摘" " 要：渤海灣油田遇到大量由于井壁坍塌失穩(wěn)造成的復(fù)雜問題，其中絕大部分屬于泥頁巖地層，在泥頁巖地層作業(yè)中，影響井壁穩(wěn)定的主要因素是力學(xué)及化學(xué)兩個方面，井壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)為返出掉塊、阻卡、憋壓、井徑擴(kuò)大等。渤海灣趙東油田C4區(qū)塊F26-XX井215.9 mm井段鉆遇泥頁巖，劃眼通井過程中出現(xiàn)嚴(yán)重阻卡、憋壓現(xiàn)象。結(jié)合頁巖井壁穩(wěn)定機(jī)理，在鉆井液性能、井眼軌跡、作業(yè)程序等方面有針對性地進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，順利完成了215.9 mm井段鉆井作業(yè)。針對F26-XX井處理過程中的問題與不足，為后續(xù)該區(qū)塊泥頁巖井段作業(yè)提出建議。

關(guān)鍵詞：泥頁巖；井壁穩(wěn)定；對策

Complexity of shale formation on C4 Block of Zhaodong Oilfield and its"countermeasure

ZHANG Hao， SHEN Jiyang

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Most complex problems caused by wellbore collapse and instability encountered in the Bohai Bay oilfield happen in the mud shale formation. In the operations in the mud shale formation， mechanical and chemical factors are two main aspects affecting the stability of the wellbore. Problems including returned falling rocks， pipe stuck， pressure holding and hole enlargement are the main manifestations of the wellbore instability. Severe pipe stuck and pressure holding occurred during the reaming down process in the mud shale formation distributed in the 215.9 mm well section of F26-XX on the C4 Block of Zhaodong Oilfield in Bohai Bay. Based on the shale wellbore stability mechanism， adjustments in terms of drilling fluid performance， borehole trajectory， drilling procedures， and others were made to ensure the successful operation in this section. Given the problems and deficiencies in the drilling operation of the F26-XX well， this paper provides suggestions for the subsequent drilling operation in the mud shale well section of this block.

Keywords：mud shale; wellbore stability; countermeasure

泥頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)理分為力學(xué)失穩(wěn)及化學(xué)失穩(wěn)，在力學(xué)失穩(wěn)理論中，認(rèn)為地層被鉆開前僅受到原始地應(yīng)力的作用，地層被鉆開后，鉆井液液柱壓力與原始地應(yīng)力同時作用在井壁圍巖上，致使井壁圍巖應(yīng)力場重新分布。鉆井液侵入到井壁圍巖，或地層流體侵入到井眼內(nèi)，均會引起井壁圍巖孔隙壓力重新分布，進(jìn)而影響有效應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致井壁圍巖發(fā)生變形。泥頁巖井壁圍巖力學(xué)失穩(wěn)機(jī)制包括圍巖塑性流動或大變形、沿弱結(jié)構(gòu)面（層理、節(jié)理、裂縫等）的剪切滑動，及鉆井液密度不能平衡地應(yīng)力所引起的井壁破裂和坍塌[1]。

在化學(xué)失穩(wěn)理論中，當(dāng)?shù)貙颖汇@開后，井筒中的鉆井液受到地層流體之間的孔隙壓力差、溫度差、化學(xué)勢差和地層毛細(xì)管力的驅(qū)動作用，進(jìn)入近井壁地層。隨著井壁裸露時間增長，鉆井液與地層礦物質(zhì)接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。泥頁巖地層中黏土礦物主要包括高嶺石、綠泥石、蒙脫石和伊利石等，這些黏土質(zhì)礦物易水化膨脹，在鉆井液的浸泡下出現(xiàn)彈性模量、力學(xué)強(qiáng)度等參數(shù)的降低，最終弱化了井壁圍巖的膠結(jié)性，降低了井壁圍巖的強(qiáng)度，導(dǎo)致井壁支撐能力減弱，最終引起井眼垮塌[2]。

