软泥岩井壁失稳原因与技术对策

软泥岩井壁失稳原因与技术对策

<网络与相关文献资料整理>

一、软泥岩的特点与钻井液技术对策

软泥岩属于层理裂隙不发育的岩体，地层组构特征：粘土矿物以伊蒙无序间层为主；大多属于第三系或白垩系地层，成岩程度低，呈块状，处于早成岩期；分散性强，回收率大多小于20%；阳离子交换容量高，15-30mmol/100g土；泥岩易膨胀，膨胀率高达20-30%；绝大部分地层属于正常压力梯度，极个别地区此类地层出现异常压力梯度；岩石可钻性级别低，小于1级～3级。

钻遇软泥岩地层的潜在井下复杂情况为：造浆性强，地层自造浆密度高，切力大，含砂量高；钻井过程中易缩径，起钻遇卡拔活塞，灌不进钻井液，处理不当易发生卡钻、井塌、下钻遇阻、划眼、蹩泵、井漏；阻卡井段固定，以700m～1500m井段最为严重。典型区块为我国东部油田明化镇组泥岩。

软泥岩中井壁不稳定发生原因：泥岩中伊蒙无序间层吸水膨胀、分散、缩径；高渗透砂岩形成厚泥饼；钻速高，环空钻屑浓度过高。

软泥岩中的钻井液技术对策：采用强包被的聚丙烯酸盐聚合物、两性离子聚合物、阳离子聚合物、正电胶阳离子聚合物、正电胶等类型钻井液；对于直径等于或小于f244mm的井眼，应采用低密度、低粘、低切钻井液，提高返速，使环空钻井液处于紊流；对于直径等于或大于f311mm的井眼，在保证钻屑携带前题下，应尽可能降低粘切，提高钻井液的抑制性与返速，降低滤失量，改善泥饼质量；控制环空钻屑浓度；搞好固控。

应用实例：BZ25-1油田。前期28口井钻井中使用的小阳离子钻井液(JFC)存在的主要问题为：机械钻速低、伴有憋泵抬钻具现象，并且钻井液的流变性难以调控，维护困难。

后期钻井过程中采用抑制性更强的聚合醇钻井液(PEM)，虽然聚合醇钻井液的抑制性和机械钻速提高了，但是井壁稳定和起下钻遇阻问题却更为突出，钻井时效反而降低，具体表现为以下几个方面：(1)明化镇组大段活性软泥岩地层钻进过程中憋钻、卡钻严重，倒划眼困难，甚至出现倒划眼时间超过钻井时间。(2)起下钻遇阻严重，基本都采用倒划眼的方式进行。(3)在泥岩井段地层钻进过程中钾离子消耗较快，必须及时补充KCl，只有维持钾离子含量大于15000mg/L才能控制聚合醇钻井液粘度的增长，因此一口井的KCl用量可能达到60-70吨。

根据BZ25-1油田现场情况及对活性软泥页岩井壁稳定机理进行分析，采用无机盐抑制的方法并不能从根本上解决活性泥页岩井壁膨胀、遇阻现象。井内的水基钻井液与活性泥页岩都存在着比较复杂的物理-化学作用，井壁失稳的物理因素主要有水力传递、渗透作用、离子和压力传递，化学因素主要有离子交换、膨胀压的改变。

室内研究认为适合于大段活性软泥页岩钻井的钻井液应具有如下特性：

1)钻井液应具有很好的携砂和润滑能力，能够有效地将钻屑带到地面，以避免钻屑在钻井液中停留过长而消耗处理剂并增加钻井液固相含量。

2)钻井液应在现场施工过程中具有强的包被抑制性，保证钻屑不水化分散和钻井液性能的稳定。

3)具有较高的固相容量限。

4)软抑制。这是钻井液设计思路的关键，传统的无机盐(尤其是KCl)抑制的方式不可取，不仅不能有效地抑制地层的水化膨胀，还会造成近井壁带硬化(硬抑制)，给起下钻带来一系列问题。室内研究采用软抑制，即通过研究合成具有适度分子量和高的正电荷的有机物作为抑制剂,通过正电荷压缩双电层抑制黏土水化膨胀，使近井壁地层不至于变硬。

5)在软抑制的基础上提高膜效率，可有效减缓压力的传递和滤液的侵入，进一步增强活性软泥页岩的稳定性。

室内研究最终优选了适合于大段活性软泥页岩地层的有机正电胶(PEC)钻井液。

二、软泥岩钻井的相关技术问题

(1) 钻井液体系的选择

对于软泥层的钻进，首先是钻井液体系的选择，要求钻井液必须具有强抑制性。(编者注：目前也有观点认为在软泥岩钻井中钻井液抑制性过高或过低都是不利的，但尚无量化标准)。目前，在钻软泥岩地层时，70% 以上用的是欠饱和/饱和盐水钻井液。这是因为盐水钻井液具有脱水作用，井壁处的泥岩遇盐水脱水、收缩，缓解了水化膨胀趋势，有利于井壁稳定。

