东海西湖凹陷区块井壁稳定认识及实践应用

黄佩，马志忠，袁则名，和鹏飞，王喜杰

1.中国石化股份有限公司上海海洋油气分公司 (上海 200335)

2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 (天津 300452）

井壁失稳是钻井过程中常常遇见的难题之一，尤其在钻遇泥页岩井段。井壁失稳问题一直是钻井过程中较为重要的问题，如果在钻井过程中出现井壁失稳等问题势必会给其带来较为严重的经济损失。井壁失稳问题具有普遍性，据统计，钻遇地层中的75%由泥页岩组成，而涉及井壁稳定问题中的90%更是由泥页岩失稳导致的[1-3]。东海西湖凹陷区块位于上海市东向约300 km，在该区域勘探开发作业过程中，井壁失稳极易造成钻井遇阻、卡钻、井漏等情况，严重影响钻井安全和钻井时效，因此有必要在探井、开发井开钻前，参考邻近已钻井数据资料，精确评估钻井的井壁稳定性，分析潜在危险，有针对性地提出有效预防钻井事故的措施、优化钻井方案与施工的建议，达到安全、高效的钻井目的。

1 区域地质情况

1.1 地应力

根据地震剖面及成像测井资料，地应力方向及大小为：FMI成像分析水平最大应力方位N800～950E。区域内断层较为发育，在垂深大于3 500 m时上覆岩石应力(最大水平应力)最小水平应力，伴生天然裂缝、微裂缝。

1.2 地层温度及压力系统

近年实钻探井平均地温梯度为3.0～3.8°/100 m，地层孔隙压力在0.92～1.90 g/cm3。

1.3 地质分层及岩性

区域内自上而下依次揭开东海群、三潭组、柳浪组、玉泉组、龙井组、花港组、平湖组合宝石组。具体岩性见表1。

2 井壁稳定难点及应对技术思路

该区域主力油气层分布于花港组及平湖组以下，埋藏深度3 000～5 000 m，裂缝性地层与煤夹层发育，上部常压但下部地层孔隙压力存在异常高压（NB-1井实际钻遇地层孔隙压力2.1 g/cm3）。钻井工程中常规采用四开或五开井身结构，对技术套管的下深要求较高，实际施工面临的技术难点就是裸眼井段长、井壁稳定难度大，龙井组、花港组井壁坍塌失稳较为严重。根据不同地层的失稳机理，制定了相应的技术思路。

2.1 泥岩失稳机理及应对技术思路

区域内玉泉泉组、龙井组泥岩水化率高，下部花港组砂泥岩互层胶结致密，砂岩含细砾且研磨性强，泥页岩、脆性泥岩微裂缝发育，吸水后易膨胀坍塌掉块。

表1 地层层位划分及岩性

泥页岩失稳机理主要为：①钻开地层自身水化膨胀膨胀力推挤产生微裂缝；②地应力天然微裂缝发育。由于裂缝扩大，进一步加剧液相侵入和水化膨胀，井壁围岩强度和应力状态改变，其膨胀压远高于地层坍塌压力和钻井液密度，最终井壁力学失稳，造成钻具遇阻卡复杂情况甚至埋钻事故。重点是对地层裂隙裂缝及泥岩纳微米级缝孔的有效封堵。泥页岩渗透率极低，仅少量滤液侵入，即可导致井壁围岩内孔隙压力显著提高，降低有效应力支撑作用，导致井壁力学失稳问题。因此常规封堵材料适应性较差，应从成膜剂、从纳米到微米不同粒径架桥纳米封堵、抑制剂等多方面着手设计钻井液。同时上部井段钻速快，泥岩水化对钻井液性能稳定维护要求高；下部岩屑研磨颗粒细固相较难控制，现场需根据不同情况及时改变固控设备参数、胶液补充量等处理思路来应对。

2.2 砂、泥岩互层失稳机理及应对技术思路

砂、泥岩互层失稳机理主要为：钻井井液通过渗透性砂岩大量滤失和渗漏，液相侵入井壁后夹层产生泥岩水化膨胀。选择适合的成膜剂与封堵剂，加强对砂岩的有效封堵，减少液相滤失，形成优质泥饼。

