张家垛地区地层稳定技术研究与应用

季凤民，柳长春

（1.中国石化中原石油工程有限公司钻井四公司，河南濮阳457321；2.中国石化华东分公司采油厂，江苏泰州225300）

张家垛地区地层稳定技术研究与应用

季凤民1，柳长春2

（1.中国石化中原石油工程有限公司钻井四公司，河南濮阳457321；2.中国石化华东分公司采油厂，江苏泰州225300）

随着苏北地区油气勘探开发的不断深入，钻井遇到的各种复杂情况也随之增多，如盐城组、三垛组软泥岩水化膨胀导致缩径，造成起下钻、电测作业遇阻卡，戴南组、阜宁组硬脆性泥页岩发育导致掉块垮塌，阜宁组地层泥岩胶结致密，可钻性较差，钻速低，井眼轨迹控制困难。针对上述难题，通过对苏北张家垛地区井壁稳定性进行技术攻关和实践，实现了在该地区钻井技术的突破和进步，有效解决了张家垛地区地层稳定问题，为张家垛地区优快钻井奠定了基础。

张家垛；井壁稳定；缩径；垮塌

1 张家垛地层特征和难点分析

张家垛区块位于苏北盆地南部海安凹陷西部曲塘次凹，地层主要有东台组、盐城组、三垛组、戴南组及阜宁组等。钻井过程中，常因地层缩径、垮塌造成长井段划眼或发生卡钻故障，甚至填井侧钻等，钻井和完井周期同其它区块相比较长。

东台组地层砂砾层夹粉砂质黏土，胶结疏松，易垮塌、易堵水眼。盐城组泥岩易蠕变缩径，在软硬交错井段易井斜，易渗漏形成较厚虚泥饼，造成假性缩径。三垛组软泥岩，易发生塑性强、石膏污染，钻屑易水化分散，发生黏土侵，造成钻井液黏度高，切力高，流变性差，开泵困难，导致弊漏地层和地层假性缩径。戴南组含砾砂岩，钻井中易发生泥岩吸水膨胀，井壁掉块垮塌；阜宁组地层为主要目的层，阜宁二段岩性为灰黑色泥岩夹黑色灰质泥岩，地层可钻性较差，硬脆性泥页岩易吸水膨胀而产生剥落掉块，造成垮塌卡钻或长井段扩划眼。

2 张家垛地区地层失稳统计分析

2.1 概述

近年来在张家垛钻井施工中井下复杂情况频繁发生。如张4斜1井因阜宁组地层井壁失稳垮塌，共造成两次卡钻故障，卡钻主要原因是现场使用钻井液密度偏低不能平衡阜宁组地层压力，造成含膏泥岩地层蠕变，缩径、掉块造成卡钻。

张2-4井在2 760～3 005 m井段起下钻阻卡严重，划眼困难，憋泵严重，失水增加，主要原因是钻井液密度偏低，致使地层水、二氧化碳侵污钻井液，导致钻井液失水升高，造成井壁失稳垮塌，导致起下钻遇阻、划眼困难。

张3-7HF井也因井壁失稳多次造成井下复杂及垮塌卡钻，造成填井侧钻。

曲3井钻进至3 550 m拉井壁遇卡，开泵倒划眼不畅造成卡钻，采用爆破松扣，套铣打捞无效并卡钻，最终事故完井。张家垛地区故障与复杂情况见表1。

从表1可以看出张家垛地区钻井井下复杂类型主要表现在起下钻、电测时遇阻卡。复杂情况的主要原因是戴南组、阜宁组地层井壁失稳，缩径和掉块垮塌造成。

从表2可以看出，张家垛区块盐城组、三垛组、戴南组及阜宁组地层均存在井壁缩径及掉块，盐城组及三垛组地层易缩径及掉块较严重，戴南组及阜宁组地层胶结致密，井壁垮塌掉块严重，井径扩大率较高，影响井下安全，复杂情况和故障多发于该井段。

2.2 张家垛地区井壁失稳机理分析

井壁失稳的因素多达20余种（图1），在这些因素中，地层特征和边界条件是不可控的因素，解决井壁失稳的一个重要方法就是充分认识影响井眼稳定性的不可控因素，依据可控因素，制订适宜的工程技术措施，达到井壁失稳预防和处理的目的。

表1 张家垛区块部分完钻井井下复杂情况Table 1 Complex downhole situation of some completed wells in Zhangjiaduo block

表2 张家垛区块部分完钻井井径数据Table 2 Well radius data of some completed wells in Zhangjiaduo block

