江漢油田側(cè)鉆井鉆井液技術(shù)難點分析

1、江漢油田側(cè)鉆井鉆井液技術(shù)難點分析黃尚德 （江漢石油管理局鉆井二公司） 摘要 本文著重分析了江漢油田側(cè)鉆井與原井眼或直井在井眼穩(wěn)定、井眼凈化、井眼潤滑、儲層保護等方面相比較存在的突出技術(shù)難點，闡述了在鉆井液方面的技術(shù)對策，這些技術(shù)措施的落實對江漢油田側(cè)鉆井的成功鉆探具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞 江漢油田 側(cè)鉆井 大移井 水平井 鉆井液江漢油田隨著勘探力度的不斷加大，定向井、大斜度井、水平井、側(cè)鉆井等呈逐年增加之勢，有些井因設(shè)計的靶區(qū)小、油氣藏厚度越薄或因鉆遇斷層以及其它的原因等導(dǎo)致勘探目的落空而不得不填井重新側(cè)鉆或反復(fù)側(cè)鉆。這里所討論的側(cè)鉆井包括常規(guī)側(cè)鉆井、大位移側(cè)鉆井和側(cè)鉆水平井三類。由于側(cè)鉆井

2、是在原井眼的基礎(chǔ)上進行的鉆井工程，往往因鉆井周期長、側(cè)鉆點淺、裸眼井段長、鉆井液受水泥漿污染嚴(yán)重等原因給鉆井液帶來許多方面的困難與挑戰(zhàn)。概括來說，主要存在井眼穩(wěn)定、井眼凈化、井眼潤滑及儲層保護等四個方面的難題。綜合分析這類井鉆井液技術(shù)的難點并制定相應(yīng)的鉆井液技術(shù)對策是解決側(cè)鉆井鉆井液問題的關(guān)鍵。一、井眼穩(wěn)定難點及對策側(cè)鉆井壁穩(wěn)定是鉆井工程中最常見的井下復(fù)雜情況之一。發(fā)生井壁不穩(wěn)定的原因可歸納為力學(xué)因素與物理化學(xué)因素，但最終均歸結(jié)為井壁巖石所受的應(yīng)力超過其自身強度造成巖石發(fā)生剪切破壞。對側(cè)鉆井來說，隨著井斜角和方位角的變化、鉆井周期的延長、鉆井液性能的波動等因素的影響，井眼穩(wěn)定受到較原井眼井壁穩(wěn)

3、定更大的挑戰(zhàn)，必須須制定切實可行的鉆井液井眼穩(wěn)定措施才能確保鉆井的安全。1、井眼穩(wěn)定難點1）井斜角和方位角對井壁穩(wěn)定的影響井壁巖石所受的地應(yīng)力由兩部分組成：重力與構(gòu)造應(yīng)力。當(dāng)?shù)貙記]有受構(gòu)造運動作用，其水平地應(yīng)力是均勻的；而當(dāng)?shù)貙邮軓娏覙?gòu)造運動作用，水平地應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻性，其大小與上覆壓力之間的關(guān)系發(fā)生變化，引起坍塌壓力與破裂壓力的變化。水平井鉆井過程中，其井斜角和方位角均會隨所鉆深度而發(fā)生變化，而井斜角和方位角對坍塌壓力和破裂壓力的影響又與井壁巖石所受的上覆壓力所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力（v ）、最大水平地應(yīng)力（H ）、最小水平地應(yīng)力（h )的大小及相互關(guān)系有關(guān)，即vHh、vHh、Hvh、Hhv等四種不

4、同的情形，此外，還與地層是否存在弱面有關(guān)。原井眼的井身剖面設(shè)計可以充分考慮構(gòu)造運動、斷層類型（正斷層、平推斷層、逆斷層）、地層弱面等的影響，但側(cè)鉆井時，因定向井方位的變化，井身剖面設(shè)計優(yōu)化受到限制。鉆進過程中，往往會出現(xiàn)隨著井斜角增加，地層坍塌壓力增加而地層破裂壓力減小的井壁穩(wěn)定最為困難的局面?；蛘叱霈F(xiàn)原井眼很穩(wěn)定而側(cè)鉆井井壁極不穩(wěn)定的被動現(xiàn)象。2）鉆井周期長導(dǎo)致井眼失穩(wěn)鉆井過程中，在鉆井液與地層孔隙壓力之間的壓差、化學(xué)勢差、地層毛細(xì)管力等力的驅(qū)動下，鉆井液濾液進入地層，引起地層中的粘土礦物發(fā)生水化膨脹，形成水化應(yīng)力，改變了井眼周圍地層的孔隙壓力與應(yīng)力分布，引起巖石強度的降低，導(dǎo)致地層坍塌壓力

