李文志

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163000）

1 鉆井過(guò)程中的托壓現(xiàn)象及危害性

近年來(lái)，大慶油田的水平井鉆井工程數(shù)量逐年增加，規(guī)模逐漸擴(kuò)大，在定向鉆井中出現(xiàn)最多的問(wèn)題就是托壓現(xiàn)象；從隨鉆測(cè)井地面?zhèn)鞲衅骷熬C合錄井儀器地面?zhèn)鞲衅鞯你^載、泵壓等數(shù)值變化分析，托壓現(xiàn)象的直觀體現(xiàn)就是在鉆壓逐漸增大的情況下，井下鉆具的鉆頭的位置不發(fā)生變化，鉆井液泵的泵壓不變、不憋泵，在繼續(xù)增加鉆壓的時(shí)候可能會(huì)突然憋泵。當(dāng)水平井定向鉆井出現(xiàn)托壓現(xiàn)象之后，將會(huì)引發(fā)這樣幾方面問(wèn)題[5]：

（1）在鉆進(jìn)過(guò)程中井下鉆具承受了大部分鉆壓，而實(shí)際作用到鉆頭上的鉆壓很小，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆井的效率低，使得鉆井時(shí)效降低。

（2）當(dāng)在定向鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)托壓以后，井下鉆具會(huì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)靜止，使得產(chǎn)生的巖屑無(wú)法及時(shí)隨著鉆井液循環(huán)返出，形成巖屑床，可能會(huì)導(dǎo)致壓差卡鉆。

（3）從發(fā)生托壓現(xiàn)象到托壓現(xiàn)象解決，井下鉆具可能出現(xiàn)破損，降低鉆井時(shí)效，增加鉆井過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 水平井鉆井托壓現(xiàn)象產(chǎn)生原因分析

本文通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和國(guó)內(nèi)外相關(guān)理論研究，提出了產(chǎn)生托壓現(xiàn)象的幾種原因，并有針對(duì)性地提出了相應(yīng)的解決措施（圖1是通過(guò)大慶油田最近幾年水平井施工過(guò)程中托壓現(xiàn)象分析得到各原因統(tǒng)計(jì)分析餅狀圖）。

圖1 水平井托壓現(xiàn)象各原因統(tǒng)計(jì)分析餅狀圖

2.1 井眼不干凈、有巖屑床的存在

造成水平井定向過(guò)程中托壓的一個(gè)原因是井眼不干凈，易在循環(huán)不暢井壁處形成巖屑床。通過(guò)分析，造成井眼不干凈的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）鉆井液泵排量過(guò)小，鉆井液在井眼環(huán)空中的上返速度低，從而使得鉆井液攜帶巖屑能力低，造成井眼不干凈。

（2）鉆井液攜帶巖屑能力低，不能將鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑帶出井筒，造成井眼不干凈。

（3）四級(jí)固控設(shè)備（振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)）的使用不能達(dá)到鉆井施工要求，鉆井液中有害固相、巖屑等不能及時(shí)清除，使得有害固相等又重新進(jìn)入井內(nèi)，造成井眼不干凈。

（4）長(zhǎng)時(shí)間或長(zhǎng)井段未進(jìn)行短起下作業(yè)，沒(méi)有及時(shí)刮井壁，使得巖屑在井底堆積或在大斜度井段井壁下部會(huì)形成較大體積的巖屑床，造成井眼不干凈。

2.2 鉆井過(guò)程中井眼軌跡差

在水平井的施工過(guò)程中，井眼的井斜角大于30°時(shí)，定向施工和地層傾角等因素會(huì)使井眼軌跡發(fā)生偏差。在造斜段、水平層段運(yùn)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，在尋找入靶點(diǎn)以及在水平段出層后再重新追層的過(guò)程中，必須要對(duì)井眼軌跡進(jìn)行調(diào)整，由于地質(zhì)需求可能造成局部狗腿度偏大，導(dǎo)致井眼軌跡不規(guī)則，井眼出現(xiàn)多處臺(tái)階，易造成托壓現(xiàn)象。實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，井斜角在45°~90°之間的大斜度定向井及水平井來(lái)說(shuō)，井眼本身就存在一個(gè)巖屑攜帶困難的問(wèn)題。然而在定向鉆進(jìn)的過(guò)程中鉆具與井壁是滑動(dòng)摩擦，而巖屑床的存在又使得鉆具與井壁之間的滑動(dòng)摩擦力增大，從而造成定向過(guò)程中托壓。此外，在實(shí)際鉆井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水平井的井眼軌跡與造斜率存在一定的關(guān)系：造斜率越小井眼軌跡越平滑，鉆井施工過(guò)程中產(chǎn)生托壓現(xiàn)象的機(jī)率就越小；長(zhǎng)半徑的水平井較中半徑、短半徑的水平井產(chǎn)生托壓現(xiàn)象的可能性要小。

