湘新页1井钻井技术难点及对策

葛志强，郝卫光

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

1 概述

页岩气是从黑色泥页岩或者炭质泥岩地层中开发出的非常规天然气，我国资源潜力较大。近年来，我国越来越重视对页岩气这一非常规天然气的开发研究[1]。湘新页1井位于湖南省娄底市新化县油溪乡，处在涟源凹陷内。为一口直井、参数井，设计井深2800.00m，实钻井深2680.00m。勘探目的层是泥盆系佘田桥组页岩气层段。自上而下钻遇有石炭系下统测水组、石磴子组、天鹅坪组、马栏边组，泥盆系上统孟公坳组、欧家冲组、锡矿山组、佘田桥组，泥盆系中统棋梓桥组、易家湾组。

佘田桥组以灰、灰黄色薄层状泥灰岩为主[2]，夹钙质泥岩、泥质灰岩、泥晶灰岩，泥页岩主要发育于佘田桥组下部，为台间盆地相沉积[3]。本井钻遇佘田桥组厚度1458.00m。由于缺乏可参照的地层资料和工程资料，该井在破碎泥岩地层钻进对施工技术要求高。

2 井身结构

确定井身结构时应充分考虑了地层和压力可能的变化，套管程序的选择为各开次钻井安全留有余地，以保证完成钻探目的。井身结构见图1。

图1 湘新页1井井身结构图

3 工程难点

湘新页1井自二开以来，频繁出现长井段坍塌掉块的问题，尤其到了三开以后，坍塌掉块更加频繁、掉块尺寸3～5cm，见图2。井壁垮塌给钻探工作带来以下困难：增加了孔内岩屑量，卡钻、埋钻的风险大大增加；若要上返大块岩屑，需要提高钻井液粘度，使进尺速度降低；井壁垮塌使井壁呈不规则的“葫芦井眼”，测井易遇卡；固井时不规则井眼的泥浆顶替效果不好，影响固井质量。此外岩屑在孔底反复研磨，使钻井液固相含量增加，对后期储层开发不利。

图2 上返岩屑

结合构造背景和工区附近地层露头分析，大段井壁垮塌机理如下：由于工区内地层承压能力低，加之孔内构造应力释放（由工区附近的地层露头多见小型褶皱和断层推测，见图3），造成孔内大段地层垮塌掉落。上部的井壁由于失去了下步支撑，井壁稳定性差，加之钻具的扰动和钻井液冲洗，使井壁继续向上垮塌。如此恶性循环，最终造成井壁大段垮塌，形成“葫芦井眼”。此外，该井钻遇的泥岩地层水敏性强，极易吸水膨胀，钻具扰动使膨胀的泥岩层段破碎，并随灰岩地层一同垮塌。

图3 工区附近地层露头

4 工程技术措施

（1）防塌钻井液体系。目前，国内外主要的护壁方式，是在钻探作业中加入各类钻探泥浆和冲洗液，来起到护壁作用[4]。当上返岩屑量大、块大、进尺慢时，说明井壁发生垮塌，应及时调整钻井液性能，缓和井下复杂情况。钾铵聚合物钻井液体系能抑制井壁垮塌。基本配方为：4%～6%土浆+0.3%～0.5%KPAM+0.5%～1%铵盐+1%～2%有机硅腐殖酸钾+1%～2%改性淀粉+0.3%～0.5%HV-CMC+1%～2%纤维封堵剂+加重剂+0.2%纯碱+0.1%烧碱。CMC 可提高钻井液粘度切力、可以加快清除井内岩屑，减轻沉屑卡钻的风险。加重剂可提高钻井液密度（尽量走密度下限），使钻井液液柱压力尽量平衡地层应力。加入有机硅腐殖酸钾、铵盐和改性淀粉来抑制泥岩吸水膨胀。钻井液性能见表1。

表1 钻井液性能参数表

（2）防塌钻井液的维护与处理。钾铵聚合物防塌钻井液配制程序：回收一开钻井液，用淡水将钻井液膨润土含量调整到40～60g/L，按照次序往钻井液中加入设计浓度的KPAM、铵盐、HV-CMC、有机硅腐殖酸钾、改性淀粉、润滑剂、封堵剂等，充分循环后，检测钻井液性能，调整至满足开钻要求。

二开钻遇孟公坳组、欧家冲组、锡矿山组，难点问题是防塌、防漏。应严格控制钻井液的API 失水小于5mL，加足防塌剂有机硅腐殖酸钾、抑制剂铵盐、KPAM、降滤失剂HV-CMC、改性淀粉等，防止井眼坍塌，如出现井漏，根据后续的防漏堵漏程序进行处理。下∅244.5mm套管前，使用稠浆充分清扫井底，并加足润滑剂，保证套管能下到位。

三开钻遇佘田桥组、棋梓桥组等，难点问题是防塌、储层保护。应严格控制钻井液的API 失水小于4mL，加足防塌剂有机硅腐殖酸钾、抑制剂铵盐、KPAM、降滤失剂HV-CMC 等，防止井眼坍塌及地层出现水敏损害，加足聚合醇，防止水锁损害储层。下139.7mm套管前，使用稠浆充分清扫井底，并加足润滑剂，保证套管能下到位。

（3）防塌卡钻。钻至严重破碎带地层严格执行以下操作规程：坚持搞好起钻灌浆工作，钻具起完井筒内尽可能地灌满钻井液。钻进过程中，仔细观察岩屑返出情况。从返出岩屑粒样判断返出是否正常。进入垮塌井段，要注意观察井下情况，严格控制泥浆比重，泥浆密度变化在短期内不应超过0.02g/cm3。大排量循环，及时将掉块带出地面。禁止在易塌井段高速起下钻，以免抽吸压力过大而导致井塌。停钻时不能在同一井深段长时间大排量循环泥浆，以防冲垮井壁。若井塌卡钻，能开泵则小排量开泵，然后缓慢增大排量，直至恢复正常循环，上下活动钻具解卡。

5 应用成效

湘新页1 井实际钻井周期109.17d，钻井工程工期134.25d，平均机械钻速3.96m/h。全井生产时间2664.50h，占总时效82.54%。其中：纯钻时间677.17h，占总时效20.98%；辅助时间1987.33h，占总时效74.58%；非生产时效时间563.50h，占总时效为17.46%，其中：组织停工时间390.50h，占总时效为12.10%。

湘新页1井应用钾铵聚合物防塌钻井液，井壁坍塌掉块现象得到了及时缓解，井眼规则，井底沉屑厚度减小，成功安全钻穿了井壁垮塌井段，避免了井下复杂情况的发生。湘新页1 井的成功经验可为该地区后续的页岩气勘探钻井工程提供借鉴。

6 结论与认识

（1）工区岩层抗压强度低，孔内应力释放和泥岩吸水膨胀使孔内出现大段垮塌掉块，形成“葫芦井眼”。

（2）钾铵聚合物钻井液钻井液体系能抑制井壁垮塌，预防孔内事故的发生。

（3）严格要求工程技术操作，能最大程度地避免人为因素造成井壁垮塌。