5、的增高，加劇了地層的坍塌趨勢；此外，由于地層中所含的各種粘土礦物的水化膨脹特性不同，蒙皂石伊蒙間層伊利石高嶺石綠泥石，因而當(dāng)鉆井液濾液進入地層后，地層中所含的各種粘土礦物顆粒所產(chǎn)生的水化應(yīng)力不同，如鉆井液濾液的抑制性能較差，則顆粒之間所形成的應(yīng)力差值就有可能大于顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，使巖石產(chǎn)生裂紋，造成更多的鉆井液濾液進入地層，引起井塌。側(cè)鉆井往往會因鉆井周期長，鉆井液濾侵入地層的數(shù)量多而引起對坍塌地層的物理化學(xué)作用加劇，從而導(dǎo)致井眼出現(xiàn)坍塌。3）裸眼段長導(dǎo)致井眼失穩(wěn)江漢油田的廣華寺組、荊河鎮(zhèn)組、荊沙組等地層極易垮塌，因經(jīng)濟方面的原因，在一般的定向井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，幾乎不考慮采用套管封隔的方式進行

6、封固或者未完全封固，因而存在較大的井眼失穩(wěn)隱患，這些隱患極有可能在長周期的側(cè)鉆井中集中顯現(xiàn)。4）鉆井液性能波動引起井眼失穩(wěn)（1）側(cè)鉆方案的“延遲效應(yīng)”易引起鉆井液性能的波動，從而導(dǎo)致井壁的不穩(wěn)定。這里所說的 “延遲效應(yīng)”是指絕大多數(shù)側(cè)鉆井均是在完井電測后經(jīng)過一系列、長時間的反復(fù)討論研究后出爐的。期間現(xiàn)場鉆井液的數(shù)量大多因地層的正常消耗殆盡，但可以滿足正常的下套管、固井完井作業(yè)，但若滿足側(cè)鉆需求則需要大量補充，在此情況下，鉆井液的整體性能極易出現(xiàn)大幅波動。（2）側(cè)鉆井水泥漿污染引起井眼失穩(wěn)側(cè)鉆井一般是在原井眼的基礎(chǔ)上選擇定向側(cè)鉆點，通過注水泥漿填井、探塞、試承壓、掃塞、定向側(cè)鉆而進行的一項鉆井工

7、程。由于進行了水泥漿填井與掃塞等作業(yè)，因而鉆井液極易受到水泥漿或水泥石的污染，需要鉆井液具有極強的抗水泥漿污染的能力。另外，水泥漿在凝固前，因其自身的高失水特性也會對井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響，該種影響的井段通常會達(dá)到幾十米，甚至上百米。2、技術(shù)對策基于上述分析，側(cè)鉆的井眼穩(wěn)定難度會較之原井眼的井壁穩(wěn)定難度大幅度增大，側(cè)鉆時需要綜合考慮制定出相應(yīng)的井眼穩(wěn)定技術(shù)措施。 1）選用合理的鉆井液密度 為了保持井壁穩(wěn)定，必須始終參考原井眼的鉆井液密度參數(shù)，鉆井液密度必須大于地層坍塌壓力而低于地層破裂壓力。但確定上述壓力值時必須考慮所鉆達(dá)地層實際井斜角和方位角的影響，還必須考慮所采用的鉆井液濾液對地層水化

8、應(yīng)力的影響。 2）優(yōu)化井身剖面設(shè)計 依據(jù)所鉆地層地應(yīng)力的不均勻程度及上覆地層壓力與地應(yīng)力的關(guān)系，優(yōu)選所鉆井的方位。在正斷層附近鉆水平井，應(yīng)盡可能向最小地應(yīng)力方向鉆進；在平推斷層附近鉆水平井，應(yīng)沿最大水平地應(yīng)力方向鉆進；在逆斷層附近鉆水平井，應(yīng)向最大地應(yīng)力方向鉆進。 為了縮短坍塌地層的浸泡時間，如坍塌地層正好處于大斜度井段，則盡量選用較小曲率半徑的井身剖面。 3）依據(jù)地層組構(gòu)特性優(yōu)選鉆井液配方 側(cè)鉆井鉆進時，為了保持井壁穩(wěn)定，選用鉆井液配方時，除了考慮地層的組構(gòu)特性外，還必須考慮到坍塌層處于斜井段時被鉆井液浸泡時間較原井眼長。因而對于相同類別的地層，所選的鉆井液的抑制性和封堵性均應(yīng)比原井眼所選用

