宗，韓濤，甄劍武

（1.中國石化中原石油工程有限公司國內(nèi)外部市場管理委員會，河南濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；3.中國石化中原石油工程有限公司鉆井三公司，河南濮陽 457001；4.中國石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司，河南濮陽 457001）

查干凹陷火山巖與泥巖地層安全鉆井影響因素分析

周祥林1，張麒麟2，惠正文3，崔玉娜4，雷建宗3，韓濤3，甄劍武2

（1.中國石化中原石油工程有限公司國內(nèi)外部市場管理委員會，河南濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；3.中國石化中原石油工程有限公司鉆井三公司，河南濮陽 457001；4.中國石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司，河南濮陽 457001）

中原油田內(nèi)蒙探區(qū)查干凹陷火山巖地層發(fā)育，同一裸眼段含有大段玄武巖、凝灰?guī)r、泥巖與砂巖互層，地質(zhì)條件變化大且難以預測，在鉆井過程中易出現(xiàn)井壁垮塌、縮徑、卡鉆、井斜等復雜情況，嚴重影響安全鉆井。針對這些施工難點，根據(jù)“預防+鞏固”的井壁穩(wěn)定思路，從鉆井液類型、密度、流變性以及鉆進方式、鉆壓、軌跡控制和現(xiàn)場操作等方面著手，開展了火山巖與泥巖地層安全鉆井影響因素分析和現(xiàn)場應用，提出了針對性的技術(shù)措施，取得了明顯成效。2口應用井較對比井鉆井液密度降低0.1 g/cm3以上，鉆井周期縮短20%以上，井徑擴大率降低50%以上，實現(xiàn)了查干凹陷深探井安全鉆進。

硅酸鹽；鉆井液；火山巖；泥巖；井眼穩(wěn)定；安全鉆井；查干凹陷

國內(nèi)各油氣區(qū)塊鉆遇火山巖和與其互層的泥巖地層時，經(jīng)常出現(xiàn)井壁坍塌掉塊、井眼縮徑、井漏、憋泵、卡鉆和埋井下鉆具等復雜情況，延長了鉆井周期，增加了鉆井風險和成本，制約了油氣勘探開發(fā)進度[1-3]。中原油田內(nèi)蒙查干凹陷火山巖地層發(fā)育，玄武巖、凝灰?guī)r、泥巖與砂巖互層發(fā)育，容易坍塌掉塊和縮徑。為防止玄武巖坍塌，通常被動地采取提高鉆井液密度的方法來維持鉆井液對井壁的支撐力度，但井壁失穩(wěn)和井下復雜情況依然較為嚴重，常有大量玄武巖掉塊返出地面，影響鉆井時效。為了實現(xiàn)火山巖地層的安全鉆井，需要分析其主要影響因素，為現(xiàn)場應用提供指導。

1 鉆井難點

查干凹陷主要層位為蘇紅圖組（蘇二段、蘇一段）和巴音戈壁組（巴二段、巴一段）。蘇紅圖組存在大段火山巖、泥巖與砂巖互層，火山巖巖性復雜，主要為玄武巖、安山巖、火山角礫巖和凝灰?guī)r，以玄武巖最為發(fā)育，埋深在1 000～2 800m。巴音戈壁組以泥巖、砂礫巖和粉砂巖為主。目前查干凹陷存在的鉆井難點主要為:

1）火山巖地層井壁穩(wěn)定性差，易坍塌[4]?；鹕綆r和泥巖互層頻繁、泥巖和凝灰?guī)r水化膨脹減弱了對玄武巖基體的支撐，巖石基體之間由于膨脹應力而相互推擠導致基體沿縫面滑移、崩塌。火山巖裂縫發(fā)育，且較為破碎[5-6]，原始坍塌壓力較高，一旦鉆井液侵入，將形成壓力傳遞，使井壁失去鉆井液的壓力支撐形成垮塌。

2）地層硬度高，研磨性強，可鉆性差，機械鉆速低，鉆具磨損嚴重。蘇紅圖組含有大段不連續(xù)的玄武巖，且多數(shù)地層都含礫巖。巴音戈壁組砂礫巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖、砂泥巖的巖石抗壓強度高達241.325MPa，研磨性極強。選用的PDC、牙輪鉆頭單只進尺40～80m，使用時間約50 h，嚴重制約了PDC、牙輪鉆頭的效率。

3）地層傾角大，井斜控制困難。火山巖地層傾角大，可鉆性差，采用常規(guī)鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)輕壓吊打，雖然限制了鉆壓，但導致機械鉆速較低，現(xiàn)場實鉆情況表明，直井段井斜依然難以控制。多次下螺桿鉆具的防斜、糾斜效果不明顯，井眼軌跡復雜，井下復雜情況時有發(fā)生，延長了鉆井周期，增加了鉆井成本。

