吉木薩爾頁(yè)巖油二疊系井徑擴(kuò)大率的分析和控制

安斌 王新宇 蘇敏 白雅龍

摘要：理想狀態(tài)下的井徑是隨著鉆頭破碎巖石形成穩(wěn)定且并大于鉆頭直井的井眼，有利于鉆具、測(cè)井和套管等井下工具安全通過，視為井徑擴(kuò)大率增大。但實(shí)際鉆井過程中要針對(duì)不同的地層構(gòu)造、巖性特點(diǎn)對(duì)井徑擴(kuò)大率的增大也有相對(duì)要求，不同的鉆井需要要求也不同。在層理裂縫發(fā)育或破碎性地層，脆性地層，煤層，礫石層，大傾角地層和異常高壓地區(qū)，要求井徑擴(kuò)大率盡量低;而在蒙脫石含量高和高含水的淺層泥巖，高滲透性砂礫巖，巖鹽層、鹽膏層施工，井徑呈現(xiàn)擴(kuò)大時(shí)，可減緩因粘土礦物水化膨脹、厚泥餅和塑性形變?cè)斐傻目s徑。在吉木薩爾頁(yè)巖油地區(qū)，這倆種情況同時(shí)存在，尤其二疊系地層掉塊和坍塌的問題嚴(yán)重影響到鉆完井的進(jìn)度和工期，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何在對(duì)立中建立平衡，控制合理的井徑擴(kuò)大率，迫在眉睫。

關(guān)鍵詞：井徑擴(kuò)大率;坍塌;脆性泥頁(yè)巖;力學(xué)不穩(wěn)定;

1 井徑擴(kuò)大率增大（或變化大）的原因

井徑擴(kuò)大率變化的原因是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，其最主要的原因可歸納為力學(xué)因素、物理化學(xué)因素和工程因素三個(gè)方面。當(dāng)?shù)貙颖汇@開后，物理化學(xué)因素和工程技術(shù)措施又影響并改變著井壁力學(xué)性質(zhì)。歸根結(jié)底，井徑擴(kuò)大率變化是井壁處于不穩(wěn)定狀態(tài)下，暴露出力學(xué)不穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)。吉木薩爾致密油地區(qū)二疊系井壁的不穩(wěn)定，主要為坍塌，非常不利于井下安全，因此我們對(duì)發(fā)生機(jī)理進(jìn)行剖析將十分必要。

1.1重點(diǎn)復(fù)雜井段的機(jī)理分析

1.1.1力學(xué)因素

二疊系梧桐溝組脆性泥巖較多，并且普遍存在異常高壓，原地應(yīng)力的狀態(tài)決定了該井段坍塌地層的性質(zhì)，當(dāng)?shù)貙颖汇@開后，井眼圍巖應(yīng)力重新分布引起切向應(yīng)力一系列的變化，井壁不可避免的發(fā)生剪切破壞，該處造斜又使上井壁形成懸空狀態(tài)，受重力影響，又進(jìn)一步加劇了井壁的破壞，在井眼幾何形狀不規(guī)則或井眼曲率變化大的地方應(yīng)力過于集中，地層井壁便會(huì)在應(yīng)力釋放作用下發(fā)生剝落掉塊和坍塌，形成巖屑床。

水平段施工進(jìn)入蘆草溝組，以白云巖和白云質(zhì)泥巖為主，該套地層較梧桐溝組相對(duì)穩(wěn)定，但在出現(xiàn)泥巖的地方同樣會(huì)遇到梧桐溝組的問題，泥巖地層在力學(xué)不穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)成因機(jī)理下發(fā)生剪切破壞，井眼變形成局部多處“掏空”的“糖葫蘆”井眼，井徑擴(kuò)大部分上返速度低，堆積在臺(tái)階處形成砂橋。這是造成水平段起下鉆時(shí)阻位置不固定，劃眼可很快恢復(fù)暢通以及電測(cè)遇阻的根本原因。

1.1.2物理化學(xué)因素

由于梧桐溝組泥頁(yè)巖伊蒙混層含量高，過度階段的伊利石也會(huì)進(jìn)行部分陽離子交換，因此粘土礦物組分膨脹性較強(qiáng)，鉆井液中的吸附水以陽離子交換的方式進(jìn)入粘土晶體，發(fā)生水化膨脹，造成井壁剝落;而自由水則在滲透壓的作用下侵入夾層粉砂巖地層，形成泥餅增厚現(xiàn)象。起下鉆阻卡的發(fā)生亦與此有關(guān)，一般在進(jìn)行通井后便可消除。