趙東油田F26-XX井位于渤海海域趙東C4導(dǎo)管架平臺，是一口五段制開窗側(cè)鉆水平生產(chǎn)井，設(shè)計完鉆層位為沙河街組，儲層上覆50～70 m厚的頁巖層，在水平段鉆進(jìn)前需要鉆穿頁巖油層。在油田開發(fā)的早期階段，大多數(shù)直井和/或低井斜鉆穿泥頁巖生產(chǎn)井未出現(xiàn)復(fù)雜情況。在F26-XX水平井施工過程中，以較大井斜角度鉆穿泥頁巖過程中，遇到了嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)情況，鉆井過程中經(jīng)常出現(xiàn)頻繁遇阻，如憋泵、蹩扭矩等情況。歷經(jīng)兩次填眼側(cè)鉆，其中F26-XX井在倒劃起鉆及下鉆通井期間頻繁遇阻，并伴隨嚴(yán)重的憋泵、蹩扭矩情況，由于多次通井后劃出新井眼，打棄井水泥塞進(jìn)行重新側(cè)鉆；F26-XXST1井針對泥頁巖復(fù)雜情況，優(yōu)化井眼軌跡，增加了鉆井液的抑制性，215.9 mm井眼鉆井過程中，在泥頁巖井段再次頻繁遇阻，憋泵、蹩扭矩，處理無果后再次打棄井水泥塞進(jìn)行填眼側(cè)鉆；F26-XXST2井作業(yè)中，通過采取提高鉆井液密度、加強(qiáng)鉆井液抑制性、優(yōu)化井眼軌跡、調(diào)整鉆井程序等措施，2022年1月31日6時完成F26-XXST2井全部鉆完井施工作業(yè)，并成功交井。

1" " F26-XX井概況

1.1" " 井身結(jié)構(gòu)

F26-XX井是一口套管開窗水平生產(chǎn)井，井眼軌跡及井身結(jié)構(gòu)如表1所示，套管開窗位置為244.5 mm套管960 m處，完鉆井深2 767 m，完井方式為裸眼篩管完井。

1.2" " 地質(zhì)分層

F26-XX井地質(zhì)分層如表2所示，鉆遇館陶組及沙河街組，完鉆地層為沙河街組，其中在館陶組及沙河街組鉆遇約186 m泥頁巖，如表3所示。

1.3" " 井眼軌跡

F26-XX井是一口五段制開窗側(cè)鉆水平井，井眼軌跡如表4及圖1所示，造斜點(diǎn)960 m，最大井斜85.03°，最大全角變化率5.437°/30 m，其中在泥頁巖井段全角變化率為1.8°/30 m～5.4°/30 m。后經(jīng)2次調(diào)整井眼軌跡，完成該井215.9 mm及155.5 mm井眼施工。

1.4" " 泥漿性能

F26-XX井215.9 mm井眼鉆井液性能如表5所示，采用鉀基聚合物鉆井液，經(jīng)過兩次填眼側(cè)鉆后，F(xiàn)26-XXST2井通過調(diào)整泥漿密度至1.15～1.32 g/cm3，同時加入頁巖抑制劑、降濾失劑等穩(wěn)定泥頁巖井段，安全完成215.9 mm井眼施工。

2" " F26-XX井作業(yè)情況

F26-XX井215.9 mm井眼定向鉆進(jìn)至2 956.5 m完鉆后，開始倒劃眼起鉆，其中在泥頁巖井段（2 657～2 843 m）劃眼排量由31 L/s降至4～6 L/s，扭矩在28～42 kN?m間波動，憋泵、蹩扭矩情況嚴(yán)重，在通過泥頁巖井段后排量恢復(fù)至31 L/s，起鉆至井口，后下入177.8 mm套管，在泥頁巖井段遇阻無法下入，起出套管后進(jìn)行3次通井作業(yè)。