9、的鉆井液強或者增加其加量，HTHP濾失量應(yīng)更低，泥餅質(zhì)量更高。此外，由于井斜角的影響，封堵劑易在下井壁堆積，故必須增加封堵劑的加量才能保證對層理裂隙發(fā)育地層的有效封堵。 對于松散砂巖儲層，為了防止其井塌，除抑制地層中粘土水化外，還必須采用強封堵材料在近井筒形成具有一定強度的暫堵帶來加固井壁，而此帶必須在完井投產(chǎn)時很容易被解堵液解堵。 4）確定合理的環(huán)空返速，減少對井壁的沖蝕 在大斜度井段鉆進時，為了確保井眼的凈化，通常采用紊流鉆進。盡管紊流有利于井眼凈化，但紊流易沖蝕井壁，如此沖蝕力過大，易引起井塌，造成井徑擴大，環(huán)空返速降低，又不利于井眼凈化。因而必須優(yōu)選合理的環(huán)空返速，既保證井眼凈化，又不

10、沖蝕井壁。二、井眼凈化難點及對策1、井眼凈化難點側(cè)鉆井與直井相比，在井眼凈化上具有許多難點，尤其是大位移側(cè)鉆井和側(cè)鉆水平井更是如此。這是因為：1）大斜度井施工中，井中的鉆柱必然偏心，再加上鉆柱旋轉(zhuǎn)，實際井中的鉆井液會呈偏心環(huán)空螺旋流、層流或紊流流動。這種復(fù)雜的流動問題在大斜度井眼中的存在直接影響到鉆井液的攜帶能力。2）大斜度井中鉆井液上返流動方向不再與巖屑一下沉方向一致。對常規(guī)井來說，只要鉆井液返速大于巖屑沉降速度即可將鉆屑帶出井眼。而大斜度井眼則不然，特別是當(dāng)井斜角大于40°以后，會發(fā)生明的Boycott現(xiàn)象，可能出現(xiàn)鉆井液中的固相及其所攜帶的鉆屑沉降，嚴(yán)重時沿井眼低邊下滑。國內(nèi)外

11、大量的室內(nèi)模擬實驗證明：井斜角大于40°以后，未能清除的鉆屑會沉積在井眼低邊形成所謂的巖屑床，而一旦形成將難以清除，導(dǎo)致環(huán)空間隙變小、蹩泵、起下鉆抽吸、環(huán)空壓降升高、摩阻和扭矩增大及機械鉆速明顯下降等一系列井下復(fù)雜情況的發(fā)生。3）要有效清除大斜度井的鉆屑，控制鉆井液返速是關(guān)鍵，但這一指標(biāo)有時受到地質(zhì)條件與泥漿泵條件的限制而難以實現(xiàn)。但可以通過合理地調(diào)控鉆井液流變參數(shù)來適當(dāng)降低清洗井眼所需的最小返速來達(dá)到該項目的。4）鉆屑在形狀上是無規(guī)則的，在尺寸及尺寸分布上是可變的，巖屑尺寸大小亦會對井眼凈化效果帶來影響。2、技術(shù)對策為了確保大斜度側(cè)鉆井或側(cè)鉆水平井的井眼凈化狀況良好，結(jié)合已往的鉆井

12、經(jīng)驗，綜合的凈化工藝技術(shù)措施有：1）在鉆大斜度井時，優(yōu)選鉆井液體系類型相當(dāng)重要，盡管目前國內(nèi)幾乎所有的鉆井液類型都有被成功應(yīng)用于鉆探大斜度井的案例，但對于一高難度的大位移井，特別是所鉆遇地層存在復(fù)雜頁巖層的井，油基或準(zhǔn)油基鉆井液被認(rèn)為可改善井眼穩(wěn)定性、減少井眼擴大率和鉆屑在井眼中的沉積。2）選用合理流型與鉆井液流變參數(shù)，各井段鉆井液水力參數(shù)和流變性能盡可能達(dá)到環(huán)空凈化經(jīng)驗準(zhǔn)則的要求。井斜角較小井段（小于45º），層流能獲得最佳的井眼清洗效果，盡可能提高鉆井液的動切力和動塑比，并可泵入高粘度段塞來清除巖屑。大斜度井段中，使用紊流的清除效果更高。由于紊流只取決于流體的動量特性，而與鉆井液

