大牛地气田水平段钻遇泥岩遇阻原因分析及对策

张永清 邓红琳 王锦昌 王翔

(中石化华北分公司工程技术研究院，郑州 450006)

水平井分段压裂是提高单井产能的重要技术，通过近几年的试验，水平井配合压裂改造已成为大牛地气田的主要建产方式。大牛地气田水平井的水平段长度一般在1 200 m左右，由于目的层非均质性强，且水平井段相对较长，在钻井过程中经常钻遇泥岩。泥岩对水基钻井液的要求较高，且水平井段井眼净化能力差，若工程技术措施不当，就会导致在泥岩段，甚至在砂岩段遇阻。遇阻不仅增加了钻完井的周期和成本，而且会导致压裂管柱无法下入目的层，进而严重影响水平井的开发效果。因此，防止或减少遇阻情况的发生具有重大意义。

1 遇阻概况

2012年，大牛地气田盒1段共完钻水平井57口，其中含泥岩段遇阻的水平井12口，占总井数的24.5%。钻遇泥岩遇阻回填，报废进尺4 227.37 m，损失时间244.67 d，导致7口井未按原设计完井。

盒1水平井段的泥岩一般处于砂岩段之间，位于水平段的中前部或中后部，遇阻发生在泥岩段或砂岩段，泥岩段遇阻较严重，遇阻常见情况如下:

(1)钻遇泥岩即发生剥落、垮塌，轻微遇阻，提高钻井液密度后稳定性变好，几天后划眼到该段上提下放遇阻、憋泵、憋转盘及返出泥岩掉块。

(2)钻遇泥岩后，在砂岩段，上提遇阻点下放时不遇阻，在上提顺利段下放时却遇阻，有时出现大段砂岩遇阻。

(3)泥岩段在后期划眼、通井作业中，个别点出现遇阻，上下活动或下压即可通过。

2 遇阻原因分析

根据现场的遇阻情况，结合遇阻的判断依据［1］可知:情况(1)、(3)为坍塌遇阻;情况(2)为缩径遇阻。坍塌遇阻主要发生在泥岩段，缩径遇阻主要发生在砂岩段。分析出现这2种遇阻情况的主要原因是钻井液密度不合理、滤失量过大以及钻井液携岩能力差。

2.1 钻井液密度的影响

2.1.1 钻井液密度对泥岩段的影响

进入水平段后钻头在砂岩中钻进，使用的钻井液密度较低，由于砂岩的力学稳定性优于泥岩，钻遇泥岩后，若钻井液的液柱压力不足以平衡泥岩的坍塌压力，泥岩便出现剥落掉块。

钻遇泥岩后，现场一般会提高钻井液密度以平衡泥岩的坍塌压力，若仍有泥岩掉块，则进一步提高钻井液密度。硬脆性泥岩成岩后，由于构造应力的拉伸、挤压和剪切会形成许多纵向裂纹［1］，当钻井液密度提高后，钻井液更容易进入到这些裂纹中，导致孔隙压力增大，作用在泥页岩上的有效应力减小，使裂纹进一步扩展［2］，加剧了泥岩的不稳定性。

另外，钻井液密度增大，渗滤压差增大，机械钻速降低，泥岩受钻井液浸泡的时间增加，钻井液的滤失量增加［1，3］。水进入泥页岩后发生水化反应，导致泥页岩强度降低，进而发生剥落掉块，导致坍塌遇阻。

2.1.2 钻井液密度对砂岩段的影响

钻井液密度对砂岩段的影响主要体现在滤失量增加和泥饼增厚。钻遇泥岩后，钻井液密度提高，井底压差增大，对于水基钻井液，钻井液静滤失方程如下［4］:

式中:Vf— 滤失量，mL;A— 渗滤面积，cm3;K — 泥饼渗透率，μm2;ΔP — 渗滤压差，105Pa;fsc—泥饼中的固相含量体积分数;fsm—钻井液中的固相含量体积分数;μ—滤液黏度，0.1 mPa·s;t— 渗滤时间，s。

