空氣鉆井井眼穩(wěn)定問題

1、青西油田空氣鉆井井眼穩(wěn)定問題的探討孫夢慈（玉門油田分公司勘探事業(yè)部甘肅735200）摘要：對青西油田地層特性和空氣鉆井井壁不穩(wěn)定因素進行了闡述和分析。闡述了青西油 田窿15井和Q2-33井的二口空氣鉆井遇到的井眼不穩(wěn)定問題并加以分析，提高了 對空氣鉆井工藝的認(rèn)識，對今后空氣鉆井的設(shè)計和施工具有一定的指導(dǎo)意義。主題詞：青西油田；空氣鉆井；井壁穩(wěn)定；應(yīng)用一、 前 曰空氣鉆井技術(shù)最早產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，其主要目的就是防止井漏和提高機械鉆速。 到了 20世紀(jì)80年代末，國外的空氣鉆井取得飛速發(fā)展，不僅用于提高機械鉆速，而且用于 鉆儲層并發(fā)現(xiàn)儲層，取得了良好的經(jīng)濟效益。國內(nèi)玉門油田50年代率先進行了

2、空氣鉆井試 驗；90年代新疆油田引進了美國空氣鉆井設(shè)備，先后進行了 12 口空氣鉆井試驗，在提高機 械鉆速和保護油層上取得了明顯效果；2004年西南油田為了解決上部地層的嚴(yán)重井漏問題， 分別對三口井實施了空氣鉆井，在治理井漏和提高鉆速上見到明顯效果。玉門青西油田受祁連山北緣逆沖作用，在酒泉盆地酒西坳陷青西凹陷南部形成了一個大 型的窟窿山逆掩推覆帶，該逆掩推覆帶是由一組彼此近于平行的上陡下緩的逆沖或逆掩斷裂 組成的前展式疊瓦狀逆掩斷裂帶。由于塊狀、巨厚逆掩推覆體地層“斜、硬、跳、磨、變” 的客觀特性，鉆遇地層較多，地層巖性不均，巖性變化頻繁，地層極硬，研磨性極強，可鉆 性差，鉆頭使用方面受到制約

3、，平均機械鉆速較低，造成全井鉆井速度較慢，給鉆井施工帶 來了極大的難度，鉆井周期較長，2003年平均井深為4604m，平均機械鉆速為1.64m/h，平 均鉆井周期為240d。為了提高機械鉆速，2003年3月在玉門油田窿9井開展了空氣鉆井試 驗，取得了明顯的效果，志留系推覆體井段空氣鉆井平均機械鉆速是常規(guī)泥漿鉆速的8.74 倍；2004年引進威德?？諝忏@井技術(shù)，分別在窿15井的志留系和白堊系地層、Q2-33和Q2-17 井的第三系地層進行了空氣鉆井試驗，實踐證明空氣鉆井能夠大幅度地提高機械鉆速，但4 口空氣鉆井都出現(xiàn)了井徑擴大、起下鉆遇阻、摩阻和扭矩較大，甚至導(dǎo)致卡鉆填井事故發(fā)生， 其主要原因是

4、井眼不穩(wěn)定和施工工藝不當(dāng)。本文就青西油田空氣鉆井所遇到的井眼不穩(wěn)定性 問題進行闡述和分析，以提高對空氣鉆井工藝的認(rèn)識。二、青西油田地層特性在某一地區(qū)實施空氣鉆井之前，需詳細(xì)地分析該地區(qū)的地層情況，特別是泥頁巖地層， 它直接關(guān)系到空氣鉆井井壁穩(wěn)定問題和鉆井成功與否。為了正確地分析泥頁巖地層井壁穩(wěn)定 問題，應(yīng)對泥頁巖進行分類。根據(jù)水敏性粘土的種類、數(shù)量、泥頁巖母體特性和水化分散趨 勢，可以將泥頁巖分成以下幾類：第一類泥頁巖為蒙脫石含量高，伊利石含量也較高的很軟的泥頁巖，其膨脹分散的趨勢 很強。第二類泥頁巖的粘土含量和第一類泥頁巖相當(dāng)，但在此類泥頁巖中，有些蒙脫石已經(jīng)歷 了離子交換，形成了伊利石和間

