番禺35-2气田井眼失稳原因分析及对策

陈 胜，赵远远，狄明利，马积贺，姚 磊

(中海油田服务股份有限公司油田化学事业部深圳作业公司，广东 深圳 518067)

番禺35-2气田位于珠江口盆地流花07自营区块，区域上位于白云凹陷北坡，北部紧靠番禺低隆起，距珠海约247 km。番禺35-2构造位于白云凹陷生成的油气向番禺天然气气区运移的构造脊上，断裂比较发育，该气田在探井钻井过程中存在大量钻井复杂情况，主要表现为起下钻遇阻、卡钻、泥包钻头、井眼缩径等。

番禺35-2气田A4H井φ311.15 mm井段钻进至4383.8 m中完，直接起钻至φ339.73 mm套管鞋，起钻过程顺利。原钻具下钻通井，直接下钻至3850 m遇阻，划眼下钻至井底，历时19.5 h，平均划眼下钻速度27 m/h，且划眼下钻过程中频繁蹩泵、蹩扭矩。期间振动筛持续有少量细碎硬质掉块返出。划眼下钻到底后，倒划眼起钻更换通井钻具组合下钻通井，下至3750 m后，问题同上，划眼下钻困难，井下垮塌严重。本井后续处理井下复杂情况时间高达168.75 h，最后套管仍未下至设定井深，严重影响钻井周期和工程质量。为避免该区块后续生产井作业中，发生类似井塌复杂情况，从地质和工程方面分析了本井垮塌的原因，对工程和钻井液技术措施进行了针对性改进，实用效果明显，A3H井钻井过程顺利，并成功下套管至设计井深。

1 井眼失稳的原因

1.1 地质原因

番禺35-2气田地质构造应力变化大，特别是水平应力方向有较大波动。由于泥岩地层形成初期，受沉积环境、沉积速度及沉积物成分的影响，泥岩地层存在丰富的层理面和微裂隙，随着沉积厚度加大、上覆地层压实及地质构造的强烈运动，岩石扭曲褶皱，泥岩地层中以水平方向为主的微裂隙变得纵横交错，存在较高的坍塌压力，且大于孔隙压力。按孔隙压力设计钻井液密度时，井眼内液柱压力不能平衡地层坍塌压力，导致井眼失稳。该区块珠江组泥页岩质脆，裂隙发育丰富，岩石整体稳定性差。地层的层理裂隙越发育，水越容易沿裂隙进入地层深处，使周围地层中的粘土矿物发生水化，因而井壁也越容易坍塌。

对井壁稳定性产生影响的主要组分是地层中所含的粘土矿物。地层中的粘土矿物与水接触发生水化膨胀导致井壁不稳定。各种粘土矿物膨胀能力的顺序为：蒙脱石>伊蒙间层矿物>伊利石>高岭石>绿泥石[1]。

表1 番禺35-2气田泥页岩X-射线衍射分析

上表1为PY35-2气田泥页岩X射线衍射分析实验结果，可以看出该区块粘土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，伊/蒙混层矿物水化膨胀不均匀，泥页岩水化膨胀将产生强大的压力，使井壁失稳。

1.2 工程原因

番禺35-2气田的三个主地应力大小关系为：上覆应力>水平最大主应力>水平最小主应力，水平最大主应力的方向为北偏东120°。斜井井壁稳定性表明，随着井斜角增加，坍塌压力升高，与水平最大主应力方位接近时，坍塌压力从直井的1.13可以升高到水平井的1.26。水平井井眼轨迹偏离水平最大主应力方位则略有降低，最低达到1.22。

由库仑摩尔准则计算可知，当上覆应力为最大主应力时，大斜度井最优钻井方向为垂直于最大水平主应力方向，沿此方向钻进，地层最不易坍塌[2]。

图1 PY35-2-A4H井对比轨迹图

上图1为PY35-2气田A4H井对比轨迹图，由图可知，该井方位角与最大水平主应力夹角为70°，垮塌严重井段3800 m后最小夹角不到60°，且井斜角在急剧增大，井眼轨迹不利于井壁稳定。以上分析可知，本井井眼轨迹有待优化，钻进层理发育地层过程中，应当考虑避开不利方位，选择最佳钻入角，优化井眼轨迹和井身结构，通过合理控制井斜和调控方位来尽量降低坍塌压力。