13、的流變性能無關(guān)，因而應(yīng)使用低粘度鉆井液。但鉆進大斜度井段時，由于受各種條件的限制，鉆井液在環(huán)空無法達(dá)到紊流，可通過提高鉆井液動塑比，使其在環(huán)空形成平板型層流來提高巖屑清洗效果；采用高粘度清掃液在此井段只能對液流中巖屑起作用，而對清除巖屑床不起作用，但可通過間斷注入低粘劑，促成局部紊流，來清掃巖屑床。3） 必須保持一定低剪切速率下的鉆井液粘度（3和6讀數(shù)），以提高懸浮鉆屑能力及防止鉆屑床的形成，具有足夠高的低剪切流變性是一項重要戰(zhàn)略。嚴(yán)格控制初、終切力差值，力求避免鉆井液觸變性過大而帶來的各種不利的影響，避免起下鉆過程產(chǎn)生過高的抽吸和激動壓力。4）改變下部鉆具組合，增大鉆桿直徑，減少環(huán)空體積來提

14、高環(huán)空返速。5）增加鉆井液密度是改善井眼清潔的有效方法，無論何時這都是有效的。6）鉆具轉(zhuǎn)動或上下大范圍活動對凈化井眼總是有利的，要堅持短起下鉆。7）使用鉆桿扶正器，使鉆具居中，減少鉆桿偏心度對攜巖的影響。8）用好固控設(shè)備，控制鉆井液的低固相含量，保持鉆井液始終具有合適的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度。9）控制鉆進速度，先鉆小井眼再擴眼以減少每米進尺巖石切削量。10）流變性最差的流體，井眼清潔所需要的鉆井液環(huán)空最小返速最大，在鉆井過程中是要絕對避免這種情況的發(fā)生。11）鉆速在井眼清潔問題上起負(fù)效應(yīng)。保持恒定鉆速，才能保證好的井眼清潔效果。應(yīng)避免任何瞬時高鉆速，特別在復(fù)雜的井眼清潔條件下。12）在裸眼和已下套管的井

15、眼中必須密切監(jiān)測靜止鉆屑床的形成，如果有必要，可用高速倒劃眼的方法清除鉆屑床。13）檢測返出鉆屑量，監(jiān)控巖屑床是否生成，要勤檢測鉆井液流變性能，如有大的波動，及時采取措施。三、井眼潤滑的技術(shù)難點與對策1井眼潤滑難點 側(cè)鉆井摩阻大小主要取決于壓差，鉆柱與井壁（或套管）的接觸面積，巖屑床厚度，井眼清洗狀況，鉆井液潤滑性，泥餅的摩擦系數(shù)及厚度、地層特性等。其中壓差、地層特性等因素對摩阻的影響與直井相同，下面著重研討影響大斜井和水平井影響摩阻的特殊因素。 1）井身剖面 井身剖面對鉆井過程中的摩擦阻力和扭矩有較大的影響。摩阻力和扭矩與井眼軌跡密切相關(guān)，隨造斜率與狗腿度的增加而增大，有研究表明：在造斜率高

16、的井底（30º/30m），拉力較小，但在造斜率低的井眼上部（1.5º/30m），拉力最大；穩(wěn)斜段如井斜適當(dāng)，則可使拉力與扭矩降低；穩(wěn)斜段穩(wěn)斜角愈大，鉆具與井壁接觸面就愈大，阻力增大；如果井眼軌跡允許只有一個造斜點，那么自造斜點到靶位造斜率恒定不變的軌跡所產(chǎn)生的扭矩和阻力最小。 2）鉆柱結(jié)構(gòu)鉆柱結(jié)構(gòu)對側(cè)鉆井的摩阻影響很大，隨著井斜角的增大，支撐鉆柱重量乘以井斜角的余弦為鉆頭的鉆壓,因而隨著井斜角的增大，鉆柱的阻力增加，當(dāng)井斜超過60º，此值增加很快，井斜角為75º，總支撐重量60是有效的，當(dāng)井斜角增至85º時僅0.1有效，鉆壓無法加至鉆頭上。此外