地層發(fā)生工程擾動(dòng)后，原地應(yīng)力的平衡被破壞，鉆井液濾液在壓差、化學(xué)勢(shì)差以及地層毛細(xì)管力的作用下侵入梧桐溝組合蘆草溝組的脆性泥巖的層理裂隙中，產(chǎn)生水化應(yīng)力，引起近井壁地帶孔隙壓力升高，降低了井壁巖石強(qiáng)度，使坍塌壓力降低，井壁失穩(wěn)。這一不可抗拒因素加劇了地層本身力學(xué)性質(zhì)的作用。

1.1.3工程（鉆井液）技術(shù)原因

在二疊系脆性地層、地層傾角大和泥巖異常壓力的情況下，若起下鉆速度過快，鉆井液密度偏低或過高，井內(nèi)流態(tài)不好形成沖刷，方位井斜控制不好以及轉(zhuǎn)速過高、鉆具激烈碰撞井壁，都會(huì)導(dǎo)致和加劇井壁坍塌，造成井徑進(jìn)一步擴(kuò)大。

1.2復(fù)雜井段的地層組構(gòu)特性和理化性能。

1.2.1 易膨脹弱中等至弱分散泥頁(yè)巖

梧桐組層理裂縫發(fā)育的泥頁(yè)巖，存在異?？紫秹毫Γね恋V物特征為伊蒙有序間層為主，向伊利石過度，不易分散，滾動(dòng)回收率高達(dá)60%-90%，膨脹率較高為 20～30%，陽離子交換容量中-低，一般2-12mmol/100g土。地層處于強(qiáng)地應(yīng)力作用下，在起鉆速度過快產(chǎn)生強(qiáng)的抽吸壓力，地層吸水引起泥巖強(qiáng)度下降的情況下，易造成井塌。

1.2.2 特種巖性地層

吉木薩爾凹陷在二疊系蘆草溝組進(jìn)行取心鉆進(jìn)后，根據(jù)各井薄片鏡下鑒定結(jié)果，蘆草溝組二段（P2l2）儲(chǔ)層碎屑成分較為復(fù)雜，由于成巖演化過程中受咸化湖水及烴源巖演化的影響，成巖作用復(fù)雜，組成巖石的礦物成分多樣，除陸源礦物、碎屑外，還發(fā)育白云巖、石膏、硅酸鹽類和黏土礦物（伊/蒙混層、綠泥石、伊利石、蒙皂石），白云石含量較高，最高達(dá)80%，發(fā)育剩余粒間孔、溶蝕孔及微孔，因此將主要巖性初步劃分為三大類巖性：粉細(xì)砂巖類、白云巖類和泥質(zhì)巖類。

1.3地層壓力情況

根據(jù)設(shè)計(jì)壓力提示和臨井實(shí)鉆壓力監(jiān)測(cè)，異常高壓段在二疊系梧桐溝組Pwt及以下地層。結(jié)合井區(qū)的預(yù)測(cè)深度和構(gòu)造位置，二疊系以上地層壓力系數(shù)在1.15以內(nèi)，二疊系梧桐溝組Pwt至蘆草溝組Pl地層壓力系數(shù)為1.25～1.48之間。蘆草溝組Pl油藏原始地層壓力為53.70MPa，壓力系數(shù)為1.44。

2 井徑擴(kuò)大率變化幅度大的現(xiàn)狀

吉木薩爾頁(yè)巖油地區(qū)從三個(gè)方面來評(píng)定井身質(zhì)量：平均井徑擴(kuò)大率、最大（?。┚畯綌U(kuò)大率、井徑擴(kuò)大率的波動(dòng)大?。ㄓ镁畯綌U(kuò)大率梯度K表示）。從上面的介紹中我們知道，在二疊系地層井徑擴(kuò)大率有趨于增大的趨勢(shì)。調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果（附表1）：

7口井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

平均井徑擴(kuò)大率K=14.5%

最大井徑擴(kuò)大率K=79%

井徑擴(kuò)大率梯度K=3.6%

由于地質(zhì)條件復(fù)雜，油區(qū)內(nèi)多條斷裂帶影響，再加上以往對(duì)區(qū)塊的認(rèn)識(shí)不足，工程技術(shù)措施受到了一定的局限性，在施工和完井作業(yè)中出現(xiàn)井徑擴(kuò)大率超標(biāo)的現(xiàn)象較普遍，對(duì)鉆井、固井、測(cè)井和錄井都造成了不利影響。通過對(duì)7口井測(cè)井的井徑擴(kuò)大率結(jié)果統(tǒng)計(jì)，共有48個(gè)測(cè)點(diǎn)發(fā)生擴(kuò)徑，其中純泥頁(yè)巖段31個(gè)，占整個(gè)擴(kuò)大厚度的64%，泥巖與粉砂巖互層段17個(gè)，占整個(gè)擴(kuò)大厚度的17%，白云質(zhì)泥巖段9個(gè)，占整個(gè)擴(kuò)大厚度的19%（附表2）。