5、層粘土礦物。該類泥頁巖膨脹分散的趨勢要比第一類泥頁巖 稍弱一些。第三類為中硬坍塌性泥頁巖，該泥頁巖中的伊利石和間層粘土礦物含量比較高。第四類為易崩塌的硬泥頁巖，伊利石和綠泥石含量較高。除粘土外，其余部分由石英和 長石組成的惰性基巖，其粘土部分會發(fā)生有限的膨脹分散。第五類為極硬的脆性泥頁巖，存在著大量的微裂縫。其中的伊利石、高嶺石和綠泥石含 量較高，其膨脹和分散的趨勢大大降低，但遇到流體侵入時，會沿微裂縫處發(fā)生膨脹和分散。通過對青西地區(qū)的窿110井的鉆屑進行X-衍射分析可知，從2500m到3500m是一個粘 土礦物含量逐漸增加的過程，3500m到4000m是粘土礦物含量逐漸降低的過程；從4000

6、m到 4500m又是粘土礦物含量的第二個增加過程，而后又開始降低，整體看青西地區(qū)的泥頁巖成 分占相當(dāng)大的比例。在井壁坍塌方面主要表現(xiàn)在第三系的弓形山組、白楊河組底部和柳溝莊 組泥頁巖含量高，容易水化分散引起井壁失穩(wěn)，要求鉆井液具有強抑制能力；白堊系中下溝 組地層的泥頁巖不易水化分散，但巖性破碎、裂縫發(fā)育，地層傾角大，井眼應(yīng)力不均衡，容 易引起剝落掉塊。井深（m）602500300035004000450050403020100(3)井深（m）602500300035004000450050403020100(3) （2）石英（%）-一方解石（）（1）粘土礦物總量（） 二-（3）斜長石（%）圖1

7、隆110井粘土礦物含量分析曲線三、空氣鉆井井眼不穩(wěn)定因素影響空氣鉆井井眼不穩(wěn)定的因素是多方面的，歸納起來有如下幾點：地層出水使泥頁巖 水化分散、地層破碎及地層交接的不整合面、山前構(gòu)造地應(yīng)力和工程施工時的鉆井參數(shù)等。3.1、地層出水干空氣鉆井（粉塵鉆井）是以干空氣為循環(huán)介質(zhì)的鉆井工藝。在鉆井過程中沒有地層水 進入井筒，環(huán)空中的鉆屑不會相互結(jié)塊且排砂口始終是粉塵。在空氣量足夠的情況下，井筒 鉆屑易攜帶。從地面上可看，正常的干空氣鉆井有以下現(xiàn)象:立管壓力穩(wěn)定、返出的粉塵干 燥，不粘結(jié)和扭矩較小等。當(dāng)干空氣鉆井（粉塵鉆井）鉆遇地層水時，井筒會出現(xiàn)井眼垮塌， 垮塌物瞬時堆積和泥環(huán)形成等現(xiàn)象。1）、井眼垮

8、塌由于泥頁巖中的孔隙毛細(xì)管張力作用產(chǎn)生滲析，使得地層水在環(huán)空上返時滲入地層，泥 頁巖吸水膨脹產(chǎn)生水化應(yīng)力，有的粘土礦物產(chǎn)生分散，有的不分散但裂縫增多，擴展裂縫， 減弱了巖石強度，嚴(yán)重影響井壁穩(wěn)定，導(dǎo)致井壁垮塌。2）、泥環(huán)形成環(huán)空中的粉塵遇到地層少量出水時就會相互結(jié)塊，并粘附在井壁和鉆具上，尤其是鉆鋌 和鉆桿連接處頂部是井筒清潔的關(guān)鍵點，該處因環(huán)空面積突然增大，上返速度減小，使得鉆 屑在該處容易堆積，從而形成井下泥環(huán)，環(huán)空變小直至徹底堵死，就易發(fā)生卡鉆。在地面上 主要表現(xiàn)在排砂口出現(xiàn)段塞、所排出的粉塵潮濕或不再排出粉塵，所排出的粉塵易粘結(jié)且立 管壓力升高。泥環(huán)是由于地層出水量不足以使鉆屑完全飽和