17、，鉆柱的摩擦阻力還與鉆具的接觸面積有關(guān)，因而鉆具的尺寸及在井中所處的位置也影響鉆柱的摩阻力和扭矩，如鉆挺放在鉆頭附近，其外徑大，與井壁接觸面積就會增大。3）鉆井液潤滑性能 鉆并液的潤滑性能是影響鉆柱的摩阻力和扭矩的主要因素之一。降低鉆柱與套管的摩擦系數(shù)和鉆柱與井壁上鉆井液所形成泥餅的摩擦系數(shù)就可以大大降低鉆柱的摩阻力和扭矩； 4）鉆井液濾失量和泥餅質(zhì)量 鉆柱的摩阻力和扭矩與鉆柱與井壁的接觸面積有關(guān)，如鉆井液固相含量高，HTHP濾失量大，泥餅厚，則鉆柱在斜井段和水平井段嵌入泥餅越深，接觸面積就愈大，摩阻力增高。 5）井眼凈化 水平井鉆進過程中如井眼凈化不好，則在斜井段和水平井段很容易形成巖屑床，

18、從而增大了鉆柱與井壁的接觸面積，造成摩阻力的增加。 6）固控 如鉆井過程中固控不好，鉆井液中無用固相增多，一方面鉆井液密度增高，作用在地層的壓差增大；另一方面增大泥餅的摩擦系數(shù)。這一切均增加鉆柱的摩阻力。 7）井身結(jié)構(gòu) 井身結(jié)構(gòu)影響鉆柱與套管和井壁的接觸面積，而且鉆柱與套管的摩擦系數(shù)和鉆柱與井壁的摩擦系數(shù)不同，因而井身結(jié)構(gòu)影響水平井的摩阻。 2、技術(shù)對策從以上分析結(jié)果來看，鉆井過程中，大部分扭矩增大和阻卡問題均是由于井眼清潔差而形成的巖屑床、井壁不穩(wěn)定、鍵槽和壓差過大等因素所引起的，只有當(dāng)這些復(fù)雜情況被排除之后，鉆井液的潤滑性能才能成為關(guān)鍵，因此降低大位移側(cè)鉆井或水平井摩阻必須進行綜合治理，可

19、采取以下5項措施。1）落實好各種井眼凈化措施，盡可能地降低環(huán)空鉆屑濃度與鉆屑床的厚度。2）嚴(yán)格控制鉆井液API失水和HTHP失水，利用磺化酚醛樹脂類、乳化瀝青和超細(xì)碳酸鈣等降低鉆井液HTHP失水和泥餅滲透率，改善泥餅質(zhì)量，減薄泥餅厚度，封堵滲透層近井筒井壁中的孔喉，隔絕井眼的壓力系統(tǒng)與地層的壓力系統(tǒng)，減輕壓差對摩阻的影響。3）進入大斜度與水平井段時，隨時監(jiān)測井下鉆具上提、下放摩阻的變化并及時作出判斷，制定相應(yīng)的措施。4）鉆進過程中，可采用乳化瀝青、多功能固體潤滑劑、聚合醇、極壓潤滑劑等多種固體和液體的潤滑劑復(fù)配使用，提高鉆井液的潤滑效果，保持鉆井液中各種潤滑劑的含量并注意及時補充，控制鉆井液泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)小于0.1。5）在水平測井和下套管前可在鉆井液中加入塑料小球、玻璃小球或多功能固體潤滑劑，進一步降低泥餅?zāi)Σ料禂?shù)。四、儲層保護的技術(shù)難點與對策儲層保護難度大。盡管水平井開發(fā)油氣藏具有增加油氣層裸露面積、減小油氣滲流阻力、控制泄油面積大、改善開采動態(tài)等特點。但與直井相比，水平井會因鉆穿油氣層的井段長、鉆井液浸泡油層的時間多、鉆井液流動阻力帶來的附加壓差大等原因?qū)е滤骄蜌鈱颖Ｗo難度加大。油氣層保護工作質(zhì)量好壞，直接影響著油井的產(chǎn)能和使用壽命。如何優(yōu)選合適的鉆井液體系，確定合理的油氣層保護方案是盡可能避免水平