2.3 鉆具組合不合理

水平井在定向鉆進(jìn)的最初階段，定向鉆具組合中會(huì)使用較大直徑的扶正器，當(dāng)井斜角變大時(shí)會(huì)增加鉆具與井壁之間的摩擦阻力，同時(shí)可能出現(xiàn)托壓現(xiàn)象。在造斜段中，因?yàn)殂@具中的鉆鋌剛性較大，不容易出現(xiàn)彎曲，在造斜率較大的井段可能會(huì)出現(xiàn)托壓現(xiàn)象；在計(jì)算倒裝鉆具時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，使得倒裝鉆具不能發(fā)揮自身的作用，反而使摩擦阻力變大，出現(xiàn)托壓現(xiàn)象；鉆進(jìn)水平段時(shí)施工人員計(jì)算最大鉆壓不準(zhǔn)確，使鉆具出現(xiàn)多次屈曲，摩擦阻力變大，出現(xiàn)托壓現(xiàn)象。此外，螺桿鉆具或者隨鉆儀器局部直徑較大，與井壁的間距小，穩(wěn)定器會(huì)直接緊貼在井壁上，使得鉆具的滑動(dòng)速度變低，出現(xiàn)托壓現(xiàn)象。

2.4 泥餅虛厚、鉆井液摩阻系數(shù)大

鉆井液中固相含量高等因素會(huì)造成泥餅虛厚，它在定向過(guò)程中也會(huì)造成托壓現(xiàn)象，泥餅虛厚與鉆具的接觸面積越大，越易造成粘卡，泥餅虛厚造成的鉆具托壓現(xiàn)象與井眼軌跡差造成的托壓現(xiàn)象有一定的差異，它造成的托壓在增大鉆壓后（如25t鉆壓），有時(shí)會(huì)突然出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，在上提鉆具的過(guò)程中上提附加拉力會(huì)大于下放的壓力。水平井在定向過(guò)程中，許多粘卡是因?yàn)橥袎汉蠹訅翰划?dāng)造成的，增加了鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)。

在實(shí)際施工中總結(jié)出：接單根、起鉆作業(yè)時(shí)，上提拉力的大小既與井眼凈化有關(guān)系，還與鉆井液的摩阻系數(shù)有關(guān)系，摩阻系數(shù)越小鉆具下滑的阻力也越小，反之越大，進(jìn)而越容易產(chǎn)生托壓現(xiàn)象。

2.5 地層交結(jié)

水平井鉆進(jìn)的過(guò)程中，巖性變化的地層交界處會(huì)發(fā)生交結(jié)改變，尤其是新鉆開(kāi)的井眼，其井壁不光滑，定向的時(shí)候鉆具及鉆具中較粗的接頭和扶正器容易在地層的交結(jié)改變處被卡住，造成托壓現(xiàn)象。地層造漿極易發(fā)生在泥頁(yè)巖地層，泥巖會(huì)發(fā)生水化作用，而鉆具在淤泥當(dāng)中鉆進(jìn)時(shí)，極易出現(xiàn)粘托與鉆頭泥包的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致托壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 水平井托壓現(xiàn)象的解決措施