第一次通井采用擴(kuò)眼器+偏心擴(kuò)眼器組合，嘗試對泥頁巖縮徑井段進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)。鉆具組合：155.6 mm牙輪鉆頭×0.2 m+215.9 mm擴(kuò)眼器×1.25 m+浮閥接頭×0.88 m+139.7 mm加重鉆桿×9.58 m+轉(zhuǎn)換接頭×1.07 m+209.5 mm偏心擴(kuò)眼器×1.35 m+轉(zhuǎn)換接頭×1.05 m+139.7 mm加重鉆桿×28.61 m+177.8 mm液壓振擊器×9.75 m+139.7 mm加重鉆桿×19.06 m+139.7 mm鉆桿。本次通井下鉆至泥頁巖井段，劃眼過程中出現(xiàn)頻繁憋泵、蹩扭矩情況，期間泵入潤滑劑無明顯效果，后起鉆檢查鉆具，工具情況如圖2所示。

第二次通井甩掉偏心擴(kuò)眼器（疑其引起環(huán)空憋堵），再次進(jìn)行通井作業(yè)。鉆具組合：155.6 mm牙輪鉆頭×0.2 m+215.9 mm擴(kuò)眼器×1.25 m+浮閥接頭×0.88 m +139.7 mm加重鉆桿×38.19 m+177.8 mm液壓振擊器×9.75 m+139.7 mm加重鉆桿×19.06 m+139.7 mm鉆桿。本次通井下鉆至泥頁巖井段，劃眼過程中再次出現(xiàn)頻繁憋泵、蹩扭矩情況，期間鉆井液密度由1.13 g/cm3提高至1.23 g/cm3，并嘗試泵入燒堿水沖洗擴(kuò)眼器，但無明顯效果，后起鉆檢查鉆具，如圖3所示。

第三次通井使用215.9 mm牙輪鉆頭代替擴(kuò)眼器，并安裝小水眼，提高鉆頭水功率，增強(qiáng)清洗能力。鉆具組合：215.9 mm銑齒牙輪鉆頭×0.25 m+浮閥接頭×0.79 m+171.5 mm無磁鉆鋌×4.56 m+MWD×7.62 m+127 mm無磁鉆桿×9.40 m+轉(zhuǎn)換接頭×1.05 m+139.7 mm加重鉆桿×28.61 m+177.8 mm液壓振擊器×9.75 m+139.7 mm加重鉆桿×19.06 m+139.7 mm鉆桿。本次通井劃眼過程中，頻繁出現(xiàn)憋泵、蹩扭矩情況，并在2 730 m開始劃眼困難，根據(jù)現(xiàn)場指令，劃眼鉆壓由50 kN最大增至250 kN，泵壓及扭矩?zé)o明顯變化，活動鉆具，并在2 736.42、2 743.72、2 745.77 m測斜，測斜數(shù)據(jù)與隨鉆測斜數(shù)據(jù)不符，現(xiàn)場判斷劃出新井眼，起鉆棄井。

3" " F26-XX井復(fù)雜情況處理

3.1" " F26-XXST1井

F26-XXST1井215.9 mm井眼在工程及鉆井液方面做出以下調(diào)整。第一，優(yōu)化泥頁巖井段井眼軌跡，避免井眼軌跡大幅調(diào)整，控制全角變化率小于4.5°/30 m；鉆進(jìn)過程中下入偏心擴(kuò)眼器；鉆至頁巖井段之前進(jìn)行一次短起下。第二，采用鉀鹽聚合物體系，定期加入新漿稀釋井漿，維持密度在1.11～1.14 g/cm3；進(jìn)入頁巖層后，加入更多新漿稀釋井漿，降低固相含量，提高抑制性，防止頁巖水化分散；中完前加入防泥包和降失水添加劑；倒劃眼過程中持續(xù)加入新漿稀釋井漿，必要時加入液體潤滑劑及塑料小球。

該井鉆進(jìn)至2 966 m時頂驅(qū)出現(xiàn)故障（泥頁巖井段2 785～2 966 m），經(jīng)19 h更換頂驅(qū)后開泵上下劃眼，出現(xiàn)嚴(yán)重憋泵、蹩扭矩情況，倒劃眼至2 666 m，逐漸提高排量至37.8 L/s，循環(huán)至振動篩處返出干凈（其間振動篩返出大量巖屑），再次嘗試下劃，劃眼下鉆至2 791 m，開泵困難，緩慢倒劃眼至2 785 m，排量6.8 L/s，泵壓1.4 MPa，轉(zhuǎn)速80～100 r/min，扭矩38～48 kN?m，其間頻繁蹩停頂驅(qū)，現(xiàn)場決定起鉆通井。

