文 科

（中國石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽 618000）

川南頁巖氣區(qū)地層巖性敏感性強(qiáng)，層理和裂縫充分發(fā)育，常規(guī)鉆井液體系施工過程中，極易引發(fā)井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致劃眼時(shí)間長(zhǎng)。本文通過大量實(shí)鉆數(shù)據(jù)調(diào)研，對(duì)該區(qū)塊陸相地層井壁易于發(fā)生失穩(wěn)的問題進(jìn)行針對(duì)性原因分析，從鉆井液體系入手，構(gòu)建了甲酸鉀防塌鉆井液體系，該體系具有低失水、強(qiáng)包被、強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制的特性，黏切可控，流變性能優(yōu)良，非常適合于川南頁巖氣工區(qū)各井次的施工，自該體系成功構(gòu)建和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用以來，使用該體系的多口頁巖氣井中，90%以上的井次均未發(fā)生井壁失穩(wěn)及長(zhǎng)時(shí)間劃眼的復(fù)雜情況，明顯提升了該區(qū)域的平均機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，取得了較好的應(yīng)用成果。

1 川南頁巖氣區(qū)地質(zhì)概況

1.1 工區(qū)地層概況及施工難點(diǎn)

川南頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，地層從上至下依次為：陸相的沙溪廟組、涼高山組、自流井組、須家河組；海相的嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組、韓家店組、石牛欄組及龍馬溪組[2]。沙溪廟組地層巖性以大段泥巖為主，該泥巖水敏性極強(qiáng)，造漿率高，鉆井過程中鉆井液黏切上漲快。下沙溪組至涼高山組地層相對(duì)破碎，易產(chǎn)生掉塊。自流井組巖性以泥巖粉砂巖為主，夾黑色碳質(zhì)泥巖，須家河組砂泥巖互層，夾黑色頁巖及煤線，與下伏地層呈假整合接觸，且斷層發(fā)育，鉆進(jìn)過程中易誘發(fā)井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致劃眼時(shí)間長(zhǎng)。據(jù)實(shí)鉆情況統(tǒng)計(jì)顯示，該區(qū)塊鉆進(jìn)施工過程中井壁失穩(wěn)問題主要發(fā)生于陸相地層的自流井及須家河組，海相地層的龍?zhí)督M和茅口組，該問題嚴(yán)重影響了該區(qū)域施工井次的鉆井周期。根據(jù)地層水敏性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域陸相地層水敏性相對(duì)較差，屬于低膨脹性、低分散性的弱水化地層，但根據(jù)多口施工井所取巖屑的滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，有許多易于發(fā)生嚴(yán)重井壁失穩(wěn)的地層，其巖屑實(shí)際滾動(dòng)回收率均在90%以上，此現(xiàn)象無法根據(jù)常規(guī)分散、膨脹等實(shí)驗(yàn)結(jié)果來解釋實(shí)鉆過程中所體現(xiàn)出的掉塊剝落及嚴(yán)重坍塌等問題。

1.2 地層壓力情況

川南頁巖氣工區(qū)地壓梯度范圍為1.0～1.8 MPa/100m，地應(yīng)力隨井深增加而增大，陸相段儲(chǔ)層存在很大的非均質(zhì)性。該區(qū)域破裂壓力梯度范圍為1.8～2.99 MPa/100m。壓力分布跨度大，部分井段高低壓同存，實(shí)鉆過程中應(yīng)注意防噴，防漏，防井壁失穩(wěn)。

2 井壁失穩(wěn)原因及防塌措施

通過對(duì)區(qū)域多口井的實(shí)鉆調(diào)研和數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，實(shí)鉆過程中導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的主要原因有：（1）鉆井液體系本身的防塌封堵性能和抑制性存在不足，不能有效封堵地層微裂縫和抑制泥頁巖地層水化膨脹[3]，鉆井液濾液侵入泥頁巖地層導(dǎo)致泥頁巖強(qiáng)度下降和穩(wěn)定性減弱是井壁失穩(wěn)的主要機(jī)理[4]；（2）鉆井液黏切失控，過高的鉆井液黏切引起起鉆抽吸或下鉆過程壓力激動(dòng)導(dǎo)致壓力突變而誘發(fā)井壁失穩(wěn)；（3）施工鉆井液密度不匹配，所用鉆井液密度過高或過低，過高的鉆井液密度使井壁有效過平衡壓力偏大，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，改變了地層巖性的理化性質(zhì)，進(jìn)而改變井壁周圍地層的坍塌壓力導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，所用鉆井液密度過低則鉆井液靜液柱壓力不足以平衡地層坍塌壓力，最終也將導(dǎo)致井壁坍塌失穩(wěn)[5]；（4）地層因素，地層本身較為破碎，軟硬交錯(cuò)，砂泥巖交雜互層，泥巖在施工中經(jīng)鉆井液長(zhǎng)時(shí)間侵泡，容易吸水膨脹失穩(wěn)，含煤線、煤層、泥頁巖等均易發(fā)生坍塌掉塊，穩(wěn)定性較弱；（5）工程參數(shù)選擇不當(dāng)，施工排量、鉆頭水力參數(shù)、新型鉆井工藝不匹配，鉆進(jìn)或起下鉆操作不當(dāng)，未按要求執(zhí)行施工操作規(guī)程，井壁受鉆柱機(jī)械撞擊明顯、受鉆井液水力沖刷作用過強(qiáng)，也是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的一大誘因。