图1 影响井壁稳定的因素Fig.1 Factors affecting borehole stability

从机理上井壁失稳的因素可分为两大类：一是地层因素，二是钻井工艺因素。张家垛地区井壁失稳的主要类型是井眼缩径及井壁垮塌掉块。该地区地层盐城组至阜宁组以伊利石、伊蒙混层及绿泥石为主，易吸水膨胀泥页岩普遍分布。表3是阜宁组泥页岩黏土矿物X射线衍射分析结果，从分析结果看，该地层泥页岩主要由高岭石和黏土矿物组成[1]，这种泥页岩结构及理化特性一方面使泥页岩在外力作用下极易沿微裂缝或层理破坏，造成井壁失稳；另一方面使钻井液滤液沿着微裂缝浸入地层深部后，随时间推移，会加剧深部泥页岩的水化膨胀，对井壁造成推挤而产生应力垮塌，再加上滤液进入深部地层后，扩大了泥页岩水化面积，降低了泥页岩的胶结强度和层理之间结合力，使泥页岩沿层理面或微裂缝裂开，进一步造成井壁失稳，所以一旦钻井液滤失量偏高，很容易发生井壁掉块、垮塌。

表3 张家垛地区阜宁组地层黏土矿物成分Table 3 Mineralogy of stratum clay of Funing group in Zhangjiaduo area

通过理论分析及现场实践，该地区的井壁失稳机理主要包括以下几个方面：

1）上部地层泥岩属软泥岩，塑性较强，压实程度低，黏土矿物易水化分散、膨胀。

2）戴南组、阜宁组地层含有微裂缝，在液柱压差作用下，钻井液中自由水就会涌入岩石裂缝中，发生水力联通，岩石结构强度大幅度降低，从而造成井壁失稳。

3）毛细管效应和水楔作用造成失稳。硬脆性泥页岩具有亲水性，当钻井液与含有微裂隙的岩石接触时，滤液在毛细管力作用下迅速进入裂缝深部，水化作用使微开的裂缝扩张，导致岩体破碎程度增大，结构强度大幅度降低，坍塌压力上升。

4）推挤失稳。在黏土矿物含量较高或微裂隙大量发育的地层中，钻井液中的自由水侵入微裂隙中或黏土矿物吸水膨胀，导致膨胀应力较大。由于每个单元的岩体都在膨胀，因此，碎体与碎体之间由于膨胀应力而相互推挤导致碎体沿缝面滑移、崩塌。

2.3 抑制井壁失稳技术对策

针对张家垛地区上部软泥岩井段，优选强抑制钻井液体系，优化钻井液性能，是解决该井段井壁失稳的有效手段。下部硬脆性泥页岩井段需采用“物化封固井壁阻缓压力传递—加强抑制水化—化学位活度平衡—合理密度有效应力支撑”的多元协同井壁稳定技术[2]，包含以下几方面技术措施。

2.3.1 上部软泥岩地层

1）首先保持合理钻井液滤失量，保证足够的排量，满足携岩和水力冲刷井壁的要求，依靠合理的钻井液当量循环密度支撑井壁，降低缩径。

2）通过短起下拉井壁对缩径井段进行物理破坏。

3）确定合理安全的起下钻速度，防止波动压力造成失稳。

4）提高钻井液抑制防塌能力和包被絮凝能力，抑制泥岩水化分散，控制地层造浆。

5）适当提高钻井液的滤液黏度和切力，降低“水力连通作用”和“毛细管效应”。

2.3.2 下部硬脆性泥页岩地层

1）低失水量和适宜的钻井液密度是保持井眼力学稳定的前提。充分利用钻井液的物理封堵和化学封固作用，减少滤液的侵入量，降低毛细管效应、水楔和推挤效应，防止岩石结构强度大幅度降低，增大钻井液安全密度窗口。

2）提高钻井液化学抑制防塌能力和包被能力，降低钻井液高温高压滤失量。

3）在易垮塌井段进行非钻进作业时（如划眼、短起、循环等），必须优先考虑钻井液保持合理的当量密度，杜绝定点循环、高速起下钻、强压硬拔等现象发生。

4）优选合理的钻具组合、钻头、钻井参数实施优快钻进，减少辅助钻井作业时间，最大程度缩短钻井液对地层的浸泡时间[3]。

3 钻井液室内研究和体系优选

3.1 钻井液室内优选

3.1.1 岩屑滚动回收率试验

实验用岩屑是张家垛地区2 400～2 600 m处的红色泥岩岩屑，粒径为20～60目，加量5.0%，在110℃滚动16 h后，岩屑在清水、2.0%聚合醇、2.0%聚合铝防塌剂、2.0%固相清洗剂、1.0%A样、2.0% A样溶液中的滚动回收率数据见表4。

