1、第六届全国石油钻井院所长会议论文集159塔河油田三叠系石炭系井壁稳定技术李云志 张怀云 汪军英 张克明（新疆鄯善县，吐哈钻井公司，838200，新疆鄯善县火车站，吐哈钻采工艺研究院，838202）【摘 要】 井壁失稳是钻井过程中十分复杂的技术难题，不仅 会影响工程质量，甚至造成井眼报废。本文通过对塔河油田易坍塌的三叠系、石炭系硬脆性泥岩地层地质特征、施工工艺等方面的综合分析，阐明了井壁坍塌扩径的主要原因，并从化学抑制、物理封堵和岩石力学等方面提出了解决井眼失稳的主要技术途径，对适应于该段的钻井液体系和现场维护处理技术进行了探索，提出了一套 较完善、有利于井壁稳定的钻井液现场维护处理技术方法。并
2、在沙 86和 TK634 井进行现场应用，井下复杂大幅度降低，钻井周期大幅度缩短， 获得了良好的经济效益。【关键词】 井壁稳定 失稳机理 坍塌周期 防塌 聚磺钻井液 抑制 封堵 维护处理1 地层地质特征塔河油田三叠系地层埋深 46005000m 左右，岩性以灰、灰黑色泥岩、炭质泥岩、灰色粉砂岩为主；石炭系地层埋深 50005550m 左右，中 上 部 棕 褐 色 、 深 灰 泥 岩 、 杂 色 砾 岩 、 深 灰 、 灰 白 粉 、细 、 中 砂 岩 、 砾 质 粉 砂 岩 互 层 下 部 褐 灰 、 深 灰 泥 岩 、 粉 砂 质 泥 岩 ， 即 上 泥 岩 段 ， 自 上 而 下 砂 质
3、岩 由 粗 渐细 ， 泥 质 岩 以 褐 色 为 主 ， 少 量 灰 、 灰 绿 色 ， 靠 近 下 部 泥 岩 中 局 部 见 较 多 灰 质 结 核 。 钻 井 施 工 过 程 中 ， 该 段层极易坍塌、井径扩大严重，如 S47 井井径达 546mm，扩大率达 154%；S62 井三开最大井径达570mm，扩大率达 164%。钻井施工中，严重掉块、起下钻遇阻、电测不畅、套管下不到位，甚至卡钻等复杂情况频繁发生，并严重影响固井质量。利用测井资料分析模拟其压力剖面，由表 6 所给数据可看出：三叠系、石炭系地层存在着较高的坍塌压力（如表 1 所示） ，其当量密度数值可达到1.281.30g/cm
4、 3 左右，高于孔隙压力。表 1 地层压力剖面深度m孔隙压力g/cm3坍塌压力g/cm3破裂压力g/cm3上覆压力g/cm32500 1.052 0.99 1.930 2.283000 1.085 0.89 1.931 2.303500 1.10 0.91 1.973 2.324300 1.15 1.17 1.959 2.354500 1.25 1.26 1.957 2.354800 1.24 1.25 1.973 2.365000 1.19 1.30 2.004 2.375300 1.18 1.18 1.979 2.385500 1.10 1.07 1.959 2.392 井壁失稳机理分析井
5、壁失稳的机理主要有两个，一是地层客观因素，即地层力学因素、化学因素、两者耦合结果。二是钻井工艺主观因素。力学因素指的是盆地在形成过程中，构造运动频繁，盆地强烈隆起、褶冲、逆冲、褶皱，导致了盆地构造断层发育，宏观上看，断层很发育；微观上看，构造裂缝裂隙很发育，粘聚力部分丧失，地层强度降低。井壁围岩强度降低，意味着坍塌压力升高。由于地层应力是客观存在的，目前尚不可人为地使其改变。塔河油田三叠系石炭系井壁稳定技术160化学因素指的是流体（主要是水）与地层中的岩石发生化学和物理反应，使岩石强度降低，而且随着水的大量进入地层，井壁的坍塌破坏会持续下去，坍塌周期缩短。力学和化学耦合指的是裂缝发育的地层由于
6、裂隙起着良好的毛细管通道作用。当流体与地层岩石接触时，毛细管压力使流体更易侵入发生物理和化学作用，使岩石强度进一步降低。钻井工艺主观因素指的是钻井液体系选择及其性能控制不当；钻井液的流变参数不合适；钻井液长时间冲刷井壁；长时间定点冲孔、起下钻操作引起压力波动、长时间转动转盘划眼（沙 70 井下套管前通井大段划眼使该段平均井径扩大率由 10.5%上升至 15.8%）对井壁稳定有一定影响，导致井壁垮塌掉块、井眼扩径；井壁浸泡时间增长等原因造成了井壁失稳。3 技术对策3.1 技术研究思路在防止垮塌方面，最大限度地抑制水化和抑制分散是钻井液工艺的两个基本方向。由于井壁失稳力学因素不可人为的改变，因此针