通過分析以上誘發(fā)井壁失穩(wěn)的原因可以得出，通過適當(dāng)優(yōu)化防塌鉆井液體系類型，調(diào)整好鉆井液流變性，采用適宜的鉆井液密度，同時(shí)配合鉆井參數(shù)的優(yōu)化、加強(qiáng)固控設(shè)備的使用，多個(gè)方面協(xié)同作用可有效解決川南頁巖氣工區(qū)地層井壁失穩(wěn)的難題。

3 鉆井液配方優(yōu)化

2015 年分公司部署在川南區(qū)塊的勘探井威頁1井、永頁1 井等井使用氯化鉀防塌體系曾發(fā)生過不同程度的井壁失穩(wěn)情況，為此，分公司針對(duì)鉆進(jìn)中井壁失穩(wěn)情況進(jìn)行了專項(xiàng)總結(jié)與分析，充分借鑒川西地區(qū)、中江地區(qū)、豐谷地區(qū)和川東北元壩地區(qū)陸相井段鉆探經(jīng)驗(yàn)，遵循四川省和重慶市環(huán)保廳相關(guān)要求，對(duì)頁巖氣工區(qū)一期開發(fā)評(píng)價(jià)井所用鉆井液體系做了進(jìn)一步優(yōu)化，決定在川南頁巖氣工區(qū)直井段和定向井段采用“環(huán)保型”有機(jī)鹽甲酸鉀防塌鉆井液體系，該體系抑制性極強(qiáng)，防塌性能突出，能有效抑制泥頁巖中黏土礦物的水化膨脹和分散，同時(shí)輔以有機(jī)鹽特有的活性降低作用，可使黏土礦物進(jìn)一步去水化，強(qiáng)化泥頁巖的結(jié)構(gòu)，而實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定性維持和防塌。

通過川南永川區(qū)塊大量井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明，用該體系施工的后續(xù)井中僅少部分發(fā)生了區(qū)域性井壁垮塌，90%以上的施工井均比較順利。經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)施工的不斷論證，優(yōu)化出適用于川南頁巖氣區(qū)塊的鉆井液配方如下：

2%～4%NV-1+0.1%～0.2%金屬離子聚合物+1%～3%RLC-105+1%～3%無鉻磺化褐煤+1%～6%SMP-2+2%～4%多軟化點(diǎn)瀝青防塌劑+4%～6%甲酸鉀+加重劑。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4.1 使用甲酸鉀鉆井液體系情況

4.1.1 體系性能穩(wěn)定，波動(dòng)小

（1）永頁6 井二開井段自流井組至龍馬溪組（實(shí)鉆井深825～3 347 m）使用有機(jī)鹽甲酸鉀防塌鉆井液體系，整個(gè)鉆井施工過程井壁穩(wěn)定，鉆井液流變性能優(yōu)良，振動(dòng)篩返砂良好，巖屑原始狀態(tài)保持較好，起下鉆摩阻正常，全井段施工過程暢通順利，未發(fā)生井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況，全井鉆井液性能（見表1）。

表1 永頁6 井二開鉆井液性能

（2）永頁3 平臺(tái)二開井段自流井組至龍馬溪組（實(shí)鉆井深1 106～3 770 m）使用有機(jī)鹽甲酸鉀防塌鉆井液體系，同樣鉆井液性能穩(wěn)定優(yōu)良，波動(dòng)較小，振動(dòng)篩返砂狀態(tài)良好，篩面清潔干凈，起下鉆摩阻均無異常，二開井段整體施工過程順利暢通，未發(fā)生井壁掉塊或井壁坍塌失穩(wěn)等復(fù)雜情況，該井段鉆井液性能（見表2）。

表2 永頁3 平臺(tái)二開地層鉆井液性能

4.1.2 同區(qū)塊內(nèi)鉆井效率提高 川南頁巖氣區(qū)塊鉆井液體系實(shí)際應(yīng)用過程中，相比于同區(qū)塊常規(guī)水基非甲酸鉀鉆井液體系，使用甲酸鉀鉆井液體系施工的井次，井壁失穩(wěn)復(fù)雜情況的發(fā)生大幅減少，同時(shí)鉆井的機(jī)械鉆速也同比大幅提高，縮短了鉆井周期，鉆井?dāng)?shù)據(jù)（見表3）。

表3 川南部分井頁巖氣二開井段鉆井時(shí)效

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）甲酸鉀鉆井液體系具有很強(qiáng)的防塌能力，能有效解決川南頁巖氣區(qū)地層的井壁失穩(wěn)難題。

（2）甲酸鉀鉆井液體系流變性好，防塌性能優(yōu)異，穩(wěn)定性好抗污染能力強(qiáng)，有利于提高川南頁巖氣工區(qū)機(jī)械鉆速，縮短工期。

（3）甲酸鉀鉆井液體系的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)必須按“先護(hù)膠、后加鹽”的維護(hù)處理原則進(jìn)行性能調(diào)整和日常維護(hù)，兼顧川南頁巖氣區(qū)塊地層壓力特性，甲酸鉀的加量應(yīng)控制在5%以上，鉀離子含量維持在15 000～20 000 mg/L，確保鉆井液的抑制性能及防塌性能。