2 井眼穩(wěn)定性影響因素

查干凹陷幾乎所有探井在鉆井過程中，均發(fā)生井筒完整性問題，諸如火山巖坍塌、泥頁巖坍塌和縮徑及卡鉆等，從而占據(jù)了大量的非生產(chǎn)時間，嚴重妨礙了正常的鉆進作業(yè)，甚至填井重鉆，造成較大的經(jīng)濟損失。井壁穩(wěn)定問題要從工程和鉆井液等多方面給予考慮，應通過“預防+鞏固”的方式采取系統(tǒng)對策[7-8]，鉆開地層初期采取必要的“預防”措施，再通過“鞏固”措施解決后期的井壁穩(wěn)定問題。

2.1 鉆井液因素

如果鉆井液設(shè)計時能考慮通過井壁封固等技術(shù)加固脆弱地層，以提高井壁的穩(wěn)定性，就可有效降低鉆井液密度，促進鉆井提速并保證井下安全。

2.1.1 鉆井液體系

查干凹陷探井先后應用了聚磺鉆井液、高鈣鹽鉆井液和硅酸鹽鉆井液體系鉆進。聚磺鉆井液缺乏足夠的抑制性，火山巖和泥巖垮塌較為嚴重，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆具現(xiàn)象，甚至個別井填井重鉆。高鈣鹽鉆井液具有較強的抑制性[9]，有效抑制了泥巖地層的造漿，但依然出現(xiàn)了玄武巖、凝灰?guī)r掉塊和井下劃眼問題，直到鉆井液密度逐步提高到1.44 g/cm3。硅酸鹽鉆井液是一種具有強抑制性、化學固壁和封堵作用的水基鉆井液，可在火山巖裂縫交界面及泥頁巖中發(fā)生膠凝、沉積和膠結(jié)，形成一層類似水泥的封固殼，加固近井地帶[10-11]。

使用常規(guī)聚磺鉆井液和高鈣鹽鉆井液體系的完鉆井，井徑擴大率多在10%以上；而同區(qū)塊使用硅酸鈉鉆井液體系鉆成的意7井和意11井，井徑擴大率分別只有6.20%和5.61%（見表1），井徑規(guī)則，復雜時效由平均5.73%降低到1.40%。意7井鉆井周期為33.63 d，較同區(qū)塊井深2 000～3 000m鄰井的平均鉆井周期縮短16.00 d，意11井鉆井周期為83.67 d，較3 000m以上深井的平均鉆井周期縮短26.13 d，二者鉆井周期均縮短20%以上。硅酸鹽鉆井液的現(xiàn)場成功應用，體現(xiàn)出其對玄武巖、凝灰?guī)r、泥巖地層較好的井壁穩(wěn)定效果，優(yōu)于常規(guī)聚磺和高鈣鹽鉆井液，滿足了查干凹陷火山巖地層安全鉆進和鉆井提速的目的。由此可見，采用適合的鉆井液體系對于預防井壁垮塌、減少井下復雜情況具有重要作用。

表1 井徑擴大率對比

2.1.2 鉆井液密度

在鉆進過程中經(jīng)常遇到的井壁坍塌、縮徑、遇阻、卡鉆、埋鉆事故等復雜情況，都表現(xiàn)為井眼失穩(wěn)?；鹕綆r地層屬于力學性質(zhì)不穩(wěn)定地層，內(nèi)部裂縫發(fā)育，一旦鉆穿，就會破壞原有的受力平衡，在重力和擠壓力的作用下發(fā)生坍塌。此時，即使鉆井液性能再好，也很難在第一時間起到穩(wěn)定井壁的作用。

查干凹陷實鉆情況表明，蘇紅圖組火山巖井壁失穩(wěn)屬于應力型坍塌，鉆開地層初期鉆井液密度如低于1.30 g/cm3，就會發(fā)生井壁掉塊。常規(guī)的聚磺鉆井液鉆開火山巖地層后，無法持續(xù)保證井壁穩(wěn)定，致使上部的火山巖和泥巖地層相繼垮塌；為保證安全鉆進只能不斷提高密度，3 000m以上深井鉆井液密度均在1.40 g/ cm3以上，最高達1.47 g/cm3。通過與該區(qū)塊相似井深的井對比，使用硅酸鹽鉆井液的意7井和意11井，在井深超過2 000m和3 000m的井中，鉆井液密度最低。意11井以二開井身結(jié)構(gòu)鉆至3 500 m，裸眼段長度3 000m，技術(shù)難度大，鉆井液密度始終控制在1.32g/cm3以內(nèi)，平均降低鉆井液密度0.1 g/cm3以上（見表2）。這表明硅酸鹽鉆井液適合查干凹陷火山巖和泥巖的鉆井要求，簡化了井身結(jié)構(gòu)，降低了鉆井、套管及固井費用，具有較大的優(yōu)勢。