2.3 煤层失稳机理及应对技术思路

煤岩对机械力作用十分敏感，由于受到泥页岩夹层的膨胀推挤，极易破碎。另外，微观范围内，存在于煤孔隙和裂缝中黏土矿物膨胀，胶结物、无机盐的分散溶解，也是导致煤层失稳的主要诱因。龙井至平湖组薄煤层较为发育，为解决煤层的井壁失稳问题主要是对砂泥岩、煤层的封堵及泥岩的为重点，降低膨胀对煤层的推挤，降低煤层内部结构破坏，同时，应避免为平衡地层坍塌压力，过高ECD导致薄弱煤层井漏[4-7]。

3 工程实践应用及效果分析

根据地层的失稳机理和应对原则，从钻井液体系选择和不断优化的角度出发，2010年至2016年，共作业探井42口，311.15 mm(12.25″)井段中，使用了PEM钻井液体系、低自由水钻井液体系、反渗透钻井液体系。

3.1 已使用钻井液体系介绍

3.1.1 PEM钻井液

在PEM钻井液体系中，PLUS是带阴离子功能团的聚丙烯酰胺，能选择性对钻井液中有害固相清除，保留了微颗粒的分散态。同时配合K+的强抑制性，抑制易水化分散地层造浆，使钻井液体系性能稳定，钻屑成型。但在砂泥岩互层井段中钻进，由于钻井液体系中微颗粒封堵性、成壁性欠佳，裸眼浸泡周期长，自由水侵入地层容易造成井壁失稳。

3.1.2 低自由水钻井液

该体系是由PEM钻井液体系升级，主剂为络合剂以及超细封堵材料，其中络合剂是适度交联的聚电解质，由高分子电解质离子网络组成，当遇水时，发生离解生成阴、阳离子，极性离子基团与水分子通过配位键形成的结合水，结合水再与水分子通过氢键形成的结合水层即束缚水。该体系不足之处由于络合剂是大分子材料，水分子在泥浆静液柱压差的水驱力下渗透入地层后络合剂会与水分子脱离，在地层孔隙中仍以游离水形态存在，所以该体系能在一定层度上起到束缚井筒内钻井液自由水、减缓水相进入地层孔隙的作用，但不能阻止泥质物水化，因此仍然无法从本质上解决井壁缩径、垮塌等失稳问题。

3.1.3 反渗透钻井液

与低自由水钻井液体系中络合剂不同的是，键合剂为小分子材料能在水分子之间形成键连，能随水相进入地层孔隙，起到始终束缚自由水分子的作用。理论上只要该材料达到与水分子较高的匹配浓度，是能够阻止地层中泥质物水化分散的，具备水基钻井液代替油基钻井液的可能性。同时，胶束封堵剂、微纳固壁剂在井壁形成半透膜效应、配合NaCl、KCl高盐水钻井液体系，并定量控制井下渗透压差来平衡钻井液与井壁地层的水驱动力以达到反渗透作用，进一步减少进入地层孔隙自由水量。

本体系具有较强抑制性，同时由于该体系的不分散性,为获得钻井液较高的切力和屈服值，需用高黏聚合物提高切力。目前低渗透钻井液体系在区块内试用井数较少，但都取得不错的效果。同时，该体系仍处于研究中期阶段，其实用性还有待进一步检验。

3.2 已使用钻井液体系效果对比

不同钻井液体系使用效果对比如表2所示。

由表2可以看出，由于钻井液的低失水，低自由水钻井液及小分子键合剂随水相进入地层，起到束缚自由水的作用。大大降低下套管遇阻的比例，提高生产效益。

4 结论

1）区块内柳浪组、玉泉组易水化分散，对钻井液性能维护、固控装置要求较高，但少有造成井下复杂情况。

2）龙井组、花港组、平湖组地层泥岩性硬脆，且含易水化膨胀矿物、应力集中段有微裂缝发育、煤层发育，井壁失稳后井筒内堆积大量硬脆泥岩岩屑及掉块是导致井下复杂情况发生的主要原因。

3）水基钻井液体系的选择应考虑使用强封堵、强抑制、低失水、成膜护壁能力好的钻井液体系。

4）揭开易失稳地层前即收紧失水、封堵、抑制等各项钻井液性能，预防易水化矿物吸水后膨胀压剧增，钻井液静液柱压无法平衡而导致地层失稳。

5）适时短起下钻检验井眼状况，若井下出现缩径、砂桥、虚泥饼等导致的复杂情况，应根据不同情况调整钻井液相应性能，且整个短起、循环过程中若补充新胶液，不宜加入盐类。一旦发生井壁失稳、垮塌严重的情况，需采用分段循环，清除（辅以重、稠泥浆塞）井内岩屑、掉块的思路处理至井眼顺畅。