(2) 冲蚀-蠕变的平衡

对于蠕变速率较小的情况，采用大排量、低粘切钻进，增大钻井液对井壁的冲蚀作用，冲蚀作用增大井径扩大率，并使井径扩大率的速率与蠕变缩径的速率基本保持在一个动态平衡状态。此过程要考虑加重材料、坂土、钻屑在井壁上的吸附速率和吸附累积量。在酒东油田的丰一井软泥岩施工中，为了控制软泥岩的缩径，采用通常的提密度的方法，密度从1.18g/ cm3 提高到1. 45g / cm3，井下阻卡情况不但没有得到缓解，反而加重。后降密度至1.25g/ cm3 井眼趋于稳定。

分析原因认为：密度提高后，钻井液中的固相含量由7% 增大到12%，固相粒子在井壁上的吸附速率和吸附量增大，另一方面，提密度后，粘切升高，减弱了钻井液对井壁的冲蚀作用，致使井径扩大率增大速率小于蠕变缩径的速率造成阻卡。因此，对于蠕变速率较低的地层，通过提高钻井液的上返速度、降低粘切、增强絮流对井壁的冲蚀，能有效减弱和控制软泥岩的缩径。

(3) 分散-抑制的平衡

软泥岩地层钻进，由于其水化分散能力特别强，要求钻井液具有很强的抑制性，以减弱钻屑在钻井液中的分散和井壁泥岩的水化、分散、膨胀，坂土含量控制在3%以下。在酒东油田，使用阳离子钻井液，充分利于小阳离的粘土稳定作用，通过调整不同分子量小阳离子

配比，增强粘土的稳定性。在以大阳离子作为包被剂的同时，以阳离子降滤失剂( HS- 1) 降低滤失量的同时，保持体系的强抑制特性。由于三种主处理剂均加入了抑制剂，在土粉基本不分散的情况下，滤失量很高，但井下阻卡没有明显加剧。相反，在丰一井的软泥岩钻进中，先在套管用腐植酸钠将中压滤失量降至4mL，井下阻卡特别严重。分析认为是加入腐植酸钠后，虽然滤失量很低，但腐植酸钠具有较强的分散能力，加剧了近井壁泥岩的分散，并且低滤失量减弱了钻井液对井壁的冲蚀作用，造成缩径。

(4) 钻井液的润滑性

软泥岩层钻井中，由于其粘弹性很强，钻屑极易粘附在扶正器、钻头、钻杆接箍处，造成泥包而引发阻卡。因此在钻进中要加入足量的润滑剂和防泥包剂。酒东油田软泥岩钻井中，选用阳离子乳化沥青作为主润滑剂(润滑抑制型沥青)，在使用用防泥剂的同时，配合使用消泡剂，有效地防止了泥包的发生。

(5) 短起下作业

软泥岩层钻井中的短起下作业特别重要，有利于及时修正井眼，破坏因蠕动向井眼内移动的软泥岩。实际钻井中应当根据软泥岩缩径速率的变化，每钻进50-150m进行一次短起下作业。

三、钻井中缩径卡钻的特点与预防

(1) 缩径卡钻的特征

对钻具来说，遇钻点只发生在钻头或扶正器位置。

对地层来说，遇钻点固定于某一个或几个井段，离开该井段，不管是起钻还是下钻，皆畅通无阻。

缩径卡钻仅发生在起钻或下钻过程中，钻头在静止时不会发生卡钻，除非钻头在石膏层井段。

缩径遇阻，开泵循环是没有效果的，而不像岩屑遇阻，一开泵循环，起钻就顺利。

缩径卡钻像粘附卡钻一样，泵压、井口返浆及钻井液性能皆无变化。

(2) 缩径的种类

泥页岩缩径：浅层泥页岩，主要成分是钠基蒙脱石，吸水后晶格增大，岩石膨胀，而且连接力仍然很强，不发生剥落，导致井径缩小。中深层软泥岩，因其含水量和孔隙压力异常高，地层被钻穿后，在其上覆盖压力作用下，产生塑性变形，使井眼缩小。

砂岩缩径：砂岩渗透性强，当钻井液中固相含量高时，易形成很厚的泥饼，从而发生缩径。

盐膏层缩径：石盐易发生蠕变，石膏吸水易发生膨胀，二者均可井眼缩小。

钻头外径磨小发生缩径卡钻：钻头使用到后期，外径磨小，形成一小段井眼，下钻太快，发生卡钻。

井眼弯曲发生缩径。

错把大一级的钻头下入小一级的井眼中。