表2 鉆井液密度對比

通過強化查干凹陷火山巖和泥巖地層的抑制和封固，可以有效提高地層的穩(wěn)定性。從“預防”的角度考慮，以適當?shù)你@井液密度（1.30～1.35 g/cm3）打開火山巖地層，是保持井下安全的首要選擇。從“鞏固”的角度出發(fā)，鉆井液對近井地帶實施有效的封堵和固結(jié)，可以較低的密度持續(xù)實施安全鉆進。

2.1.3 鉆井液流變性

合理的鉆井液流變性是井下安全的有效保障，對玄武巖、凝灰?guī)r井段的井壁穩(wěn)定具有明顯的影響，既可減輕鉆井液對井壁的沖蝕，又能實現(xiàn)對玄武巖掉塊和鉆屑的良好懸浮和攜帶。意7井鉆井液黏切的調(diào)整經(jīng)歷了2個階段:

1）低黏切階段。鉆井液黏度維持在60～80 s，初/終切維持在1.5/2.5～2.0/5.0Pa/Pa，動塑比小于0.30。該性能可以滿足泥巖和粉砂巖的攜巖需要，但玄武巖掉塊的大小通常在1～2 cm，較低的黏切很難將其完全帶出地面，時常發(fā)生憋鉆和憋泵情況，同時鉆井液對玄武巖井壁的沖刷也加劇了井壁掉塊情況的發(fā)生，鉆井液維護和處理比較被動。

2）高黏切階段。適當提高鉆井液黏度在90～110 s，初/終切在3.0/7.0～4.0/8.0 Pa/Pa，動塑比提高到0.35以上。該性能對于玄武巖掉塊具有良好的懸浮和攜帶作用，由于在井壁具有一定的滯留能力，也相應起到了保護井壁的作用，基本上能滿足安全鉆井的需要（見表3）。

表3 意7井硅酸鹽鉆井液性能

2.2 鉆井工程因素

2.2.1 鉆頭、螺桿和鉆壓的選擇

鉆頭的選型、螺桿的使用以及實施的鉆壓都會對井壁產(chǎn)生重要影響[12]。牙輪鉆頭主要依靠沖擊力對地層巖石起到破壞作用，鉆壓一般較高（180～220 kN），鉆頭在破巖過程中對新井眼具有沖擊作用，對于玄武巖這類應力型崩塌的巖石，井壁掉塊在所難免，表現(xiàn)為鉆頭憋鉆、打倒車。同時高鉆壓造成鉆桿在井眼內(nèi)對井壁的沖擊力度加大，更易造成上部玄武巖地層在撞擊下破碎掉塊，現(xiàn)場集中表現(xiàn)為泵壓升高、上提困難等。PDC鉆頭+螺桿雙驅(qū)組合的特點是高轉(zhuǎn)速、低鉆壓，鉆壓一般為100～120 kN，鉆具對井壁的沖擊力度小，上部地層比較穩(wěn)定。PDC鉆頭對巖石以切削為主，對井底圍巖的沖擊小，鉆頭周圍的井壁相對穩(wěn)定，使得PDC鉆頭+螺桿組合在火山巖地層鉆進取得了較好的井壁穩(wěn)定效果。但由于地層中普遍存在礫石，PDC鉆頭極易磨損，因此對地層巖性的要求較高。意7井1 305～1 676m井段使用PDC+螺桿鉆具，進尺371m，純鉆42.08 h，機械鉆速8.82m/h，創(chuàng)查干凹陷二開PDC單只鉆頭進尺最多、鉆速最快的記錄。該井段分布184m的火山巖以及大段的泥巖，井徑擴大率4.94%，而蘇紅圖組的平均井徑擴大率為7.53%，可見PDC+螺桿鉆具實施低鉆壓和高轉(zhuǎn)速對火山巖井段井壁穩(wěn)定的作用十分明顯（見圖1）。

圖1 意7井蘇紅圖組井徑曲線

2.2.2 軌跡控制

對于直井，井斜始終保持在設(shè)計范圍內(nèi)非常重要，一旦井斜角過大，容易增加鉆井過程中的摩阻和井下復雜情況。查干凹陷蘇紅圖組和巴音戈壁組地層傾角大，井斜控制難度大，機械鉆速低，井斜角超出設(shè)計范圍。為糾斜造成的狗腿度對井壁穩(wěn)定影響很大，容易造成“大肚子”井段，影響井下安全。意7井最大井斜/井深為5.79°/1 672.5m，在1 676～1 785m井段采用牙輪鉆頭+螺桿鉆具組合實施糾斜，該井段井徑擴大率達到16.64%，明顯大于前后井段（見圖1）。意11井最大井斜/井深為7.21°/2 059.7m，在1 909～2 360m井段采用0.75°的螺桿實施糾斜，井斜角由最大的7.21°降至3.41°，該井段井徑擴大率達到9.96%，而蘇紅圖組平均井徑擴大率只有5.84%，說明防斜打直對火山巖的井壁穩(wěn)定非常重要（見圖2）。