通井鉆具組合：215.9 mm牙輪鉆頭×0.25 m+177.8 mm浮閥短節(jié)×0.79 m+171.5 mm無磁鉆鋌×4.56 m+171.5 mm MWD×7.62 m+174.6 mm無磁鉆桿×9.42 m+轉(zhuǎn)換接頭×1.05 m+139.7 mm加重鉆桿×28.61 m+177.8 mm振擊器×9.92 m+139.7 mm加重鉆桿×19.06 m+139.7 mm鉆桿×2 030.09 m+139.7 mm加重鉆桿×229.37 m+139.7 mm鉆桿。

組合通井鉆具下鉆至2 688 m，接頂驅(qū)，劃眼下鉆至2 791 m，憋泵、蹩停頂驅(qū)，多次向井筒內(nèi)泵入8～11 m3燒堿浸泡井眼，浸泡效果不佳，最深劃眼至2 800 m，且仍頻繁憋泵、蹩頂驅(qū)，最后決定起鉆棄井。

3.2" " F26-XXST2井

F26-XXST2井215.9 mm井眼在工程及鉆井液方面做出以下調(diào)整。其一，地質(zhì)部門根據(jù)地應(yīng)力分析調(diào)整靶點(diǎn)，重新設(shè)計井眼軌跡，降低裸眼段長度；扭方位井段避開泥頁巖層段，由最初的4.0°/30 m～5.4°/30 m調(diào)整至1.8°/30 m～2.6°/30 m；鉆至頁巖層之前進(jìn)行一次短起下，處理好上部地層井壁。其二，繼續(xù)采用鉀鹽聚合物體系，定期加入新漿稀釋井漿；進(jìn)入頁巖層前，井筒內(nèi)鉆井液替換為新配1.20 g/cm3的鉆井液，完鉆密度調(diào)整至1.33 g/cm3，進(jìn)一步增強(qiáng)井壁力學(xué)穩(wěn)定性；進(jìn)入頁巖層前加入頁巖抑制劑、降濾失劑、潤滑劑、增黏劑，降低失水，提高鉆井液抑制性和潤滑性。

本井鉆進(jìn)至2 145 m，短起下（2 000～2 145 m）到底后置換新鉆井液，鉆井液密度由1.16 g/cm3調(diào)整至1.23 g/cm3，鉆進(jìn)至2 591 m中完，其間鉆井液密度逐漸提高至1.33 g/cm3，后順利倒劃眼起鉆至井口。

4" " 復(fù)雜原因分析

4.1" " 頁巖井段井壁失穩(wěn)

渤海油田東營組至沙河街組的泥頁巖屬于硬脆性泥頁巖，受成巖作用和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響，這類泥頁巖中層理、裂縫或微裂隙發(fā)育。鉆井過程中鉆遇這類地層，如果鉆井液密度過低或封堵性能不好，容易發(fā)生較為嚴(yán)重的井壁坍塌，引發(fā)起下鉆阻卡等井下復(fù)雜情況[3-4]。

統(tǒng)計C4區(qū)塊歷年17口鉆遇泥頁巖井的數(shù)據(jù)如圖4所示，并對其進(jìn)行綜合分析可知，在當(dāng)前區(qū)塊作業(yè)，頁巖段井壁穩(wěn)定性以井斜60°為臨界點(diǎn)，井斜高于60°頁巖井段，井眼軌跡方向與頁巖層理傾角方向基本保持平行，頁巖地層坍塌壓力顯著提高[5]。

