涪陵破碎性地層井壁失穩(wěn)影響因素分析及技術(shù)對策

梁 文 利

中國石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

0 引 言

隨著涪陵頁巖氣勘探開發(fā)向深層發(fā)展，鉆井液技術(shù)主要面臨的關(guān)鍵問題是：深層頁巖氣區(qū)塊微裂縫和裂縫十分發(fā)育，存在膠結(jié)性差的破碎性地層，易發(fā)生井壁剝落、坍塌和惡性漏失等；鉆遇多套復(fù)雜地層，存在多套壓力層系，安全密度窗口窄，出現(xiàn)噴漏同層，承壓能力低，漏失頻繁，大大增加了處理成本和時效，嚴(yán)重影響涪陵二期產(chǎn)建的勘探開發(fā)進(jìn)程。因此，研究深層頁巖氣復(fù)雜地層的破碎性頁巖井壁失穩(wěn)機理及技術(shù)對策，對提高鉆井速度，降低鉆井復(fù)雜時效，具有十分重要的意義。

1 地質(zhì)因素分析

1.1 涪陵破碎性頁巖掉塊巖性分析

將焦頁XX井油基鉆井液鉆進(jìn)的掉塊與龍馬溪組上部地層的巖心進(jìn)行礦物對比分析，確定出掉塊的層位。由于正常軌跡控制在2～4號小層中穿行，鉆井作業(yè)井下均為正常，無復(fù)雜事故發(fā)生，所以將上部地層的巖心和掉塊進(jìn)行礦物組成對比分析（表1）。

由表1可以看出：掉塊的石英含量高，龍馬溪組的其他小號數(shù)巖心石英含量低，基本判斷為五峰組掉塊。

表1 主要礦物組成及含量

1.2 破碎性巖心宏觀分析

在焦頁XX井復(fù)雜處理過程中，采用了油基稠漿攜帶掉塊，觀察4次洗井的過程中攜帶出的掉塊可以看出：4次稠漿攜帶出的掉塊大小形狀相似，外部光滑，棱角基本被磨平，初步判斷是一個較大的坍塌巖塊經(jīng)過鉆具特別是扶正器的碾壓粉碎成小塊狀，掉塊洗凈、粉碎后發(fā)現(xiàn)碎塊內(nèi)部干燥，認(rèn)為頁巖主要是沿著微裂縫開裂，鉆井液沿著裂縫侵入地層深部，由于油基鉆井液的潤濕性和潤滑性，微裂縫很難恢復(fù)，因此頁巖就沿著裂縫的端面開裂，直至井垮[1-2]（圖1）。

圖1 4次稠漿攜帶出掉塊實物照片

1.3 焦石壩及平橋區(qū)塊五峰組—馬溪組巖心分析

以焦頁XX井巖心描述為例，取五峰組1號小層巖心進(jìn)行分析（圖2）。

圖2 焦頁XX井五峰組—龍馬溪組柱狀圖（注：1 ft=0.304 8 m ）

由圖2可以看出：第1層，含硅黏土質(zhì)頁巖，巖心有輕微污手現(xiàn)象，硅質(zhì)含量低，小刀易于刻劃，發(fā)育5層斑脫巖薄夾層，筆石化石發(fā)育程度低，構(gòu)造縫欠發(fā)育，層間縫較發(fā)育。

第2層含黏土硅質(zhì)頁巖，巖心污手，硅質(zhì)含量高，小刀難以刻劃，發(fā)育斑脫巖薄夾層；巖心斷面發(fā)育炭質(zhì)鏡面擦痕，筆石發(fā)育程度難以識別；層間縫發(fā)育，巖心呈千層餅狀；構(gòu)造縫發(fā)育，共發(fā)育36條裂縫，多交織呈網(wǎng)狀[3]（圖3）。

2 油基鉆井液性能因素分析

焦頁XX井老井眼在3 900 m以后降低油基鉆井液密度，從1.75 g/cm3降低至1.70 g/cm3，3 900～4 639.72 m井段，采用較低密度的油基鉆井液鉆進(jìn)，后來發(fā)生掉塊、起鉆遇阻后，才將鉆井液密度恢復(fù)至1.75 g/cm3，另外Cl-1含量也偏低。說明五峰組對鉆井液密度敏感性強，鉆井液密度不能足夠支撐頁巖的坍塌壓力，4 291～4 728 m井段層位是五峰組，該地層是破碎性頁巖，在鉆井液柱壓力低于坍塌壓力的時候，很容易發(fā)生井垮。

新井眼采用高密油基鉆井液，密度從1.70 g/cm3調(diào)整為1.75 g/cm3，使用低失水、高Cl－1含量的油基鉆井液技術(shù)，很順利的完成側(cè)鉆，沒有發(fā)生掉塊等其他復(fù)雜情況[4-5]（表2）。