3 控制技術(shù)措施

以上從不同方面分別對(duì)井徑擴(kuò)大率變化的抽象和具象概念進(jìn)行了闡述。控制井徑擴(kuò)大率的合理變化，對(duì)提高井眼質(zhì)量、鉆井施工是否形成準(zhǔn)確評(píng)價(jià)、以及油井建設(shè)和采收效果都有十分重要的意義。力學(xué)和物理化學(xué)因素屬于客觀事實(shí)，無法改變，因此我們只有通過工程技術(shù)手段和嚴(yán)格的執(zhí)行力，制定科學(xué)完善的技術(shù)措施，達(dá)到安全鉆井、測(cè)井、固井的目的。

3.1 鉆井液措施

3.1.1二疊系為三開井段，該段施工將反滲透鉆井液體系變更為鉀鈣基聚胺有機(jī)鹽鉆井液體系，進(jìn)入梧桐溝組前一次性加入15%有機(jī)鹽+1%的氨基抑制劑+5%陽離子乳化瀝青+1%天然瀝青+1.5-2%的重鈣+2%超細(xì)碳酸鈣+1%聚合醇，將K含量從25000mg/L提高至30000mg/L，保持Cl含量80000mg/L提高礦化度平衡地層活度的同時(shí)，使體系具有更好的封堵能力。

3.1.2 為了配合快速鉆進(jìn)和滿足井壁穩(wěn)定性的要求，密度按設(shè)計(jì)上限施工，在致密油南部區(qū)域進(jìn)入梧桐組造斜前起步密度從設(shè)計(jì)的1.50g/cm提高至1.60g/cm，進(jìn)入A點(diǎn)前提高至1.62g/cm。在北部區(qū)域進(jìn)入梧桐組造斜前起步密度從設(shè)計(jì)的1.50g/cm提高至1.57g/cm，造斜60度以后進(jìn)入蘆草溝組將密度提高至1.59-1.60g/cm，進(jìn)入A點(diǎn)前提高至1.61g/cm。至完鉆井深提高至設(shè)計(jì)上限1.63g/cm。轉(zhuǎn)變意識(shí)，摒棄過去以較低密度防漏換取井壁穩(wěn)定性為代價(jià)的理念，密度走下限的做法。

3.1.3 針對(duì)不同地層運(yùn)用合理的流變性，可有效控制井徑的變化規(guī)律和規(guī)則程度，這一措施的掌握必須同時(shí)協(xié)調(diào)好鉆井液各參數(shù)，造斜40度前井段以1%PMHA-2+0.6% SP-8+1%HY-2配成的膠液保持鉆井液具有較高的有效粘度和塑性粘度，使近井壁周圍環(huán)空剪切速率盡可能低，保護(hù)井壁不被沖刷，建立具有護(hù)壁功能的井筒流型。使鉆井液呈不分散狀態(tài)，同時(shí)保持較低膨潤(rùn)土含量，引入HY-2后通過鉆井液分散程度達(dá)到對(duì)流變性的調(diào)節(jié)。造斜40度以后至進(jìn)入水平段，粘切保持在稍高水平，動(dòng)切力提高至8pa以上，盡量提高動(dòng)塑比。維持600轉(zhuǎn)讀數(shù)在60-80之間，3轉(zhuǎn)讀數(shù)在4-6之間，初切2-4pa。并使流變性在可控范圍內(nèi)，可根據(jù)井下需要能夠做出相應(yīng)調(diào)整。

3.1.4 重視動(dòng)濾失的因素，在處理劑的選用上面，應(yīng)綜合考慮井筒流型和泥餅抗剪切強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)膭?dòng)濾失，既可以起到穩(wěn)定井壁的作用，又可以保持較薄的動(dòng)態(tài)平衡泥餅。一次性加入0.5%改性淀粉或CMC-LV，可以改善動(dòng)濾失的平衡點(diǎn)。