表4 岩屑滚动回收率数据Table 4 Roll recovery data of rock debris

3.1.2 岩样分散性实验过60目筛岩样做岩心膨胀实验

实验用岩屑是张家垛地区2 400～2 600 m处红色泥岩岩屑，粒径为过60目的岩样，加量为5.0%，在常温下用页岩膨胀仪做岩屑在基浆、2.0%聚合醇、2.0%聚合铝防塌剂、2.0%固相清洗剂、2.0%硅铝络合剂、1.0%A样、2.0%A样的溶液中的线性膨胀量数据见表5。

表5 岩心线性膨胀数据Table 5 Linear expansion data of core

3.2 钻井液优选结论

从室内岩屑滚动回收率试验和岩样分散性实验结果看出，清水+5%膨润土+0.2%Na2CO3+0.2%复合金属两性离子聚合物+0.2%HP+2.0%硅铝络合剂，岩屑滚动回收率最高，岩屑线性膨胀最低，因此，针对不同井段，在此配方基础上，上部软泥岩井段采用两性金属阳离子聚合物强抑制钻井液体系，下部硬脆性泥页岩井段采用两性金属阳离子聚合物聚磺防塌钻井液体系。

4 现场应用情况

优选出的金属两性离子钻井液体系在张家垛地区应用3口井（分别是曲1-1HF井、曲1-4井、曲1-9井），取得了良好效果，具体技术方案如下。

4.1 盐城组—三垛组钻井液技术

盐城组地层以砂岩和软泥岩为主，钻速快，渗透性好，要防止砂岩、软泥岩缩径和渗透性漏失，二开采用金属两性离子强抑制聚合物钻井液，密度1.10～1.22 g/cm3，黏度50～60 s，维护方法如下。

1）钻表层套管水泥塞时加入Na2CO3，以减轻钙侵，控制好钻井液性能，控制pH值在9～10，用0.5%～0.8%NH4HPAN水溶液控制黏切。

2）盐城组二段为中细砂层，含大小不等的砂砾岩，钻进时保持钻井液黏度35～40 s，在中后期黏度下降，则通过加入大分子聚合物包被剂维持钻井液黏度，钻井液密度控制在1.10～1.12 g/cm3。

3）盐城组一段至三垛组二段为塑性软泥岩，钻井液维护以防止软泥岩缩径和控制造浆为主。使用聚合铝聚合物强抑制性钻井液体系。循环均匀后用NH4HPAN控制失水15～20 mL。造浆严重时，加大大分子聚合物的用量。

4）进入三垛组软泥岩容易吸水膨胀缩径且岩屑黏附在井壁上造成假缩径[4]，以提高钻井液和黏度控制为主，防钻头泥包，钻进中通过控制NH4HPAN加量控制钻井液失水为主。

4.2 三垛组—戴南组—阜宁组钻井液技术[5]

三开钻井液体系采用金属两性离子聚合物聚磺防塌钻井液，钻井液性能：密度1.20～1.35 g/cm3；黏度50～70 s；API失水4～5 mL；含沙量＜0.3%；pH值8～9。维护方法如下。

1）进入三垛组地层岩性一般以脆性硬泥岩为主，钻井液维护以防止井壁剥落掉块、垮塌为主，控制合适的钻井液密度，降低失水≤5 mL，提高钻井液的抑制能力和封堵能力，保证井壁稳定。

2）维护处理钻井液时，处理剂必须配成胶液加入，以免处理剂干粉在生效前被震动筛筛除，也防止溶解不好的聚合物胶团附在井壁上溶胀吸附岩屑造成假缩径。

3）定向钻进前充分利用物理和化学固相控制技术清洁钻井液，拉井壁清除黏附在井壁上的虚泥饼和岩屑，保证井壁光滑干净，维持较低钻井液黏度（40～50 s）有利于定向钻井。

4）进入阜宁组四段必须严格控制失水，钻井液性能波动不宜过大，否则易加剧地层垮塌掉块。

通过以上技术措施，解决了盐城组—三垛组井段缩径和戴南组—阜宁组井壁坍塌掉块等问题，确保了井下安全，施工中起下钻通畅，井身质量合格率100%，电测、固井等完井作业一次成功率100%，提高了钻井进度。试验井三开平均井径扩大率分别为曲1-1井12.86%，曲1-4HF井11.8%，曲1-9井5.20%。

