钻井完井工程中的井眼壁稳定性与防塌措施研究

孙舜

渤海钻探第二钻井工程分公司 河北 廊坊 065000

钻井完井工程存在井深、钻遇地层复杂、井眼失稳等问题，具体体现为三叠系和石炭系出现井眼坍塌、井漏、固井质量差等问题[1]。此外，由于井身质量优良率低、井径扩大率高、卡钻频繁出现，又加上测井资料不全，增加钻探成本，降低井钻探质量和效率。结合钻井完井工程三叠系、石炭系井眼壁等失稳问题，选取泥页岩岩心样，进行室内试验。同时，还开发了以下两套防塌钻井液配方，分别是钾醇钻井液配方和硅醇钻井液配方，此外，还开展相关现场试验工作[2]。

1 井眼壁失稳的常见原因

1.1 地质方面的原因

地层构造状态是导致井眼壁出现失稳坍塌的常见原因。在原始地应力的作用下，地壳始终处于不间断的运动状态中，因此，不同部位很容易形成挤压、剪切等构造应力。而这些构造应力相当高，远远超过岩石自身的最大强度，很容易实现断裂而释放较大的能量。但是，当这些构造应力经过聚集后，其能量仍然不满足促使岩石破裂的强度时，这些构造应力采用潜能耗，存储于整个岩石中，等待时机成熟后方可再次释放能量。但沉积环境不同，胶结程度不同时，岩石自身性质也存在一定的差异。对于泥页岩而言，其孔隙一旦出现压力异常问题，在进行成岩期间，在环境温度、外界压力的作用下，黏土与水分离后，会形成一定的自由水，这些自由水如果所处环境过于密闭，将会无法排出多余的自由水，多余的自由水汇聚于泥页岩孔隙内，会形成一定的高压问题。在进行钻井处理期间，一旦钻井液所对应的液柱压力过小时，岩石会释放大量的孔隙压力[3]。此外，当岩石孔隙与裂缝不断增加，并进行有效连通时，这些流体会快速注入到井内。

1.2 物理化学方面的原因

井壁失稳坍塌卡钻的物理化学方面的原因表现在岩石的水化膨胀、毛细管作用和流体静压力等，即与水的存在密切相关。只要使用水基钻井液，只要有水的存在，就有泥页岩的水化膨胀和坍塌问题。经过大量研究发现，泥页岩中的黏土含量、黏土成分、含水量及水分中的含盐骨对泥页岩的吸水及吸水后的表观有密切关系，泥页岩黏土含量越高，含盐量越高、含水量越少则越易吸水水化。蒙脱石含量高的泥页岩易吸水膨胀，绿泥石含量高的泥页岩易吸水裂解、剥落。值得注意的是井眼钻开之后，不仅引起原始地应力的重新分配，而且由于钻井液的浸入，黏土内部又发生新的变化，产生新的应力如孔隙压力、膨胀压力等，削弱了黏土的结构。

1.3 钻井工艺方面的原因

在钻井工程中，防止地层坍塌最重要的因素是控制钻井液的液柱压力。基于压力平衡理论，必须采取适当的钻井液密度，形成适当的液柱压力，这是针对薄弱地层、破碎地层及应力相对集中的地层的有效措施。但增加钻井液密度也有两重性，一方面钻井液密度高了有利于增加对井壁的支撑力，另一方面它又会导致滤液进入地层，增大地层的孔隙压力，增大黏土的水化面积和水化作用从而降低地层内部的结构力。此外，钻井液密度的确定，也受其他因素的影响，如钻井液液柱压力不能超过产层的孔隙压力等。在钻井工程实践中，要时刻注意钻井液的性能和流变性[4]。如果钻井液的循环排量大、返速高呈紊流状态，容易冲蚀井壁地层，引起坍塌，但如果钻井液循环排量小返速低呈层流状态，某些松软地层又极易缩径，但在己经发生井塌的情况下，不得不增大排量和返速，否则，不足以将塌块带出。

2 井眼壁失稳机理分析

2.1 X-射线矿物分析

通过分析钻井完井工程坍塌地层的全岩矿物组成，获得表1所示分析结果。同时，通过分析黏土矿物相对含量，获得表2所示的分析结果。从表1、表2中的数据可以看出，在钻井完井工程中，岩样岩性存在较大的差别，其不均质性比较突出。在整个岩样中，除了含有石英砂岩外，还含有砂质泥岩、黏土矿物等成分，其中，黏土矿物含量最高达到57%。在五种具有代表性的岩样中，黏土矿物组成成分存在较大的差异，以具有膨胀性的黏土矿物为例，其地层存在易膨胀、易分散、井眼壁失稳等问题；以非膨胀性的黏土矿物为例，其地层坍塌形式主要表现为掉块。

表1 X-射线衍射全岩矿物组成分析

表2 X-射线衍射黏土矿物组成分析

2.2 扫描电镜微结构分析

在钻井完井工程中，借助扫描电镜，对坍塌地层岩样结构进行扫描分析，发现岩心黏土矿物整个排列具有一定的规律性、取向性。通过分析和比较地层层理发育情况，发现部分岩心出现较大的微裂缝问题，所以，在进行钻井期间，在压差的影响下，钻井液可以直接沿着岩层裂缝，直接注入到地层内部，促使整个泥页岩出现明显水化现象，导致地层发生膨胀度高、易分散、掉块等问题。