钻井液性能好坏将直接影响井眼的稳定。滤失量大、滤饼质量差、抑制性差使钻井液的自由水沿微裂隙进入泥页岩中、使泥页岩发生水化膨胀和分散，导致井眼失稳。在本井钻井液的处理过程中，有以下几点不利于井壁稳定：①开钻初期，钻完侧钻水泥塞后，考虑水泥可能对钻井液的污染，加入了过量的纯碱，造成碳酸根/碳酸氢根污染，导致全井失水偏大，且后期加入大量封堵材料效果也不明显；②为保证稳斜段钻井液携砂能力，钻井液粘切过高，触变性过强，完钻后直接起钻，抽吸压力过大而导致应力释放。③开钻初期对井下情况未引起足够重视，加入的封堵材料过于单一，且浓度不足；④后期处理过程中在未调整好钻井液性能的情况下，盲目提比重，致使钻井液密度过高，超过地层孔隙压力，对井壁形成较大的压差，从而使更多的钻井液滤液进入地层，加剧地层中粘土矿物水化，引起地层孔隙压力增加及围岩强度降低，最终导致地层坍塌压力增大，导致井壁力学不稳定，造成井塌。⑤通井耽误时间过长造成井壁周围泥页岩产生周期性坍塌[3]。

番禺35-2气田地温梯度为3.97 ℃/100 m，平均地层温度高达154.10 ℃。高温对钻井液的性能将产生严重影响，下面我们分析高温对PY35-2-A4H井钻井液性能的影响。以下为钻井液配方，热滚150 ℃前后的钻井液性能见表2。

钻井液配方：

2.5%膨润土+0.2%烧碱+0.1%纯碱+0.5%PF-PAC LV+0.5%PF-FLO+1%PF-LSF +1%PF-FT-1+2%PF-TEMP+0.5%PF-SMT+7%KCl+1%PF-SMP+0.3%PF-XC+0.3%PF-PLUS

表2 PY35-2-A4H井钻井液配方热滚150 ℃前后实验性能对比

由上表2实验结果可知，经过150 ℃热滚后钻井液老化严重，粘切急剧降低，携砂能力不足，且失水有增大的趋势，不利于井壁稳定。本井钻井液的抗温能力无法满足PY35-2-A4H井的作业要求[4]。

2 技术措施

2.1 钻井液技术措施

(1)短起前提高钻井液比重至ECD，以平衡地层应力释放，造成井垮。

(2)封堵材料复配使用，控制钻井液的滤失在4 mL以下，改善泥饼质量，以达到最好的稳定井壁的效果。

(3)控制好钻井液的流变性能，将塑性粘度控制在20～28 mPa·s，动切力控制在12～15 Pa，流性指数控制在0.3～0.5，达到平板层流的最佳流型。

(4)提高抑制性和润滑性。

(5)为了满足PY35-2气田大斜度井、大位移井携带和深部抗温要求。在原体系配方的基础上，探索抗温150 ℃，∮6≥12的钻井液配方。经过多组配方实验研究，在原配方基础上加入2%PF-TEMP和1%PF-SPNH的耐高温封堵材料，热滚前后性能无明显变化，无凝胶现象，流态好，满足现场施工要求。实验结果见表3。

表3 改良后配方热滚150 ℃前后实验性能对比

2.2 工程技术措施

(1)优选钻进参数。适当降低转速和钻压，在满足携砂需求的情况下，适当减小排量，减少对井壁的扰动和冲刷。通过调整钻井液的流变性能来满足携岩问题。

(2)优选钻具组合。钻具组合力求简单、实用，有利于钻进和起下钻作业顺利进行，减少钻具遇阻卡的机会，从而减少钻具对井壁的破坏。

(3)避免在珠江组不必要的划眼，如起下钻遇阻，则以遇阻点定点划眼通过，避免因大段划眼划伤已形成的井壁，造成井壁失稳。

(4)优选并使用好钻头。选用保径效果好，钻进过程有有修整井壁功能的钻头。

(5)控制起下钻速度，减少压力激动以免造成井壁失稳。

(6)起钻过程中连续向井内灌入钻井液，保持液面下降小于5 m，避免液柱压力降低，造成井壁失稳[5]。

3 结 论

(1)番禺35-2气田井眼失稳的主要原因是：泥岩的水化膨胀，硬脆性地层，层理发育裂缝性地层。

(2)优化后的PDF-PLUS/KCL钻井液体系具有较强的抑制防塌能力，抗温能力突出，能有效地解决番禺35-2气田钻井过程中井眼失稳的问题，现场应用效果明显。

(3)要有效地控制番禺气田井眼失稳，不但须优选钻井液体系、优化钻井液性能，还要采取相应的工程技术措施，并对井眼轨迹和井身结构进行了优化。