7、对塔河油田井壁失稳的主要技术对策应从化学因素和钻井工艺主观因素入手，选择强抑制性钻井液体系、合理的钻井液密度外，还应采用封堵固壁技术，封固地层微裂隙，提高地层整体强度，形成薄而韧的泥饼，减少滤失量，达到稳定井壁的目的，使钻井作业在坍塌周期内完成。3.2 岩屑膨胀实验和分散实验分析为了使钻井液体系优选和配方优化具有较强的针对性，首先对塔河油田易塌井段进行岩屑膨胀、分散室内实验和粘土矿物分析，通用过分析结果，优选钻井液体系。根据易扩径地层泥页岩膨胀和分散性实验部分实验结果（表 2、表 3）可知：三叠、石炭系泥岩 CST 值 150260s，Mt 值0.50.7g/g，属中等膨胀和中等分散泥岩。表
8、2 泥页岩膨胀实验结果膨胀实验值井深m Mi N Mt45965188 0.49530.2877 0.04380.0419 0.71950.4847表 3 泥页岩分散实验结果CST 值井深m 2 10 60 15min45965188 116.549.4 124.760.0 180.775.1 266.7148.43.3 粘土矿物分析根据 X-射线衍射分析结果（表 4、表 5）：地层粘土总量为 45%62%，粘土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，两者合计达 70%以上，随井深增加伊/蒙混层增多且混层比增大，伊利石、绿泥石、高岭石随之降低。表 4 全岩矿物 X-射线衍射分析结果全矿物含量%样号 井深
9、 m 岩 样石英 方解石 斜长石 钾长石 白云石 粘土总量1 45964610 灰色泥岩岩屑 31 6 1 622 49234929 灰色泥岩岩屑 35 8 1 563 50755085 灰色泥岩岩屑 29 11 12 1 2 45第六届全国石油钻井院所长会议论文集161表 5 粘土矿物 X-射线衍射分析结果粘土矿物含量%样号 井深m 岩 样 Kao Ch I I/S I/SS%1 45964610 灰色泥岩岩屑 13 17 35 35 402 49234929 灰色泥岩岩屑 12 13 25 50 453 50755085 灰色泥岩岩屑 11 11 21 57 553.4 钻井液体系优选在塔
10、河油田现有的钻井液体系得基础上，利用易塌井段的岩屑进行热滚动回收实验，结果（表6）显示，多种体系中聚合物体系（配方 1 和 2）对该段地层具有较强的抑制性。表 6 塌河油田钻井液回收实验序号 分散液配方 回收率 %0 清水 31.481 清水+0.5%KPAM+2%GLA+2%PB-1+2%MFG+2%SLA-2B 61.892 清水+0.5%KPAM+2% HFT-301+2%QS-2+2%MFG+2%SLA-2B 59.423 清水+大阳离子(CHM)0.3%+ 小阳离子 (NW-1)0.3% 48.144 清水+大钾(K-PAM)0.3%+正电胶(MMH)0.3% 30.865 清水+两
11、性离子聚合物 (FA367)0.3%+正电胶(MMH)0.3% 46.436 清水+金属离子(PMHA)0.3%+金属离子(JMHA)0.3% 48.863.5 技术措施技术上坚持“强抑制、严封堵，适当高的密度防塌，注重流变性与抑制、造壁性间的协调统一”的技术思路。抑 制 性 的 提 供 ： 大 小 分 子 和 理 配 比 ， 利 用 高 聚 物 （ KPAM、 AT-1、 LHB-105 等 ） 在 粘 土 表面 形 成 连 续 吸 附 水 化 层 ， 并 提 高 滤 液 粘 度 ， 滞 缓 水 分 子 向 泥 岩 渗 透 ； 中 分 子 （ NH4PAN、 KPAN等 ） 通 过 护 胶
12、作 用 形 成 致 密 泥 饼 ； 利 用 较 高 矿 化 度 的 地 下 水 处 理 钻 井 液 ， 保 持Ca+： 300 500mg/L、 Cl-： 5000 12000mg/L， 提 高 滤 液 化 学 抑 制 性 和 调 节 钻 井 液 水 相 活 度（ 通 过 电 解 质 类 型 和 浓 度 来 控 制 ， 建 立 与 地 层 水 活 度 平 衡 ） ， 对 井 壁 岩 石 起 抑 制 膨 胀 和 分 散 的 作用 ， 并 且 可 以 阻 止 水 向 岩 层 运 移 ， 起 井 壁 稳 定 作 用 。封堵造壁的形成：优质的钻井液泥饼起着保护井壁不受液流冲刷及提高液柱对地层压持力的作
