黃佩，馬志忠，袁則名，和鵬飛，王喜杰

1.中國石化股份有限公司上海海洋油氣分公司 (上海 200335)

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 (天津 300452）

井壁失穩(wěn)是鉆井過程中常常遇見的難題之一，尤其在鉆遇泥頁巖井段。井壁失穩(wěn)問題一直是鉆井過程中較為重要的問題，如果在鉆井過程中出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等問題勢必會給其帶來較為嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。井壁失穩(wěn)問題具有普遍性，據(jù)統(tǒng)計，鉆遇地層中的75%由泥頁巖組成，而涉及井壁穩(wěn)定問題中的90%更是由泥頁巖失穩(wěn)導(dǎo)致的[1-3]。東海西湖凹陷區(qū)塊位于上海市東向約300 km，在該區(qū)域勘探開發(fā)作業(yè)過程中，井壁失穩(wěn)極易造成鉆井遇阻、卡鉆、井漏等情況，嚴(yán)重影響鉆井安全和鉆井時效，因此有必要在探井、開發(fā)井開鉆前，參考鄰近已鉆井?dāng)?shù)據(jù)資料，精確評估鉆井的井壁穩(wěn)定性，分析潛在危險，有針對性地提出有效預(yù)防鉆井事故的措施、優(yōu)化鉆井方案與施工的建議，達到安全、高效的鉆井目的。

1 區(qū)域地質(zhì)情況

1.1 地應(yīng)力

根據(jù)地震剖面及成像測井資料，地應(yīng)力方向及大小為：FMI成像分析水平最大應(yīng)力方位N800～950E。區(qū)域內(nèi)斷層較為發(fā)育，在垂深大于3 500 m時上覆巖石應(yīng)力(最大水平應(yīng)力)最小水平應(yīng)力，伴生天然裂縫、微裂縫。

1.2 地層溫度及壓力系統(tǒng)

近年實鉆探井平均地溫梯度為3.0～3.8°/100 m，地層孔隙壓力在0.92～1.90 g/cm3。

1.3 地質(zhì)分層及巖性

區(qū)域內(nèi)自上而下依次揭開東海群、三潭組、柳浪組、玉泉組、龍井組、花港組、平湖組合寶石組。具體巖性見表1。

2 井壁穩(wěn)定難點及應(yīng)對技術(shù)思路

該區(qū)域主力油氣層分布于花港組及平湖組以下，埋藏深度3 000～5 000 m，裂縫性地層與煤夾層發(fā)育，上部常壓但下部地層孔隙壓力存在異常高壓（NB-1井實際鉆遇地層孔隙壓力2.1 g/cm3）。鉆井工程中常規(guī)采用四開或五開井身結(jié)構(gòu)，對技術(shù)套管的下深要求較高，實際施工面臨的技術(shù)難點就是裸眼井段長、井壁穩(wěn)定難度大，龍井組、花港組井壁坍塌失穩(wěn)較為嚴(yán)重。根據(jù)不同地層的失穩(wěn)機理，制定了相應(yīng)的技術(shù)思路。

2.1 泥巖失穩(wěn)機理及應(yīng)對技術(shù)思路

區(qū)域內(nèi)玉泉泉組、龍井組泥巖水化率高，下部花港組砂泥巖互層膠結(jié)致密，砂巖含細礫且研磨性強，泥頁巖、脆性泥巖微裂縫發(fā)育，吸水后易膨脹坍塌掉塊。

表1 地層層位劃分及巖性

泥頁巖失穩(wěn)機理主要為：①鉆開地層自身水化膨脹膨脹力推擠產(chǎn)生微裂縫；②地應(yīng)力天然微裂縫發(fā)育。由于裂縫擴大，進一步加劇液相侵入和水化膨脹，井壁圍巖強度和應(yīng)力狀態(tài)改變，其膨脹壓遠高于地層坍塌壓力和鉆井液密度，最終井壁力學(xué)失穩(wěn)，造成鉆具遇阻卡復(fù)雜情況甚至埋鉆事故。重點是對地層裂隙裂縫及泥巖納微米級縫孔的有效封堵。泥頁巖滲透率極低，僅少量濾液侵入，即可導(dǎo)致井壁圍巖內(nèi)孔隙壓力顯著提高，降低有效應(yīng)力支撐作用，導(dǎo)致井壁力學(xué)失穩(wěn)問題。因此常規(guī)封堵材料適應(yīng)性較差，應(yīng)從成膜劑、從納米到微米不同粒徑架橋納米封堵、抑制劑等多方面著手設(shè)計鉆井液。同時上部井段鉆速快，泥巖水化對鉆井液性能穩(wěn)定維護要求高；下部巖屑研磨顆粒細固相較難控制，現(xiàn)場需根據(jù)不同情況及時改變固控設(shè)備參數(shù)、膠液補充量等處理思路來應(yīng)對。

2.2 砂、泥巖互層失穩(wěn)機理及應(yīng)對技術(shù)思路

砂、泥巖互層失穩(wěn)機理主要為：鉆井井液通過滲透性砂巖大量濾失和滲漏，液相侵入井壁后夾層產(chǎn)生泥巖水化膨脹。選擇適合的成膜劑與封堵劑，加強對砂巖的有效封堵，減少液相濾失，形成優(yōu)質(zhì)泥餅。

