空气钻井井眼稳定问题

青西油田空气钻井井眼稳定问题的探讨
孙梦慈
(玉门油田分公司勘探事业部甘肃 735200)
摘要：对青西油田地层特性和空气钻井井壁不稳定因素进行了阐述和分析。

阐述了青西油田窿15井和Q2-33井的二口空气钻井遇到的井眼不稳定问题并加以分析，提高了
对空气钻井工艺的认识，对今后空气钻井的设计和施工具有一定的指导意义。

主题词：青西油田；空气钻井；井壁稳定；应用
一、前言
空气钻井技术最早产生于20世纪50年代，其主要目的就是防止井漏和提高机械钻速。

到了20世纪80年代末，国外的空气钻井取得飞速发展，不仅用于提高机械钻速，而且用于钻储层并发现储层，取得了良好的经济效益。

国内玉门油田50年代率先进行了空气钻井试验；90年代新疆油田引进了美国空气钻井设备，先后进行了12口空气钻井试验，在提高机械钻速和保护油层上取得了明显效果；2004年西南油田为了解决上部地层的严重井漏问题，分别对三口井实施了空气钻井，在治理井漏和提高钻速上见到明显效果。

玉门青西油田受祁连山北缘逆冲作用，在酒泉盆地酒西坳陷青西凹陷南部形成了一个大型的窟窿山逆掩推覆带，该逆掩推覆带是由一组彼此近于平行的上陡下缓的逆冲或逆掩断裂组成的前展式叠瓦状逆掩断裂带。

由于块状、巨厚逆掩推覆体地层“斜、硬、跳、磨、变”的客观特性，钻遇地层较多，地层岩性不均，岩性变化频繁，地层极硬，研磨性极强，可钻性差，钻头使用方面受到制约，平均机械钻速较低，造成全井钻井速度较慢，给钻井施工带来了极大的难度，钻井周期较长，2003年平均井深为4604m，平均机械钻速为1.64m/h，平均钻井周期为240d。

为了提高机械钻速，2003年3月在玉门油田窿9井开展了空气钻井试验，取得了明显的效果，志留系推覆体井段空气钻井平均机械钻速是常规泥浆钻速的8.74倍；2004年引进威德福空气钻井技术，分别在窿15井的志留系和白垩系地层、Q2-33和Q2-17井的第三系地层进行了空气钻井试验，实践证明空气钻井能够大幅度地提高机械钻速，但4口空气钻井都出现了井径扩大、起下钻遇阻、摩阻和扭矩较大，甚至导致卡钻填井事故发生，其主要原因是井眼不稳定和施工工艺不当。

本文就青西油田空气钻井所遇到的井眼不稳定性问题进行阐述和分析，以提高对空气钻井工艺的认识。

二、青西油田地层特性
在某一地区实施空气钻井之前，需详细地分析该地区的地层情况，特别是泥页岩地层，它直接关系到空气钻井井壁稳定问题和钻井成功与否。

为了正确地分析泥页岩地层井壁稳定问题，应对泥页岩进行分类。

根据水敏性粘土的种类、数量、泥页岩母体特性和水化分散趋势，可以将泥页岩分成以下几类：
第一类泥页岩为蒙脱石含量高，伊利石含量也较高的很软的泥页岩，其膨胀分散的趋势很强。

第二类泥页岩的粘土含量和第一类泥页岩相当，但在此类泥页岩中，有些蒙脱石已经历了离子交换，形成了伊利石和间层粘土矿物。

该类泥页岩膨胀分散的趋势要比第一类泥页岩稍弱一些。

第三类为中硬坍塌性泥页岩，该泥页岩中的伊利石和间层粘土矿物含量比较高。

第四类为易崩塌的硬泥页岩，伊利石和绿泥石含量较高。

除粘土外，其余部分由石英和长石组成的惰性基岩，其粘土部分会发生有限的膨胀分散。

第五类为极硬的脆性泥页岩，存在着大量的微裂缝。

其中的伊利石、高岭石和绿泥石含量较高，其膨胀和分散的趋势大大降低，但遇到流体侵入时，会沿微裂缝处发生膨胀和分散。

通过对青西地区的窿110井的钻屑进行X-衍射分析可知，从2500m到3500m是一个粘土矿物含量逐渐增加的过程，3500m到4000m是粘土矿物含量逐渐降低的过程；从4000m到4500m又是粘土矿物含量的第二个增加过程，而后又开始降低，整体看青西地区的泥页岩成分占相当大的比例。

在井壁坍塌方面主要表现在第三系的弓形山组、白杨河组底部和柳沟庄组泥页岩含量高，容易水化分散引起井壁失稳，要求钻井液具有强抑制能力；白垩系中下沟组地层的泥页岩不易水化分散，但岩性破碎、裂缝发育，地层倾角大，井眼应力不均衡，容易引起剥落掉块。