由式(1)可知:其他条件都不变时，滤失量与渗滤压差的平方根成正比。对于渗透性较好的砂岩段，当渗滤压差增大时，滤失量大幅增加，滤饼变厚，进而导致缩径遇阻。

2.2 钻井液滤失的影响

滤失量增加，在高渗的砂岩段主要导致滤饼增厚，造成缩径遇阻;而在低渗泥岩段则主要导致泥岩发生水化分散、剥落坍塌，造成坍塌遇阻。

硬脆性泥岩中孔隙及微小裂纹的毛管半径很小，易吸收钻井液中的水。滤失量增加，进入泥岩中的水量也相应增加，水进入泥岩后减小了层面间的接触摩擦力，泥岩强度大幅减小，导致其发生物理崩解，在侧压力的作用下或在钻具的敲击下就会剥落掉块。

盒1段的黏土矿物主要为高岭石、绿泥石、伊利石、伊/蒙间层，其中绿泥石和伊利石含量较高，高岭石和伊/蒙间层含量较低［5］。伊利石易出现离子交换进而产生表面水化和渗透水化;高岭石容易发生剥蚀掉块;伊—蒙混层2部分的水化能力不同，容易出现非均匀性膨胀。滤失量增加后，水与硬脆性泥岩的化学反应加剧，进而导致泥岩段坍塌遇阻。

2.3 钻井液携岩能力的影响

钻井液携岩能力差时岩屑不能及时被带出井筒，在重力作用下易在水平段形成岩屑床［6］，增加了钻井液中的实际含砂量和固相含量，堆积的岩屑在一定程度上缩小了井眼内径，易导致下钻遇阻、憋泵甚至卡钻。

钻遇泥岩后，现场一般加入泥岩抑制剂和降滤失剂等有机处理剂，来防止泥岩出现垮塌。这些有机处理剂自身就有微增黏效果，若再大量使用增黏效果较好的降滤失剂(LV-CMC等)，就会导致钻井液黏度、切力升高，流动性变差。黏度增大后，流动阻力和泵功率消耗增大，当泵的功率一定时，排量就会减小，钻井液返速减小，导致携岩能力变差，井底残留较多沉砂，造成缩径遇阻。

3 防止遇阻的对策

3.1 钻井液技术措施

3.1.1 使用合理的钻井液密度

砂岩段遇阻很大程度上是因为钻遇泥岩后，滤饼增厚缩径;泥岩段遇阻则主要是因为发生了剥落掉块或坍塌。对于含微裂缝或层理的硬脆性泥岩，提高钻井液密度可平衡坍塌压力，但太高的钻井液密度可能会加剧泥岩发生垮塌［3］，况且单纯提高钻井液密度无法平衡较高的水化压力［1］。四川某井在泥岩段的钻井液密度远高于坍塌压力当量密度，仍出现掉块［6］。因此，不能只提高钻井液密度来平衡坍塌压力，应使用合理的钻井液密度，使钻井液快速通过泥岩段，减少钻井液对泥岩的浸泡时间。

表1中给出了11口井钻遇泥岩后所使用的钻井液密度，其设计的完井方式均为预制管柱完井。若以延迟时间(实际水平段施工时间+实际完井时间-设计水平段施工时间-设计完井时间)来衡量遇阻程度，则钻井液密度和遇阻程度的关系如图1所示。延迟时间随钻井液密度增加基本呈先减少后增加的趋势，存在一个密度区间使延迟时间较短;延迟时间较长时，压裂管柱也较难下入;钻井液密度在1.18～1.22 g/cm3时，延迟时间少且压裂管柱下入性好。建议钻遇泥岩后逐渐将钻井液密度增加至1.18 ～1.22 g/cm3。

3.1.2 使用封堵材料封堵孔隙和裂缝

钻遇泥岩后，现场将提高钻井液的抑制性并降低钻井液的滤失量。为减少水与泥岩发生化学反应，一般控制钻井液的滤失量小于5 mL［7-8］。然而在实践中，当钻井液密度和滤失量都满足条件的情况下，有些井仍会出现遇阻。一方面在水平井段，岩屑混入钻井液形成的泥饼质量差，导致实际滤失量偏高;另一方面，硬脆性泥岩含微裂缝，钻井液未在其表面形成有效的泥饼，导致滤失量过大。