2.3 理化特性分析

通过分析岩样的膨胀率和清水分散回收率，发现整个岩样岩心表现出较低的岩心膨胀率。不同岩心，其回收率存在较大的差别，但是，整体回收率值相对较低，这表明钻井完井工程大部分地层存在膨胀度低、易分散等特点。此外，对岩样比表面积和比亲水量进行试验分析发现，在钻井完井工程的同一地层中，如果井深岩样不同，其比表面积、比亲水量存在明显差异，且整体相对较高[5]。比表面积主要反映和体现地层分散能力高低；比亲水量主要反映出页岩表面所对应的水化膜厚度，当比亲水量不断增加时，水化膜厚度不断增加，泥页岩层之间存在较大的水化斥力，导致泥页岩表面出现明显坍塌现象，这是导致钻井完井工程井眼壁不稳定性的根本原因。

2.4 井眼壁稳定对策

结合井眼壁不稳定机理分析结果，提出一套行之有效的防塌技术对策。科学调整和控制钻井液密度，对地层坍塌压力进行有效地平衡，避免泥页岩地层出现坍塌安全事故；不断地强化钻井液抑制能力，促使钻井液高温高压滤失量不断降低，使其降低到最低值，避免泥页岩出现明显水化膨胀现象；综合运用硅酸盐等高凝胶性的物质，促使钻井液表现出较高的化学胶结固壁能力；有效调整和控制钻井液活度，使得钻井液表现出较高的防塌能力等。

3 钻井完井工程防塌钻井液配方研制

3.1 单剂优选与配方优化

借助滚动分散、高温老化等试验方法，优选包被剂、防塌剂等多种处理剂。同时，优化组合这些处理剂，并形成两套满足钻井完井工程井眼壁防塌处理需求的钻井液配方。1号钾醇钻井液配方：该配方的基浆密度、亚甲基蓝容量分别为1.029g/cm3、40g/L。2号硅醇钻井液配方：该配方的基浆密度、亚甲基蓝容量分别为1.04g/cm3、55g/L。

3.2 钻井液性能评价

结合现场实际应用需求，采用室内模拟评价的方式，对钻井液加重、抑制性、抗劣土污染、抗钙污染等性能进行评价。钻井液抑制性综合评价和抗劣土污染能力试验结果可以看出，膨胀率主要使用二级膨润土；回收率主要使用4646～4684m的岩屑；页岩稳定指数主要使用4660～4699m的岩屑。这两套钻井液配方具有悬浮性高、抑制性高、抗劣土污染能力强等优势，完全满足现场施工需求。

4 现场应用

4.1 TK826 井

TK826井作为钻井完井工程的一口开发井，所设计井深和完钻井深分别为5970m、5946m。某井段所出现的裸眼较长，裸眼井段长度达到4600m，整个钻遇地层比较复杂，整个邻井曾经多次出现井眼壁坍塌安全事故。为保证钻井操作的安全性，对钻井液工作质量提出了更高的要求。当井眼壁钻至4000m之前，需要借助聚合物钻井液体系，从4400m位置处开始进行转型操作，并将其转换为聚磺钻井液体系，不断提升抗高温能力。同时，在4666m位置处将其转换为硅醇钻井液，整个聚磺钻井液体系转化相当顺利，有效地避免井眼壁坍塌安全事故的发生。TK826井钻井液转化前后性能变化见表3所示。

表3 TK826井钻井液转化前后性能变化

4.2 TK745 井

TK745井作为钻井完井工程所布置的一口开发井，其井深设置为4871.52m，并对钻头进行起钻更换处理。当起钻至2468.85m时，出现卡液未解卡等问题，后期，将卡点密度降低至1.16g/cm3，并进行解卡操作。当下钻至3300m时，将其转换为钾醇钻井液，使其卡点密度上升至1.29g/cm3，并继续向下不断钻井。严格按照地质要求进行冲孔，没有出现黏卡问题，完全达到预期效果。

4.3 应用效果分析

硅醇钻井液在转化前期、后期，其性能并没有出现明显变化，尤其是黏度一直维持在57mPa·s左右。此外，还能在钻穿二叠系白米后不会出现掉块现象。同时，滤饼表现出良好的致密性和韧性，整个高温、高压失水量小，简化钻井液维护流程，并有效地降低平均井径扩大率。在长裸眼井段中，通过使用密度为1.04g/cm3的钻井液，并不会出现黏卡问题。在钾醇钻井液配方的应用背景下，整个井眼壁地层界线变得更加清晰，确保整个岩屑纯正，不掺杂任何杂质。在进行钻井完井工程施工期间，整个转盘扭矩比较平稳，如果岩屑返回时间与实测值完全相符，说明钻井液表现出良好的悬浮携岩能力。

5 结束语

根据对钻井完井工程井眼壁失稳机理分析和防塌措施研究，得出以下几个结论：1）钻井完井工程复杂地层含有较高的黏土矿物。同时，其矿物成分存在较大的差别，具有亲水性强、膨胀度低等特点，很容易出现井眼壁坍塌安全事故。2）结合钻井完井工程地层特点，提出防塌技术对策，科学调整钻井液密度，促使地层坍塌压力得以有效平衡；不断增强钻井液抑制性，使得钻井液高温高压滤失量降到最低，避免地层出现严重水化膨胀现象；提高钻井液凝结固壁能力等。3）通过采用试验方式，在优选大量处理试剂的前提下，提出钾醇钻井液配方和硅醇钻井液配方。现场应用结果表明；以上两套钻井液配方均可以降低井眼壁坍塌风险，具有井眼规则合理、井眼扩大率低、处理剂添加量少、易维护等特点，使得钻井综合成本降到最低。另外，这两种钻井液配方具有操作简单、安全可靠、易维护等特点，完全满足井眼壁防塌处理需求。