图1 隆110井粘土矿物含量分析曲线
三、空气钻井井眼不稳定因素
影响空气钻井井眼不稳定的因素是多方面的，归纳起来有如下几点：地层出水使泥页岩水化分散、地层破碎及地层交接的不整合面、山前构造地应力和工程施工时的钻井参数等。

3.1、地层出水
干空气钻井（粉尘钻井）是以干空气为循环介质的钻井工艺。

在钻井过程中没有地层水进入井筒，环空中的钻屑不会相互结块且排砂口始终是粉尘。

在空气量足够的情况下，井筒钻屑易携带。

从地面上可看，正常的干空气钻井有以下现象：立管压力稳定、返出的粉尘干燥，不粘结和扭矩较小等。

当干空气钻井（粉尘钻井）钻遇地层水时，井筒会出现井眼垮塌，垮塌物瞬时堆积和泥环形成等现象。

1）、井眼垮塌
由于泥页岩中的孔隙毛细管张力作用产生渗析，使得地层水在环空上返时渗入地层，泥页岩吸水膨胀产生水化应力，有的粘土矿物产生分散，有的不分散但裂缝增多，扩展裂缝，减弱了岩石强度，严重影响井壁稳定，导致井壁垮塌。

2）、泥环形成
环空中的粉尘遇到地层少量出水时就会相互结块，并粘附在井壁和钻具上，尤其是钻铤和钻杆连接处顶部是井筒清洁的关键点，该处因环空面积突然增大，上返速度减小，使得钻屑在该处容易堆积，从而形成井下泥环，环空变小直至彻底堵死，就易发生卡钻。

在地面上主要表现在排砂口出现段塞、所排出的粉尘潮湿或不再排出粉尘，所排出的粉尘易粘结且立管压力升高。

泥环是由于地层出水量不足以使钻屑完全饱和而形成的，这就需雾化钻井时注入少量含有表面活性剂（发泡剂）的水，促使地层水的界面张力的降低，造成液滴更易分散和分散得更细小，这样环空中的钻屑就不会相互结块，环空畅通，达到消除泥环，清洁井眼目的。

雾化钻井虽能处理地层少量出水，但雾化钻井技术取得成功的主要条件是暴露地层的稳定性。

对水敏性地层或坍塌地层并不是雾化钻井应用的良好选择对象，这是因为雾化钻井注气量
大，所加的抑制剂对地层抑制作用不大，易冲蚀井壁，使井径扩大。

3）、垮塌物堆积
空气钻井时气流严重冲蚀井壁，且地层水和雾化液对泥页岩起着破坏作用，使得井眼处于不稳定状态。

井壁垮塌掉块使得在某一环空段瞬时岩屑量增多，垮塌物体积大，若不能及时磨碎，举升至地面，则就有可能出现井眼堵、卡现象。

3.2、地层力学不稳定性
1）、井壁岩石脆性破碎和地应力
由于地层岩石存在微裂缝、节理、层理、微裂缝及构造运动产生的破碎带、断层，使得岩石各向异性程度较高，且钻井中出现的井斜、狗腿和键槽等因素都有可能使得井眼周向应力高度集中，若地层应力超过岩石极限压力，在空气钻井时，井壁周围岩石就会发生脆性破裂、垮塌，造成井径扩大。

2）、空气流冲蚀和机械碰撞
在环空高速上返气流中，硬岩屑会冲蚀井壁，使井壁新的表面不断地暴露出脆性破裂状态。

尤其是遇到硬脆性泥页岩，尽管其水敏性低，但若有微裂缝、非均质或矿物组份突变都可能导致严重冲蚀。

另外钻柱的剧烈的偏心转动磨切、碰击井壁，会加速不稳定层的垮塌。

四、实例分析
4.1、窿15井
窿15井的上部地层为巨厚逆掩推覆体地层（志留系），地层岩性主要为变质砂岩及板岩，所钻遇地层较多，地层岩性不均，岩性变化频繁，地层极硬，研磨性极强，可钻性差，钻头使用方面受到制约，平均机械钻速较低，造成全井钻井速度较慢，给钻井施工带来了极大的难度，钻井周期较长。

为了提高机械钻速，决定在该地层试验空气钻井。

一开后下入339.7mm 表层套管至274m，二开采用空气钻井，空气钻井进尺254m（274.90-528.90m）、平均钻速3.31m/h，与邻井推覆体井段钻速1.64m/h相比，速度总体提高102%。

虽然空气钻井能大幅度提高机械钻速，但由于地层出水（渗透水）、上部破碎性地层垮塌和空气高速冲蚀井壁，造成卡钻，终止空气钻井试验。

空气钻井（粉尘钻井）钻遇新地层后，地层出水，主要表现在每次下钻到井底，开气循环时，排砂口排出较多的水量，随着不断钻进和循环，出水量降低，但始终还能见到出水，未见粉尘排出。