3.1 保持井眼清潔、提高鉆井液攜巖能力

大慶油田近年來(lái)施工的水平井中基本都采用PDC鉆頭+螺桿+隨鉆儀器的快速鉆井技術(shù)，進(jìn)尺相對(duì)較快，巖屑研磨的較細(xì)，這給井眼凈化帶來(lái)一定的難度。在提高鉆井液的攜巖能力的同時(shí)，井隊(duì)結(jié)合機(jī)械鉆速的快慢，在進(jìn)尺200~300m井段便要進(jìn)行一次短起下作業(yè)，在鉆進(jìn)一段時(shí)間之后要進(jìn)行一次長(zhǎng)起下作業(yè)，使得井下沉積的巖屑，從井底和井壁上分離出來(lái)，清潔井眼，減少托壓現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)率。在鉆井設(shè)備允許的情況下，加大鉆井液泵的排量，提高鉆井液的上返速度，為巖屑返出創(chuàng)造有利條件。

實(shí)時(shí)觀察井下鉆井液返砂情況，及時(shí)調(diào)整鉆井液的流變參數(shù)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)對(duì)于低固相聚合物鉆井液來(lái)說(shuō)，鉆井液的動(dòng)塑比要控制在0.42~0.50之間，對(duì)巖屑的攜帶效果較好；對(duì)于鉆井液粘切方面，水平井粘度控制在48s以上，鉆井液粘切高有利于阻止鉆屑的垂直沉降。

3.2 控制好井眼軌跡、優(yōu)化鉆具組合

水平井施工中，針對(duì)井眼軌跡差的情況產(chǎn)生的托壓現(xiàn)象，優(yōu)化鉆具組合是最有效的解決措施，減少鉆鋌數(shù)量，降低鉆具的剛性，增加加重鉆桿的數(shù)量，減少鉆具與泥餅的接觸面積，防止托壓和粘卡。在井斜達(dá)到45°以后采用倒裝鉆具：鉆頭+馬達(dá)+LWD+無(wú)磁鉆桿+加重鉆桿，整個(gè)鉆具組合中不含鉆鋌，鉆具中馬達(dá)+LWD加起來(lái)18m左右，這樣的鉆具組合鋼性不強(qiáng)；鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+無(wú)磁鉆桿+馬達(dá)+震擊器+加重鉆桿，這種鉆具結(jié)構(gòu)鋼性也不強(qiáng)，但是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具它能提供近鉆頭井斜，測(cè)點(diǎn)距離井底1.0~1.8m左右（見(jiàn)表1），施工人員能有效地控制井眼軌跡，平滑井眼，提高鉆井時(shí)效，在滿足地質(zhì)需求的同時(shí)也滿足工程要求；在特殊的情況下還可以在鉆具組合中加入水力振蕩器、液動(dòng)旋沖工具、扭擺工具等，這些工具在現(xiàn)場(chǎng)施工中也起到了很好的效果。

表1 大慶油田在用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具參數(shù)表

狗腿度的大小對(duì)托壓現(xiàn)象的影響也很大，可以通過(guò)以下方法控制狗腿度：

（1）鉆井過(guò)程中選用具有動(dòng)態(tài)井斜的LWD或者旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井斜、方位以及隨鉆測(cè)井曲線的變化趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整井斜、方位，避免急增、急降井斜造成的局部狗腿度偏大的問(wèn)題。

（2）在造斜率較大的井段要進(jìn)行多次劃眼作業(yè)，既能保證井眼擴(kuò)大率，又能預(yù)防鍵槽的出現(xiàn)，巖屑還能及時(shí)返出井筒，清潔井眼。

（3）在軌跡控制過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)要加密，采取“勤定、少定”的原則。在定向井段保證工具面的位置要合理，避免在水平段中調(diào)整方位，使井眼軌跡平滑。

（4）在使用PDC鉆頭增斜造成托壓時(shí)應(yīng)改用牙輪鉆頭，鉆進(jìn)過(guò)程中采用滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的方法調(diào)整井斜、方位。

3.3 針對(duì)泥餅虛厚、鉆井液的摩阻系數(shù)大造成托壓現(xiàn)象的解決方法[3]