13、用。封堵剂主要选择改性沥青或有机硅护壁稳定剂及多元醇成膜树脂 FGA。利用沥青类处理剂（GLA 、HFT-301 ） 、有机硅护壁稳定剂吸附在井壁页岩及微裂隙阻止滤液渗入；在一定温度和压差下不溶物发生变形封堵微裂隙和孔隙，在井壁形成致密的内泥饼，提高对微裂隙或破碎地层的粘结力和井壁地层强度；多元醇靠大量羟基（-OH）吸附交联粘结成膜并吸附于井壁延缓滤液渗透；配合桥接粒子（QS-2、PB-1）形成严密的“屏蔽环” ，实现近井壁严密封堵。环空流态的控制：控制钻井排量、调节流变性主要是动塑比值，使环空液流为平板化层流。实现低返速、低粘度钻井液有效携岩、避免紊流液流冲蚀井壁的目的。将钻井液作为塑性流体
14、考虑，环空紊流临界返速计算公式为：塔河油田三叠系石炭系井壁稳定技术162PV+PV2+25.2*YP*（D-d） 21/2V 临界 =10（D-d ）其中：V 临界 m/s；PVmPas；YPPa；钻井液密度 g/cm3；D井径 cm；d钻具外径 cm。根据计算，三叠系、石炭系井段采用低排量（2225L/s ）钻井，适当提高粘度（5570s）及动塑比值（0.40.5） ，使环空液流保持层流并使之平板化，这对硬脆性泥页岩剥落起强有力稳定作用。提高动塑比值的方法有：适量电解质的加入增强了钻井液颗粒形成并加固结构的能力。加入预水化淡水坂土浆有利于提高动塑比。加入较大分子量的聚合物、使用结构形成剂正电
15、胶或复合金属离子聚合物或长纤维物质提高动切力。使用固控设备除去有害固相，保留优质土胶体颗粒，降低塑性粘度。3.6 体系配方及维护处理3.6.1 体系配方（42005550m）根据室内实验和技术措施，优化聚磺钻井液体系配方：聚合物钻井液+0.3%0.5%KPAM+ 0.5% 1%NH4PAN+2%3%GLA（或 HFT-301）+1.5%2%SMP、SPNH+2%3%QS-2 或 PB-1（+2%硅络合醇 SLA-2B+1%2% 有机硅护壁剂 MFG）3.6.2 维护处理（1）上部井段（45004800m ）1）主要以 KPAM、AT-2、NH 4PAN 复配低浓度胶液维护调整钻井液流变性和补充
16、钻井液量。2）以 0.2%0.3%浓度高聚物、0.5%0.8% 聚合物降失水剂和 5%10%磺化处理剂（或以干剂加入）降低钻井液失水量，改善泥饼质量，提高抗温、造壁封堵能力。3）地层压力逐步升高，随井深增加，逐步提高密度至 1.28g/cm3。（2）下部井段（48005550m ）1）针对三叠、石炭系泥岩膨胀坍塌掉块，提高钻井液密度（使用设计上限）平衡地层压力，以此为基础加足防塌处理剂突出封堵造壁维护地层稳定。2）配置高浓度磺化处理剂（SMP、GLA、SPNH）碱液或以干剂加入，磺化处理剂含量保持在2%3%，配合 QS-2、PB-1 和固控技术改善固相粒级分布严格封堵，增大井浆聚合物浓度强化抑
17、制。控制 API 失水（5mL）和 HTHP 失水（10mL） 。调整 pH 值 8.59 以使磺化处理剂发挥功效。3）选择一套适合井壁稳定的流变性能。根据井下情况，降低排量（2225L/s） ，调整流变性能（YP：810Pa；PV：2230mPas；FV：5570s）控制合理流型。 4）强化固控管理，使用好钻井液净化设备，达到清洁钻井液的目的。尤其在钻井液加重前，应先将无用固相降下来，以控制钻井液固相含量改善泥饼质量。4 现场应用效果第六届全国石油钻井院所长会议论文集163该套钻井液体系及维护处理方法，在沙 86、TK634 井获得应用并取得良好效果，特别是TK634 井取得了多项技术指标：