表1 不同密度下各井的延迟时间和完井方式

图1 钻井液密度与延迟时间和完井方式的关系

采用封堵材料，封堵砂、泥岩的孔隙和裂缝，可在孔隙和微裂缝表面形成一层薄而韧的隔层，从而有效隔开钻井液，使滤失量减少。当钻井液密度增大时，封堵材料进入孔隙和裂缝，减少了水和泥岩的接触机会，也延缓了孔隙压力的传递。因此，使用封堵材料封堵孔隙和裂缝，不仅可进一步降低滤失量，减少泥岩发生水化反应，还可以减缓力学失稳。

例如:DPH-25井水平段钻遇泥岩多次，第一次钻遇硬脆性泥岩揭开后便出现垮塌，侧钻后使用封堵材料乳化沥青，有效的抑制了泥岩剥落，效果非常明显。常用的封堵材料还有超细碳酸钙、沥青、磺化沥青等。

3.1.3 使用合理的流变性参数提高携岩能力

水平井钻井过程中，影响携岩能力的因素主要有地质条件、工程设计、设备条件、钻井液流变参数和环空返速等［9］。但在实际工况下，影响携岩效果的可控因素仅为环空返速和钻井液流变性［10］。

环空返速对水平井段携岩程度有很大的影响［11］。钻井液流变性对岩屑的携带与悬浮、井壁稳定等有一定影响［4］。钻井液携岩能力差，易形成岩屑床和虚泥饼，进而造成缩径遇阻。因此要使用合适的环空返速和流变性参数，同时也要考虑有机处理剂对流变性的影响。

表2中给出了10口井水平段钻遇泥岩后所使用的钻井液参数，其中DPH-71、DPH-28、DPH-38和DPH-24井遇阻程度较低。

表2 水平段钻遇泥岩后各井使用的钻井液参数

由于设备限制，在盒1段水平段钻进中泵排量一般在17 L/s左右，根据相关公式可计算出环空流速和环空临界流速，由表2可知，环空临界流速和环空返速的差值大于零，即钻进时钻井液处于层流状态;遇阻程度较低井的差值分布在0.36～0.41 m/s。

遇阻程度较低井的钻井液流变性参数:塑性黏度介于16～18 mPa·s，动切力介于6.13～7.15，动塑比介于0.34～0.42;采用φ200和φ100时的数值来计算流性系数和稠度系数，流性系数介于0.55～0.69，稠度系数介于0.12～0.19。

环空临界流速与环空返速的差值和钻井液流变参数都存在一个最优区间使水平段遇阻程度最低。

3.2 工程技术措施

(1)短程起下钻，破坏岩屑床。钾铵基聚合物体系在水平段携岩能力相对较差，容易使岩屑沉积形成岩屑床，不仅增加了钻具的摩阻，造成托压，而且缩小了井径，容易导致遇阻。因此，每钻进150～200 m，水平段要短程起下钻一次，及时破坏岩屑床，保证起下钻顺畅。

(2)控制起下钻速度［7］，不在泥岩段开泵，防止激动压力过大，导致泥岩应力释放，出现掉块、坍塌。

(3)优化钻具组合，减少使用接近钻头尺寸的钻具。

(4)水平段考虑使用1.25°螺杆配合148 mm双扶增大井径，避免完钻后长时间划眼，增加泥岩的浸泡时间，加大遇阻的风险。

4 结论

(1)使用合理的钻井液密度，使其快速通过泥岩段，防止坍塌遇阻。研究区含泥岩水平井段合理的钻井液密度区间为1.18～1.22 g/cm3。

(2)使用封堵材料，封堵孔隙和裂缝可较好地防止泥岩段出现坍塌遇阻。

(3)环空返速和钻井液流变参数都存在一个最优区间，使钻遇泥岩后水平段遇阻程度最低。

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