圖2 意11井蘇紅圖組井徑曲線

2.2.3 起下鉆操作

起下鉆特別是變換鉆具組合時，鉆具對井壁的剮蹭作用十分明顯，不僅容易剮掉井壁原有的舊泥餅，而且使得尚未穩(wěn)定的地層出現(xiàn)新的掉塊和坍塌，現(xiàn)場表現(xiàn)為下鉆遇阻和井底沉砂；井壁破壞嚴重，劃眼時間長，開泵循環(huán)振動篩返出掉塊多且尺寸大，嚴重影響鉆進時效。因此，起下鉆時要操作規(guī)范，減小起下鉆的抽吸、激動壓力，盡量降低鉆柱的振動，減少其對井壁的破壞。由此可見，火山巖地層井壁穩(wěn)定是一項系統(tǒng)工程，只有從地質(zhì)、工程和鉆井液等各個方面進行控制，才能收到良好的綜合效果。

3 結(jié)論

1）火山巖地層井壁失穩(wěn)主要是由火山巖應力型坍塌以及泥巖與火山巖失去相互支撐引起的，與地層分布、巖石特性和鉆井液類型、密度、流變性及鉆井工程措施等因素密切相關(guān)。采取“預防+鞏固”的方式，全方面開展系統(tǒng)分析和應對，有助于提高井壁穩(wěn)定性。

2）硅酸鹽鉆井液具有較強的抑制泥巖水化分散和封固火山巖的能力，流變性控制合理，井眼凈化和抗黏土污染能力強，能以較低的鉆井液密度實現(xiàn)安全鉆進。

3）查干凹陷地層復雜，鉆具組合的選擇、鉆進參數(shù)的優(yōu)化、井斜的控制以及作業(yè)技能都會對井壁穩(wěn)定和安全鉆進造成影響。開展火山巖地層快速鉆進優(yōu)化配套技術(shù)研究，將有利于提高查干凹陷的鉆井速度和綜合效益。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Influence factor analysisof safe drilling for volcanic rock andmudstone formation in Chagan Depression

Zhou Xianglin1,Zhang Qilin2,Hui Zhengwen3,Cui Yuna4,Lei Jianzong3,Han Tao3,Zhen Jianwu2(1.External M arket M anagem ent Comm ittee,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China; 2.Research Institute of Drilling Engineering and Technology,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China;3.No.3 Drilling Com pany,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China; 4.Geophysical W ireline Logging Com pany,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China)

The volcanic formations develop in Chagan Depression of Inner Mongolia exploration area operated by Zhongyuan Oilfield.There are thick basalts,tuffs andmudstoneand sandstone interbedding in the sameopen hole section.Geology condition is difficult to be predicted.In the process of drilling,the down hole complex situationssuch aswall collapse,hole shrinkage,sticking accidents and hole deviation easily occur,which seriously affects safe drilling.Aimed at these difficulties,based on the thought of prevention and consolidation and from several parts of drilling fluid type,density,viscosity and drillingmethod,weight on bit, trajectory control and field operation,this paper analyzed the influence factor of safe drilling for volcanic rock and mudstone formation and put forward the corresponding technicalmeasures,getting a obvious effect.Compared with the correlation wells,the drilling fluid density of two applying wells reduced by more than 0.1 g/cm3,the drilling cycle shortened bymore than 20%and the holeenlargement ratio decreased bymore than 50%,achieving the safe drilling ofdeep exploringwells in Chagan Depression.

silicate;drilling fluid;volcanic rock;mudstone;borehole stability;safe drilling;Chagan Depression

中國石化集團先導試驗項目“硅酸鹽防塌鉆井液在內(nèi)蒙查干深層應用研究”（SG12033）

TE254

A

2013-05-20；改回日期：2013-09-15。

周祥林，男，1961年生，高級工程師，1983年畢業(yè)于石油大學（華東）鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井管理工作。E-mail: ZYZJZHOU@163.com。

周祥林，張麒麟，惠正文，等.查干凹陷火山巖與泥巖地層安全鉆井影響因素分析[J].斷塊油氣田，2013，20（6）:813-816.

Zhou Xianglin，Zhang Qilin，Hui Zhengwen，et al.Influence factor analysis of safe drilling for volcanic rock and mudstone formation in Chagan Depression[J].Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:813-816.

10.6056/dkyqt201306035