3 鉆井工程因素分析

焦頁XX井從4 291～4 728 m一直在五峰組穿行，增加了處理垮塌難度；井垮同時伴隨井漏，鉆進(jìn)排量偏小，不能滿足正常要求。

圖3 焦頁XX井裂縫發(fā)育的巖心

表2 新老井眼油基鉆井液性能

根據(jù)新井眼和老井眼穿行軌跡分析，老井眼在五峰組穿行了437 m，而且是直接穿行，該地層是破碎性地層，很容易發(fā)生井垮。新井眼在五峰組先是穿行58 m，后來調(diào)回龍馬溪組，然后又在五峰組穿行63.5 m，共計121 m。

因此，三開鉆進(jìn)期間卡準(zhǔn)層位，盡量避免在五峰組1號小層中鉆進(jìn)。

4 技術(shù)對策

4.1 鉆井液技術(shù)對策

五峰組1號小層地層裂縫發(fā)育，容易發(fā)生井壁失穩(wěn)、井漏等復(fù)雜情況，另外由于平橋區(qū)塊地層中含有較多游離性天然氣，在鉆井過程中容易進(jìn)入井眼返出地面，這些對使用的油基鉆井液體系提出了更嚴(yán)格的要求。

1）在靠近該層鉆進(jìn)時，應(yīng)該調(diào)整好鉆井液性能，特別是鉆井液黏度、破乳電壓和密度，保證鉆井液性能的檢測，避免誤入該層后由鉆井液性能不佳而引起的井下復(fù)雜情況。

2）如果鉆入該層位，應(yīng)該以防塌為前提，調(diào)整鉆井液密度，將密度提高0.05～0.1 g/cm3。

3）強化油基鉆井液的封堵性、降濾失性，可利用強堵技術(shù)在頁巖地層表面形成一層具有一定強度和韌性的類似于橡皮套的屏蔽層來支撐地層，盡可能減少井內(nèi)流體進(jìn)入地層[6]。

4）加強鉆井液的抑制性，保持高的乳化性能（保證較高的破乳電壓值），提高鉆井液的油水比例，保證在90∶10以上，甚至采用全油基鉆井液，從而避免破碎性頁巖地層井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 鉆井工程技術(shù)對策

1）鉆遇五峰組破碎性頁巖后，要根據(jù)振動篩返出掉塊采取相應(yīng)的對策，確保井內(nèi)施工安全。在發(fā)現(xiàn)井內(nèi)出現(xiàn)掉塊后立刻循環(huán)起鉆，簡化鉆具組合處理復(fù)雜井段，堅持鉆具中接入強力震擊器，為發(fā)生復(fù)雜情況后的處理留有余地。

2）如果井內(nèi)持續(xù)有失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)，起鉆前可以采用打入兩段稠泥漿塞，使用小排量沖刷“大肚子”井眼中的掉塊，等待稠塞出裸眼段后，使用大排量將掉塊循環(huán)至井口，在多次下鉆無法順利探底的情況下，使用纖維類材料增強鉆井液的物理攜砂能力，從而達(dá)到清理井眼的目的。

3）打開破碎帶井壁嚴(yán)重垮塌期間，使用?215.9 mm鉆頭劃眼有較大卡鉆風(fēng)險。可以首先使用欠尺寸鉆頭劃眼至井底，使用纖維類稠漿攜帶出井下大量掉塊后（特別情況下，可以配制密度2.80 g/cm3的油基重漿段塞進(jìn)行帶砂，將井底掉塊攜帶至地面），再使用?215.9 mm鉆頭下鉆處理井眼。

4）劃眼期間如果井內(nèi)持續(xù)存在井壁垮塌現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)輕微憋泵時，需要立即降低排量，確保鉆具持續(xù)旋轉(zhuǎn)，等泵壓回0，使用小排量頂通后，緩慢提高排量，如果停泵壓力不回0，首先上提下放，開頂驅(qū)活動鉆具使得泵壓回0，避免放回水期間鉆頭水眼被堵[6]。

5 結(jié)論及建議

1）油基鉆井液環(huán)境下頁巖井垮的主要因素是地質(zhì)，特別是1號小層五峰組頁巖是破碎性頁巖，打開該地層很容易發(fā)生井垮。

2）為了防止破碎性頁巖地層發(fā)生井垮，盡量不在或者少在五峰組層位中鉆進(jìn)。

3）破碎性地層是鉆井技術(shù)的難題，對油基鉆井液性能提出更高要求，強化油基鉆井液的封堵性能和快速封堵能力，保持高油水比例，甚至可采用全油基鉆井液體系，提高鉆井液密度，保持合適的壓力窗口防漏、防垮。

4）隨著頁巖氣的深層開發(fā)，不可避免遇到破碎性頁巖地層，需要進(jìn)一步開展針對性的攻關(guān)研究，為高效開發(fā)提供良好的技術(shù)支撐。

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