2.3 煤層失穩(wěn)機理及應(yīng)對技術(shù)思路

煤巖對機械力作用十分敏感，由于受到泥頁巖夾層的膨脹推擠，極易破碎。另外，微觀范圍內(nèi)，存在于煤孔隙和裂縫中黏土礦物膨脹，膠結(jié)物、無機鹽的分散溶解，也是導(dǎo)致煤層失穩(wěn)的主要誘因。龍井至平湖組薄煤層較為發(fā)育，為解決煤層的井壁失穩(wěn)問題主要是對砂泥巖、煤層的封堵及泥巖的為重點，降低膨脹對煤層的推擠，降低煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，同時，應(yīng)避免為平衡地層坍塌壓力，過高ECD導(dǎo)致薄弱煤層井漏[4-7]。

3 工程實踐應(yīng)用及效果分析

根據(jù)地層的失穩(wěn)機理和應(yīng)對原則，從鉆井液體系選擇和不斷優(yōu)化的角度出發(fā)，2010年至2016年，共作業(yè)探井42口，311.15 mm(12.25″)井段中，使用了PEM鉆井液體系、低自由水鉆井液體系、反滲透鉆井液體系。

3.1 已使用鉆井液體系介紹

3.1.1 PEM鉆井液

在PEM鉆井液體系中，PLUS是帶陰離子功能團的聚丙烯酰胺，能選擇性對鉆井液中有害固相清除，保留了微顆粒的分散態(tài)。同時配合K+的強抑制性，抑制易水化分散地層造漿，使鉆井液體系性能穩(wěn)定，鉆屑成型。但在砂泥巖互層井段中鉆進，由于鉆井液體系中微顆粒封堵性、成壁性欠佳，裸眼浸泡周期長，自由水侵入地層容易造成井壁失穩(wěn)。

3.1.2 低自由水鉆井液

該體系是由PEM鉆井液體系升級，主劑為絡(luò)合劑以及超細封堵材料，其中絡(luò)合劑是適度交聯(lián)的聚電解質(zhì)，由高分子電解質(zhì)離子網(wǎng)絡(luò)組成，當(dāng)遇水時，發(fā)生離解生成陰、陽離子，極性離子基團與水分子通過配位鍵形成的結(jié)合水，結(jié)合水再與水分子通過氫鍵形成的結(jié)合水層即束縛水。該體系不足之處由于絡(luò)合劑是大分子材料，水分子在泥漿靜液柱壓差的水驅(qū)力下滲透入地層后絡(luò)合劑會與水分子脫離，在地層孔隙中仍以游離水形態(tài)存在，所以該體系能在一定層度上起到束縛井筒內(nèi)鉆井液自由水、減緩水相進入地層孔隙的作用，但不能阻止泥質(zhì)物水化，因此仍然無法從本質(zhì)上解決井壁縮徑、垮塌等失穩(wěn)問題。

3.1.3 反滲透鉆井液

與低自由水鉆井液體系中絡(luò)合劑不同的是，鍵合劑為小分子材料能在水分子之間形成鍵連，能隨水相進入地層孔隙，起到始終束縛自由水分子的作用。理論上只要該材料達到與水分子較高的匹配濃度，是能夠阻止地層中泥質(zhì)物水化分散的，具備水基鉆井液代替油基鉆井液的可能性。同時，膠束封堵劑、微納固壁劑在井壁形成半透膜效應(yīng)、配合NaCl、KCl高鹽水鉆井液體系，并定量控制井下滲透壓差來平衡鉆井液與井壁地層的水驅(qū)動力以達到反滲透作用，進一步減少進入地層孔隙自由水量。

本體系具有較強抑制性，同時由于該體系的不分散性,為獲得鉆井液較高的切力和屈服值，需用高黏聚合物提高切力。目前低滲透鉆井液體系在區(qū)塊內(nèi)試用井?dāng)?shù)較少，但都取得不錯的效果。同時，該體系仍處于研究中期階段，其實用性還有待進一步檢驗。

3.2 已使用鉆井液體系效果對比

不同鉆井液體系使用效果對比如表2所示。

由表2可以看出，由于鉆井液的低失水，低自由水鉆井液及小分子鍵合劑隨水相進入地層，起到束縛自由水的作用。大大降低下套管遇阻的比例，提高生產(chǎn)效益。

4 結(jié)論

1）區(qū)塊內(nèi)柳浪組、玉泉組易水化分散，對鉆井液性能維護、固控裝置要求較高，但少有造成井下復(fù)雜情況。

2）龍井組、花港組、平湖組地層泥巖性硬脆，且含易水化膨脹礦物、應(yīng)力集中段有微裂縫發(fā)育、煤層發(fā)育，井壁失穩(wěn)后井筒內(nèi)堆積大量硬脆泥巖巖屑及掉塊是導(dǎo)致井下復(fù)雜情況發(fā)生的主要原因。

3）水基鉆井液體系的選擇應(yīng)考慮使用強封堵、強抑制、低失水、成膜護壁能力好的鉆井液體系。

4）揭開易失穩(wěn)地層前即收緊失水、封堵、抑制等各項鉆井液性能，預(yù)防易水化礦物吸水后膨脹壓劇增，鉆井液靜液柱壓無法平衡而導(dǎo)致地層失穩(wěn)。

5）適時短起下鉆檢驗井眼狀況，若井下出現(xiàn)縮徑、砂橋、虛泥餅等導(dǎo)致的復(fù)雜情況，應(yīng)根據(jù)不同情況調(diào)整鉆井液相應(yīng)性能，且整個短起、循環(huán)過程中若補充新膠液，不宜加入鹽類。一旦發(fā)生井壁失穩(wěn)、垮塌嚴(yán)重的情況，需采用分段循環(huán)，清除（輔以重、稠泥漿塞）井內(nèi)巖屑、掉塊的思路處理至井眼順暢。