9、而形成的，這就需霧化鉆井時注入少量含 有表面活性劑（發(fā)泡劑）的水，促使地層水的界面張力的降低，造成液滴更易分散和分散得 更細(xì)小，這樣環(huán)空中的鉆屑就不會相互結(jié)塊，環(huán)空暢通，達到消除泥環(huán)，清潔井眼目的。霧 化鉆井雖能處理地層少量出水，但霧化鉆井技術(shù)取得成功的主要條件是暴露地層的穩(wěn)定性。 對水敏性地層或坍塌地層并不是霧化鉆井應(yīng)用的良好選擇對象，這是因為霧化鉆井注氣量 大，所加的抑制劑對地層抑制作用不大，易沖蝕井壁，使井徑擴大。3）、垮塌物堆積空氣鉆井時氣流嚴(yán)重沖蝕井壁，且地層水和霧化液對泥頁巖起著破壞作用，使得井眼處 于不穩(wěn)定狀態(tài)。井壁垮塌掉塊使得在某一環(huán)空段瞬時巖屑量增多，垮塌物體積大，若不能及

10、時磨碎，舉升至地面，則就有可能出現(xiàn)井眼堵、卡現(xiàn)象。3.2、地層力學(xué)不穩(wěn)定性1）、井壁巖石脆性破碎和地應(yīng)力由于地層巖石存在微裂縫、節(jié)理、層理、微裂縫及構(gòu)造運動產(chǎn)生的破碎帶、斷層，使得 巖石各向異性程度較高，且鉆井中出現(xiàn)的井斜、狗腿和鍵槽等因素都有可能使得井眼周向應(yīng) 力高度集中，若地層應(yīng)力超過巖石極限壓力，在空氣鉆井時，井壁周圍巖石就會發(fā)生脆性破 裂、垮塌，造成井徑擴大。2）、空氣流沖蝕和機械碰撞在環(huán)空高速上返氣流中，硬巖屑會沖蝕井壁，使井壁新的表面不斷地暴露出脆性破裂狀 態(tài)。尤其是遇到硬脆性泥頁巖，盡管其水敏性低，但若有微裂縫、非均質(zhì)或礦物組份突變都 可能導(dǎo)致嚴(yán)重沖蝕。另外鉆柱的劇烈的偏心轉(zhuǎn)動磨

11、切、碰擊井壁，會加速不穩(wěn)定層的垮塌。四、實例分析4.1、窿15井窿15井的上部地層為巨厚逆掩推覆體地層（志留系），地層巖性主要為變質(zhì)砂巖及板巖， 所鉆遇地層較多，地層巖性不均，巖性變化頻繁，地層極硬，研磨性極強，可鉆性差，鉆頭 使用方面受到制約，平均機械鉆速較低，造成全井鉆井速度較慢，給鉆井施工帶來了極大的 難度，鉆井周期較長。為了提高機械鉆速，決定在該地層試驗空氣鉆井。一開后下入339.7mm 表層套管至274m，二開采用空氣鉆井，空氣鉆井進尺254m （274.90-528.90m）、平均鉆速 3.31m/h，與鄰井推覆體井段鉆速1.64m/h相比，速度總體提高102%。雖然空氣鉆井能大幅

12、 度提高機械鉆速，但由于地層出水（滲透水）、上部破碎性地層垮塌和空氣高速沖蝕井壁， 造成卡鉆，終止空氣鉆井試驗?？諝忏@井（粉塵鉆井）鉆遇新地層后，地層出水，主要表現(xiàn)在每次下鉆到井底，開氣循 環(huán)時，排砂口排出較多的水量，隨著不斷鉆進和循環(huán)，出水量降低，但始終還能見到出水， 未見粉塵排出。鉆至井深451.30m時，機械鉆速很低，加大鉆壓作用不大，起鉆完發(fā)現(xiàn)滾子 穩(wěn)定器被巖屑包死，巖屑不易攜帶。鉆至井深512.50m，起鉆時遇阻嚴(yán)重，后下鉆至井深453m 處遇阻，采用霧化循環(huán)，出口細(xì)巖屑較多，表明井壁粘附著大量巖屑。鉆進至井深528.90m 時，立管壓力分別三次不同程度的突然提高，第一次由1.66/

13、2.35MPa，第二次由1.66/ 2.83MPa，第三次由1.66/6.21MPa，排砂管出口巖屑量逐步增加，為預(yù)防井下復(fù)雜進一步 惡化，增大空氣（由96/ 124m3/min）和霧化（由40/80L/min）排量循環(huán)，循環(huán)過程中，偶爾 有鉆具蹩?，F(xiàn)象，上提下放鉆具均遇阻，鉆具被卡死。將霧化液中發(fā)泡劑加量由0.5%增加 至3%，但排砂管出口巖屑量未減少，反而明顯增加，這是因為上部巖性破碎、裂縫發(fā)育， 井眼應(yīng)力不均衡，地層出水形成泥環(huán)，施工中壓力不平穩(wěn)，導(dǎo)致井壁坍塌。4.2、Q2-33 井Q2-33井所試驗的空氣鉆井的地層為第三系地層，巖性主要為雜色砂礫巖、棕黃色含礫 泥巖及泥巖等?？諝忏@井井