3.1.5 鉆井液的性能應(yīng)滿足地層特點(diǎn)，進(jìn)入梧桐溝組后應(yīng)該以封堵防塌為主。鉆進(jìn)過程中因保持陽離子乳化瀝青含量達(dá)在5%，并根據(jù)鉆進(jìn)深度進(jìn)行補(bǔ)充，并分?jǐn)?shù)次加入總量2%RF-9白油瀝青，并根據(jù)井底溫度適當(dāng)加入軟化點(diǎn)相匹配的1-2%天然瀝青粉，配合超細(xì)鈣和重鈣等剛性顆粒，使粗、中、細(xì)顆?；デ督宦?lián)，強(qiáng)化泥餅，封堵井壁。調(diào)整、處理鉆井液必須以小型實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的基礎(chǔ)上及時(shí)果斷，杜絕盲目處理和違背理論依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)處理。

3.2 工程措施

3.2.1梧桐溝組上部泥巖（造斜10度-30度井段）具有周期性應(yīng)力釋放的特點(diǎn)，存在掉塊嚴(yán)重的情況，因此要避免在該處劃眼;進(jìn)入造斜40度以后減少短起下次數(shù)，且起下鉆速度必須嚴(yán)格控制，避免對(duì)硬脆性地層的井壁造成物理性破壞，在井眼通暢情況下延長(zhǎng)至48h短起下，井眼不通暢時(shí)可適當(dāng)提前，遇阻不可高轉(zhuǎn)速大排量劃眼，活動(dòng)鉆具緩慢平穩(wěn)，防止出現(xiàn)坍塌擴(kuò)徑。

3.2.2?造斜施工時(shí)使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，盡量降低造斜率并使井眼軌跡平滑，當(dāng)造斜率井斜大于5度的變化，將使地應(yīng)力過于集中，容易引起地層坍塌。

3.2.3?排量的選擇尤為關(guān)鍵，造斜40度以前，采用35L/S的大排量，目的是盡量形成紊流提高巖屑上返效率。造斜40度以后逐步降低排量到30-32L/S，以滿足攜砂為主，使環(huán)空返速不低于1.15m/s，降低巖屑床濃度。進(jìn)入水平段后多提拉少劃眼，縮短短提井段至16小時(shí)或100m，及時(shí)破壞巖屑床。合理排量配合流變性參數(shù)使鉆井液形成平板型層流，避免形成大肚子和糖葫蘆井眼，達(dá)到保護(hù)井壁的目的。

3.2.4 綜合各方面因素，盡可能的縮短鉆井周期，減少裸眼浸泡時(shí)間。有研究表明，鉆井液對(duì)井眼的沖刷和浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，井徑擴(kuò)大率的影響越大。因此在施工中應(yīng)特別重視鉆井的時(shí)效性，盡量避免因設(shè)備檢修、人為復(fù)雜、中途測(cè)試等原因拖長(zhǎng)鉆井周期，進(jìn)一步降低井壁的穩(wěn)定性。

4 效果

2018年6口井的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

平均井徑擴(kuò)大率由K=14.5%↘9.7%

最大井徑擴(kuò)大率K=79%↘38%

井徑擴(kuò)大率梯度K=3.6%↘2.3%

附表6

通過控制井徑擴(kuò)大率的10項(xiàng)措施，井徑不規(guī)則和超標(biāo)的問題得以明顯好轉(zhuǎn)，3項(xiàng)指標(biāo)均回落（附表6），井徑擴(kuò)大率變化大以及測(cè)井、固井質(zhì)量問題得以改善，但是因地層本身性質(zhì)決定的剝落掉塊問題沒有得到理想解決，需要投入更多的研究，對(duì)巖屑進(jìn)行更為細(xì)致的室內(nèi)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，這將是一個(gè)長(zhǎng)期微觀的課題。

5 認(rèn)識(shí)

1）鉆井液工程一體化，責(zé)任劃分到位，關(guān)于井下生產(chǎn)的任何措施意見必須得到雙方的一致認(rèn)可方可實(shí)施。

2）必須深刻認(rèn)識(shí)到擴(kuò)徑對(duì)井眼施工帶來的危害，不能僅考慮鉆井是否順利，錄井、測(cè)井、固井各方面都應(yīng)該全面考慮，樹立長(zhǎng)遠(yuǎn)意識(shí)和大局觀念。

3）優(yōu)化鉆井液參數(shù)，進(jìn)行更多的研究和實(shí)驗(yàn)，本著精益求精的態(tài)度，力求達(dá)到與區(qū)塊、設(shè)備、人員和措施綜合匹配的最佳鉆井液體系和性能。

4）充分了解區(qū)塊特點(diǎn)、難點(diǎn)和重點(diǎn)，做好預(yù)防措施，可有效預(yù)防井徑擴(kuò)大率超標(biāo)的問題。

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