原油是在鉆井施工中廣泛應(yīng)用的潤(rùn)滑劑，為了提高鉆井液的潤(rùn)滑性，施工過(guò)程中一般都會(huì)加入原油，但是原油的加入會(huì)使泥餅的質(zhì)量變差，因此要控制好原油的加入量，現(xiàn)場(chǎng)一般控制在3%~5%，最多不能超過(guò)9%~10%。為了改善泥餅質(zhì)量，可以在鉆井液中加入磺化瀝青、酚醛樹(shù)脂等材料。泥餅質(zhì)量越好，因托壓而造成的粘卡現(xiàn)象就越少。水平井中硬地層定向時(shí)產(chǎn)生托壓時(shí)一次加入200~300kg膨化石墨，對(duì)降低因潤(rùn)滑性差產(chǎn)生的托壓有很好的效果；另外膨化石墨配合潤(rùn)滑劑使用可以降低鉆具的扭矩。

具體的解決方法：

（1）在鉆井液中增加液體潤(rùn)滑劑和固體潤(rùn)滑劑的用量，使粘滯系數(shù)小于0.06，實(shí)現(xiàn)低摩阻、低扭矩鉆進(jìn)。

（2）為了在井壁上形成致密泥餅，減少鉆具在井壁上的粘附性，在鉆井液中加入超細(xì)鈣ZDS-1和乳化瀝青SFT-1等各種降失水劑。

（3）通過(guò)觀察不粘篩布鉆屑成型度、鉆井液性能的穩(wěn)定性等確保鉆井液具有足夠的抑制性。

（4）利用聚合醇的潤(rùn)滑性、清潔性、抑制性與無(wú)機(jī)鹽復(fù)配，在鉆具與井壁上形成牢固的復(fù)合膜增強(qiáng)潤(rùn)滑性。

（5）通過(guò)清除—加重—清除的措施來(lái)調(diào)整鉆井液中固相比例。加大固控設(shè)備使用頻率，特別是離心機(jī)的使用，減少鉆井液中的亞微粒子濃度。

3.4 針對(duì)地層交結(jié)產(chǎn)生托壓現(xiàn)象的解決方法

首先現(xiàn)場(chǎng)施工人員要具有結(jié)合施工實(shí)際判斷造成托壓現(xiàn)象的能力，給出托壓現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)榈貙咏唤Y(jié)的原因。而判斷的主要依據(jù)是之前的鉆時(shí)，同時(shí)結(jié)合之前施工鉆進(jìn)作業(yè)措施，如果之前施工定向頻率不大，整體摩阻不大，且鉆速時(shí)快時(shí)慢，井下工具工作正常；地質(zhì)錄井描述巖屑的巖性發(fā)生變化，此時(shí)定向鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，就要判斷為地層交結(jié)原因，那么在后續(xù)施工過(guò)程中鉆完單根或者立柱后需要上下多劃幾次井眼，平滑井壁，將井筒內(nèi)的巖屑返出地面，直至不再出現(xiàn)托壓現(xiàn)象。如果地質(zhì)條件允許的情況下可先復(fù)合鉆進(jìn)1~2m再定向。通過(guò)以上操作一般就能解決地層交結(jié)產(chǎn)生的托壓現(xiàn)象（例如在2020年1月大慶油田采油七廠的一口葡字號(hào)的水平井水平段施工中，采用G3旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具施工，鉆時(shí)正常，井下工具等一切正常，在井眼軌跡鉆出砂巖儲(chǔ)層后，地層巖性由細(xì)砂巖變成紫紅色泥巖，在軌跡追層的過(guò)程中，鉆井參數(shù)不變的情況下，定向機(jī)械鉆速在0.0~0.2m/h之間，綜合信息判斷為地層交結(jié)產(chǎn)生的托壓現(xiàn)象，后續(xù)施工過(guò)程中鉆具組合中加入液動(dòng)旋沖工具，先復(fù)合鉆進(jìn)再定向鉆進(jìn)，多次劃眼作業(yè)，完美地解決了托壓現(xiàn)象，恢復(fù)正常鉆進(jìn)）。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水平井托壓現(xiàn)象主要是因?yàn)殂@井液性能、井眼軌跡、鉆具組合不合理以及地層巖性變化等多種因素所致，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工產(chǎn)生諸多不利影響，在水平井的鉆進(jìn)過(guò)程中，需要及時(shí)地對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化，盡可能多進(jìn)行劃眼作業(yè)，增強(qiáng)鉆井液的潤(rùn)滑性，有效地改善泥餅的整體質(zhì)量，才能避免托壓現(xiàn)象的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)安全、快速完成鉆井作業(yè)的目的。