18、4.1 TK634 井TK634 井 位 于 塔 河 油 田 沙 雅 隆 起 牧 场 北 构 造 6 区 块 ， 是 一 口 简 化 井 身 结 构 的 实 验 井 ， 井 身 结 构 为 ： 444.5mm796.5m+ 241mm5546m+ 149mm5710m、 339.7mm793.3m+ 178mm5543.55m，全 井工程质量综合评定为优；钻井液性能优良（表 8） ，有利于 PDC 快速钻进，全井平均机械钻速7.16m/h，三叠系、石炭系井段平均机械钻速 4.5m/h，石炭系井段平均机械钻速 2.26m/h。沙 86 井使用牙轮钻头石炭系井段（48055564m ）机械钻速 1
19、.15m/h，全井平均钻速 3.62m/h。表 7 TK634 钻井液性能表钻 井 液 性 能井深m 密 度g/cm3粘度s失水mLHTHPFL静切力Pa pHPVmPasYPPaMBTg/L固含%Ca+mg/LCl-mg/L -4500 1.191.22 5062 54.5 11 9.5 2 4/48 89 1523 48 4745 10.512 450360 50008500 1520-4900 1.221.28 6065 54.5 9.5 10 4 6/812 9 2430 810 4440 1212.5 280340 85009500 1821-5546 1.281.30 5570 5
20、4.5 910 3 5/810 98.5 2832 710 3845 12.511 340440 920010000 18254.2 沙 86沙 86 井 是 塔 河 油 田 沙 雅 隆 起 艾 协 克 南 5 号 构 造 上 的 一 口 预 探 井 井 身 结 构 为 444.5mm500m+ 311mm3907m+ 216mm5573.88m+ 149mm5881.5m/ 339.7mm497.87m+ 244.5mm3903.83m+ 178mm5562.69m+ 127mm5780m， 二 开 实 际 密 度 最 高 为 1.20g/cm3， 三 开 中 完处 理 套 管 事 故 挤
21、水 泥 ， 钻 水 泥 塞 时 降 密 度 至 1.22g/cm3， 由 于 射 孔 处 未 封 固 导 致 石 炭 系 高 压 盐 水 层 出 水 ，根 据 回 压 计 算 压 稳 最 低 密 度 为 1.28g/cm3， 石 炭 系 高 压 盐 水 的 涌 出 ， 证 实 多 压 力 系 统 的 存 在 。 TK634 井井 身 结 构 的 简 化 使 不 同 压 力 系 统 处 于 同 一 裸 眼 井 筒 ， 增 加 了 井 眼 控 制 难 度 。 说 明 该 体 系 能 够 适 应 多 种压 力 梯 度 ， 具 有 优 良 的 防 漏 、 防 塌 功 能 ， 长 裸 眼 （ 4749.
22、50m） 钻 进 安 全 快 速 、 起 下 钻 基 本 畅 通 、 测 井和 下 套 管 顺 利 。 同 时 ， 简 化 井 身 结 构 和 选 用 PDC 钻 头 大 大 提 高 了 钻 井 进 度 （ 钻 井 周 期 73d） ， 缩 短 了 易塌 层 段 浸 泡 时 间 。5 结论与认识（ 1） 通 过 钻 井 液 流 型 改 进 和 控 制 ， 适 当 提 高 动 塑 比 值 和 控 制 低 的 环 空 返 速 ， 对 井 壁 维 护 是 有效 的 。（2）保持钻井液良好造壁性，除加页岩抑制剂和降滤失剂外，还需使用高软化点的磺化沥青、超细碳酸钙等材料充填地层微裂缝，才能提高易塌地层整
23、体强度。（3）在由聚合物钻井液转化为聚磺钻井液之前，使用固控设备清除劣质固相，确保合理的膨润土含量（4045g/L） 、固相含量（9%、考虑可溶性盐的影响）和处理剂用量，是保证钻井液加入加重材料和屏蔽暂堵材料能够保持良好流变性能的前提。（4）维护井壁稳定是一项系统工程，不仅与钻井液化学及岩石力学有关，还与钻井工艺技术参数以及管理因素密切相关。控制井眼失稳除了有效提高钻井液的质量，还应充分结合钻井技术统一考虑。作者简介：李云志，工程师 1977 年生 2001 年 毕业于重庆是由高等专科学校，现在吐哈钻井公司从事钻井液研究工作，通讯地址：新疆鄯善县吐哈钻井公司 邮编：838200 电话：09958379641 手机：13999691859 E-mail：塔河油田三叠系石炭系井壁稳定技术164