4.3 应用效果对比

通过对张家垛地区3口井开展井壁稳定技术适应性研究与应用，结果表明：在提高井身质量、钻井速度、降低井下故障与复杂情况方面效果显著，见表6。

4.3.1 提高钻速，缩短钻井周期

曲1-1HF井完钻井深3 400 m，平均机械钻速11.87 m/h，钻井周期30.6 d，与同区块邻井相比钻速提高16.5%，周期缩短37.6%；曲1-9井完钻井深3 403 m，平均钻速12.01 m/h，钻井周期29.96 d，与同区块邻井相比钻速提高17.9%，周期缩短38.9%；曲1-4井完钻井深3 700 m，平均钻速7.77 m/h，钻井周期42.79 d，与邻井相比钻速提高26.7%，周期缩短29.74%。

4.3.2 降低井下故障与复杂情况，提高钻井时效

曲1-1HF井钻井时效38.99%，曲1-9井钻井时效39.4%，与同区块邻井相比提高12.89%；曲1-4HF井钻井时效35.21%，与邻井相比提高13.85%；三口试验井施工中，井下无故障与复杂情况，实现了安全高效。

表6 3200～3 400 m完成井钻井时效对比Table 6 Drilling aging contrast of complete wells in 3 200～3 400 m

4.3.3 井身质量控制

曲1-1HF井直井段最大井斜为1.5º，定向、水平井段最大全角变化率5.05º/30 m，平均井径扩大率为12.86%；曲1-4HF井直井段最大井斜为2.1º，定向、水平井段平均全角变化率为4.22º/30 m，平均井径扩大率为11.18%；曲1-9井直井段最大井斜2.2º，最大全角变化率4.72º/30 m，全井平均井径扩大率为5.20%，井身质量全部合格。

5 结论与认识

1）通过对张家垛地区泥页岩地层稳定性技术的研究与应用，在该地区实现了优快钻井，降低了井下故障和复杂情况，提高了钻井时效，形成了适合苏北张家垛地区的泥页岩井壁稳定技术和钻井施工技术方案。

2）通过张家垛地区地层稳定性技术研究和应用，为今后在其它地区进行相对应的钻井优快技术研究提供了技术支撑和借鉴。

3）三口试验井累计节约钻井周期48天，充分证明在张家垛地区进行地层稳定性技术研究，成效显著，随着该项技术成果的不断完善和推广，将进一步提高该地区钻井速度，节约钻井综合成本，取得更大的社会效益和经济效益。

[1]刘汝山，曾义金.复杂条件下钻井技术难点及对策[M].北京：中国石化出版社，2009.

[2]张琴.地质学基础[M].北京：石油工业出版社，2008.

[3]刘希圣.钻井工艺原理[M].北京:石油工业出版社，1988.

[4]曾义金.深部盐膏层蠕变关系研究[J].石油钻探技术，2004，32（3）：5-7.

[5]李允子，李根明.中原油田复合盐层的特性及其钻井工艺技术[J].石油钻采工艺，1985，7（6）：5-15.

（编辑：尹淑容）

Research and application of formation stabilization technology in Zhangjiaduo block

Ji Fengmin1and Liu Changchun2
(1.No.4 Drilling Company,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.,Ltd.,SINOPEC,Puyang,Henan 457321,China; 2.Oil Production Plant,East China Company,SINOPEC,Taizhou,Jiangsu 225300,China)

With the deepening of oil and gas exploration and development in North Jiangsu area,the complex situations in the pro⁃cess of drilling also increases,such as the hole shrinkage caused by soft shale hydration expansion in Yancheng and Sanduo forma⁃tion,which lead to drilling hard trip and other accidents,the sloughing caused by hard brittle shale development in Dainan and Funing formation.Funing formation is so dense with mudstone cementation that the drilling rate of penetration is low and wellbore trajectory is difficult to control.Aiming at these problems above,based on the research and practice of the wellbore stability of Zhangjiaduo block in North Jiangsu area,the drilling technology in this area were broke through and progressed,thereby effectively solving the wellbore stability problems of Zhangjiaduo block.It laid the foundation for high quality and high speed drilling in Zhangjiaduo block.

Zhangjiaduo,wellbore stability,hole shrinkage,sloughing

TE28

A

2014-11-21。

季凤民（1976—），男，助理工程师，安全管理。