鉆井液濾液沿層理、裂隙面的滲流，在井周地層中引起附加應(yīng)力，降低鉆井液液柱對井壁的有效支撐；此外，鉆井液的浸泡導(dǎo)致井周地層的強(qiáng)度降低，可能最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。通過以上分析可知，頁巖層坍塌壓力較非頁巖層井段坍塌壓力更高，鉆穿頁巖層需要較高的鉆井液密度來穩(wěn)定井壁，同時需要鉆井液有較強(qiáng)的抑制性與封堵能力。

在F26-XX井實(shí)際鉆井過程中，設(shè)計鉆井液體系為鉀鹽聚合物體系，鉆井液密度1.11～1.13 g/cm3，鉆井液密度偏低。

F26-XXST1井仍應(yīng)用原有泥漿體系，在其中加入頁巖抑制劑、降濾失劑及潤滑劑，鉆井液密度1.11～1.13 g/cm3，在密度方面未做明顯調(diào)整，以化學(xué)劑抑制頁巖水化作用為主，加強(qiáng)體系抑制性、潤滑性及封堵性，通過補(bǔ)充新鉆井液，加強(qiáng)水化縮徑頁巖段在泥漿中的分散作用，在通井劃眼困難期間，通過泡燒堿水嘗試處理縮徑頁巖井段，由于鉆井液密度較低，頁巖段井壁失穩(wěn)，未能成功完鉆。

對于F26-XXST2井，根據(jù)第三方地應(yīng)力模型分析結(jié)果，確定了合理鉆井液密度，最后將其逐漸提高至1.33 g/cm3，同時在體系中加入頁巖抑制劑、降濾失劑及潤滑劑，加強(qiáng)鉆井液體系的抑制性、潤滑性與封堵能力，順利完成本次鉆井作業(yè)。

4.2" " 井眼軌跡復(fù)雜

趙東C4平臺由南北兩側(cè)導(dǎo)管架組成，共布井36口，實(shí)鉆井?dāng)?shù)量超過45口，井型均為定向井或水平井，防碰繞障難度大。在F26-XX和F26-XXST1兩口井中，受防碰繞障、電潛泵位置井斜要求、入窗位置要求、靶點(diǎn)位置等客觀情況限制，井眼軌跡優(yōu)化受限，兩口井全角變化率最大為5.4°/30 m，井眼軌跡復(fù)雜導(dǎo)致摩阻和扭矩增大；且泥頁巖井段頻繁憋泵、蹩扭矩導(dǎo)致倒劃排量明顯偏低，井眼清潔情況惡化，加劇了井下復(fù)雜情況發(fā)生。

在F26-XXST2井中，地質(zhì)部門調(diào)整靶點(diǎn)位置，進(jìn)一步優(yōu)化了井眼軌跡，縮短了裸眼段長度，降低了全角變化率，在進(jìn)入泥頁巖前，提前完成扭方位，降低了井眼軌跡的復(fù)雜性。

5" " 結(jié)束語

1）由于頁巖固有的一些特性如層理結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及強(qiáng)度各向異性，在鉆井設(shè)計過程中應(yīng)優(yōu)先考慮頁巖特性導(dǎo)致的井壁穩(wěn)定情況，同時結(jié)合常規(guī)的地應(yīng)力分析，合理地確定鉆井液密度與性能，加強(qiáng)鉆井液的抑制性與封堵能力，優(yōu)化井眼軌跡，避免井眼方向與頁巖層理方向一致，盡可能選擇垂直于層理方向進(jìn)行鉆進(jìn)，進(jìn)一步降低由于頁巖井段井壁失穩(wěn)帶來的井下事故復(fù)雜情況。

2）通過F26-XX井的施工作業(yè)，確定了C4區(qū)塊頁巖層理結(jié)構(gòu)與井眼軌跡的關(guān)系，通過建立地質(zhì)模型，明確了不同井斜方位情況下鉆穿頁巖段地層所需的鉆井液密度，為后續(xù)本區(qū)塊的頁巖段施工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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作者簡介：

張" " 浩（1986—），男，天津人，工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，目前主要從事海洋平臺鉆井技術(shù)管理工作。Email：zhanghao1.cpoe@cnpc.com.cn

編輯：林" " 鮮