14、段1507.80-2735.72m，累計進尺1227.92m，平均機械鉆速 10.87m/h，是泥漿鉆井平均鉆速2.88m/h的3.77倍。在井段1507.80-2070.33m實施了空氣鉆井（粉塵鉆井），排砂管出口出現(xiàn)粉塵，但地層 出水，使得潮濕的粉塵不斷地聚集在井壁和套管上，泥頁巖遇水水化分散嚴(yán)重，不易攜帶出 地面；另外空氣排量較大，沖蝕地層，井徑擴大，井壁穩(wěn)定性變差，造成每次起鉆后，鉆桿、 鉆頭和穩(wěn)定器上包有較多濕泥，鉆井過程中多次出現(xiàn)扭矩大，壓力不平穩(wěn)，起下鉆遇阻井下 復(fù)雜。圖2為Q2-33井空氣鉆進壓力曲線圖。從圖中可看出，在井段1600-1700m干空氣鉆 井過程中，立管壓力有明顯

15、地上升，排砂口的鉆屑潮濕，表明地層少量出水。起鉆后，發(fā)現(xiàn) 穩(wěn)定器和鉆頭上粘有濕泥。在井段1732.49-1836.33m鉆井過程中，巖屑返出量很少，且存 在扭矩增大現(xiàn)象，雖采取循環(huán)活動鉆具方法處理，但效果不明顯。由于地層出水，造成下鉆圖2Q2-33井空氣鉆進壓力曲線圖困難，分別在套管和裸眼多處遇阻，開氣循環(huán)時出口見大量粉塵。在井段1850-1980m干空 氣鉆井過程中，立管壓力有明顯地上升，扭矩較大，并有蹩停轉(zhuǎn)盤現(xiàn)象，排砂口的鉆屑潮濕 且出現(xiàn)段塞流，甚至排砂口不返巖屑。鉆至2070m起鉆，起鉆過程中，采用開氣倒劃眼才起 出鉆具。為了防止卡鉆事故，在2070m之后，采用霧化鉆進。如圖2所示，注入

16、霧化液后， 立管壓力逐漸平穩(wěn)。鉆至井深2550m后，排砂口出水量明顯增大，立管壓力迅速增加，排出 棕黃棕褐色泥漿，其密度值0.36-0.60g/cm3說明地層受水影響后水化分散程度大，井壁穩(wěn) 定性變差，造成下鉆劃眼至2506m時發(fā)生卡鉆事故，經(jīng)地面多次震擊、循環(huán)活動無效后，導(dǎo) 致填井側(cè)鉆。該井空氣鉆井試驗失敗，其原因在于地層出水時，未能及時轉(zhuǎn)換空氣鉆井方式， 造成粉塵鉆進時壓力不平穩(wěn)，誘發(fā)地層不穩(wěn)定，加上該地層易水化分散，井徑擴大使得鉆屑 不易返出，導(dǎo)致卡鉆事故發(fā)生。五、認(rèn)識從青西油田幾口空氣鉆井的試驗可知，要想成功地鉆成空氣鉆井，就應(yīng)對所施工井的地 層進行詳細(xì)地井眼穩(wěn)定分析，了解井眼坍塌的機理和性質(zhì)。青西油田的推覆體地層穩(wěn)定性好， 但上部地層破碎且有雪山滲透水，地層易發(fā)生脆性破裂和垮塌，在空氣施工時，應(yīng)用技術(shù)套 管將破裂帶封隔。第三系地層巖性大部分為易水化分散的泥頁巖且地層含水，空氣鉆井或霧 化鉆井不易有效控制該地層的井壁坍塌的發(fā)生。鉆遇水敏性泥頁巖時，霧化鉆井所使用的泥 頁巖抑制劑的效果是有限的，可能會因高速氣流和泥頁巖水化造成井塌，在地面表現(xiàn)為排砂 口不返巖屑，出