钻至井深451.30m时，机械钻速很低，加大钻压作用不大，起钻完发现滚子稳定器被岩屑包死，岩屑不易携带。

钻至井深512.50m，起钻时遇阻严重，后下钻至井深453m 处遇阻，采用雾化循环，出口细岩屑较多，表明井壁粘附着大量岩屑。

钻进至井深528.90m 时，立管压力分别三次不同程度的突然提高，第一次由1.66↗2.35MPa，第二次由1.66↗2.83MPa，第三次由1.66↗6.21MPa，排砂管出口岩屑量逐步增加，为预防井下复杂进一步恶化，增大空气(由96↗124m3/min)和雾化(由40↗80L/min)排量循环，循环过程中，偶尔有钻具蹩停现象，上提下放钻具均遇阻，钻具被卡死。

将雾化液中发泡剂加量由0.5%增加至3%，但排砂管出口岩屑量未减少，反而明显增加，这是因为上部岩性破碎、裂缝发育，井眼应力不均衡，地层出水形成泥环，施工中压力不平稳，导致井壁坍塌。

4.2、Q2-33井
Q2-33井所试验的空气钻井的地层为第三系地层，岩性主要为杂色砂砾岩、棕黄色含砾泥岩及泥岩等。

空气钻井井段1507.80-2735.72m，累计进尺1227.92m，平均机械钻速
10.87m/h，是泥浆钻井平均钻速2.88m/h的3.77倍。

在井段1507.80-2070.33m实施了空气钻井（粉尘钻井），排砂管出口出现粉尘，但地层出水，使得潮湿的粉尘不断地聚集在井壁和套管上，泥页岩遇水水化分散严重，不易携带出地面；另外空气排量较大，冲蚀地层，井径扩大，井壁稳定性变差，造成每次起钻后，钻杆、
钻头和稳定器上包有较多湿泥，钻井过程中多次出现扭矩大,压力不平稳，起下钻遇阻井下复杂。

图2为Q2-33井空气钻进压力曲线图。

从图中可看出，在井段1600-1700m干空气钻井过程中，立管压力有明显地上升，排砂口的钻屑潮湿，表明地层少量出水。

起钻后，发现稳定器和钻头上粘有湿泥。

在井段1732.49-1836.33m钻井过程中，岩屑返出量很少，且存在扭矩增大现象，虽采取循环活动钻具方法处理，但效果不明显。

由于地层出水，造成下钻
图2 Q2-33井空气钻进压力曲线图
困难，分别在套管和裸眼多处遇阻，开气循环时出口见大量粉尘。

在井段1850-1980m干空气钻井过程中，立管压力有明显地上升，扭矩较大，并有蹩停转盘现象，排砂口的钻屑潮湿且出现段塞流，甚至排砂口不返岩屑。

钻至2070m起钻，起钻过程中，采用开气倒划眼才起出钻具。

为了防止卡钻事故，在2070m之后，采用雾化钻进。

如图2所示，注入雾化液后，立管压力逐渐平稳。

钻至井深2550m后，排砂口出水量明显增大，立管压力迅速增加，排出棕黄棕褐色泥浆，其密度值0.36-0.60g/cm3，说明地层受水影响后水化分散程度大，井壁稳定性变差，造成下钻划眼至2506m时发生卡钻事故，经地面多次震击、循环活动无效后，导致填井侧钻。

该井空气钻井试验失败，其原因在于地层出水时，未能及时转换空气钻井方式，造成粉尘钻进时压力不平稳，诱发地层不稳定，加上该地层易水化分散，井径扩大使得钻屑不易返出，导致卡钻事故发生。

五、认识
从青西油田几口空气钻井的试验可知，要想成功地钻成空气钻井，就应对所施工井的地层进行详细地井眼稳定分析，了解井眼坍塌的机理和性质。

青西油田的推覆体地层稳定性好，但上部地层破碎且有雪山渗透水，地层易发生脆性破裂和垮塌，在空气施工时，应用技术套管将破裂带封隔。

第三系地层岩性大部分为易水化分散的泥页岩且地层含水，空气钻井或雾化钻井不易有效控制该地层的井壁坍塌的发生。

钻遇水敏性泥页岩时，雾化钻井所使用的泥页岩抑制剂的效果是有限的，可能会因高速气流和泥页岩水化造成井塌，在地面表现为排砂口不返岩屑，出现段塞，压力表现不稳定，应及时转化为泡沫钻井。

在泡沫钻井过程中，可加入聚合物或KCL抑制剂，以稳定水敏泥页岩或粘土夹层。

泡沫钻井所需的气量远小于雾化钻井的气量，低返速对井壁的冲蚀大大减小，有助于井壁稳定。

参考文献
[1] 论文：马光长，杜良民，空气钻井技术及其应用钻采工艺，2004（4）
[2] 论文：刘德胜，赵曙光，空气钻井在TABNAK气田的合理应用石油钻采工艺，
2003（2）
[3] 著作：张克勤，刘雨晴编，井壁稳定技术译文集中国石油天然气总公司情报所，
1992，4
[4] 论文：李爱军，空气钻井井眼稳定问题初探西部探矿工程，1994（1）。