哈山地区石炭系防塌钻井液技术研究

摘 要：本文介绍了哈山地区的石炭系地层特点，分析了此区块井壁失稳的原因，提出了钻井施工中钻井液技术难点，并总结了对应的钻井液技术措施。

关键词：井壁失稳 有机胺 强抑制 造壁性 流变性

哈山地区位于新疆维吾尔自治区克拉玛依市乌尔禾区西北部，构造上位于准噶尔盆地与和什托洛盖盆地结合部，处于哈德构造带的西段。由于哈山地区地层十分复杂，其中石炭系井壁失稳表现尤为突出，钻进中塌、卡、漏等复杂情况交互出现，因此，对石炭系地层井壁失稳机理进行了分析研究，并由此制定出了相应的钻井液技术措施。

一、井壁失稳机理分析

1.地质及力学因素

通过对地质条件及力学影响因素的分析，可知哈山地区石炭系地层具有以下特征。

1.1地质因素。石炭系地层存在纵横交错的微裂隙，这些微裂隙为钻井液中自由水的进入提供了前提条件，同时也是地层整体强度变差并出现坍塌的原因之一。

1.2地应力因素。石炭系地层存在着较高坍塌压力，坍塌压力大于孔隙压力，且随着井深的增加而增大。按孔隙压力设计钻井液密度时，相对于坍塌压力而言即形成“欠平衡”。

1.3地层孔隙压力。地层孔隙压力随井深的加深而加大。钻开地层后若无足够的力来平衡，地层孔隙压力易向井内释放而导致井塌。

2.物理化学因素

2.1毛细管效应：石炭系地层节理、微裂缝发育，比表面大，毛细管效应突出，当水渗过微裂缝而进入粉砂与粘土颗粒间的孔隙后，由于水的极性极强，取代原来的粒土颗粒间的氢键，在颗粒间的接触点上原来使地层保持稳定的氢键不存在了，引起地层内聚力降低，裂缝张开，地层变得不稳定或开始崩裂。

2.2水化膨胀作用：石炭系地层分散性粘土矿物含量高，但膨胀性粘土矿物含量较低，一旦钻井液中的自由水沿微裂隙进入地层中，随着水敏性粘土矿物吸水后体积的增大，地层中会产生强大的压力，随着渗透水化的进行，地层的整体强度会逐步降低，在膨胀压力超过地层水化后的强度时，井壁坍塌。

2.3胶结物的溶解：裂缝观察和水溶盐测定表明，地层中含有少量的粘土矿物和无机盐，主要以胶结物和填充物的形式存在于裂缝和节理中。地层吸水后引起粘土矿物的水化膨胀和无机盐的溶解，裂缝间的胶结破坏，使地层的强度下降。

3.钻井工程因素

3.1钻井周期长。由于钻速慢、组织停工多，地层在钻井液中浸泡时间过长，易出现掉块等井壁失稳现场。

3.2钻具撞击。钻进及起下钻过程中不可避免地出现钻具机械碰撞，由于石炭系地层胶结差，很容易出现掉块。

3.3起下钻速度。起下钻速度过快，造成很大的抽吸压力和激动压力，导致井壁失稳。

3.4钻速与排量不匹配。不合理的冲刷井壁或长时间定点冲孔导致井壁失稳。

二、哈山地区石炭系钻井液施工难点与技术对策

1.哈山地区石炭系钻井液施工难点

1.1井壁稳定问题

哈山地区石炭系地层以火山岩为主，火山岩岩石类型多、岩性复杂，地层压力变化大，受地层应力改变及施工周期长、地层浸泡时间长等因素影响，井壁稳定问题更加突出。

1.2井眼净化问题

由于石炭系井壁不稳定井段长，有剥落掉块现象，掉块粒径比较大，如果悬浮性不好，停泵时掉块向井底下滑，使扭矩增大，出现憋泵等现象，严重时会造成卡钻。

1.3防卡问题

哈山地区井较深，钻具与井壁的轴向摩擦造成起下钻具时阻力大，易出现起钻遇卡、下钻遇阻等现象；径向摩擦造成钻具旋转时扭矩增大，过高的扭矩造成设备负荷过重。

1.4钻井速度慢，钻井周期长，为钻井安全带来了巨大隐患

由于哈山地区石炭系地层厚度大，岩石可钻性差，所以钻井速度慢，钻井周期长是必然的，也由此带来裸眼段浸泡时间长，复杂事故增多、套管磨损严重等一系列难题。

1.5流变性调控

施工时间长，岩屑在环空中被钻具反复挤压、碾磨，粒径减小，体系中低密度固相增加，引起钻井液粘切升高，流动性变差。

1.6高温稳定性

高温下，膨润土颗粒分散度增加，导致钻井液增稠、胶凝甚至固化；处理剂分子在高温下降解，导致钻井液性能恶化。

2.哈山地区石炭系钻井液技术对策

针对哈山地区石炭系井壁失稳机理与施工难点，应用“物化封堵一抑制水化一有效应力支撑”的钻井液“多元协同”防塌原理。

2.1稳定井壁

导致石炭系地层不稳定的原因中，重要原因为应力变化所致，所以控制钻井液密度在设计上限，维持适当的静液柱压力，以保持地层应力处于平衡状态，避免出现密度过低导致应力释放而发生地层垮塌；石炭系地层节理以及裂缝的先天存在，所以采用承压暂堵技术，加入封堵类处理剂和惰性材料，在井壁表面形成致密的非渗透封堵膜；同时在形成的屏蔽膜中的活性矿物与微裂隙中的粘土胶结，形成骨架结构，保持地层稳定。

2.2调控流变性

控制膨润土含量，防止高粘切引起环空压耗增大而引起井下复杂；保持钻井液体系具有一定的粘土容量限，防止低密度固相累积导致钻井液粘切升高，施工中保持钻井液体系具有0.3%-0.5%的粘土容量限，保证体系在劣质固相增加时仍然具有良好的流变性。

2.3增强抑制性

增强钻井液的抑制性就是抑制粘土发生膨胀或溶胀，维持应力平衡稳定。采用KPAM聚合物保证钻井液的絮凝能力，配合天然高分子絮凝剂增强抑制能力，加入有机胺和无水聚合醇抑制剂提高体系的抑制能力和固相容量，增强钻井液的抑制能力。

2.4保持钻井液具有良好的性

适当加入固体剂和聚合醇、白油等液体剂，降低钻具和套管及钻具和井壁间的摩阻，减少钻具旋转扭矩和起下钻阻力，也可以减少因钻具碰撞井壁而发生地层垮塌。

2.5高温稳定性

优选抗高温处理剂以确保钻井液体系的高温稳定性，并以胶液形式补充，保持其足够的含量；定期做钻井液高温老化、高温沉降和高温容水限等小型实验，判断钻井液体系的抗高温稳定性和抗高温处理剂是否充足。

三、认识与建议

1.哈山地区石炭系地层表面有较多微裂缝，填充物为片状粘土矿物，局部发育溶蚀孔隙，孔隙中有不溶残存物；哈山地区石炭系地层裂缝发育是构造作用和成岩作用的结果，且裂缝随井深而加深，此外，由于层间矿物内部的差异和变化，也在薄弱环节产生裂缝。

2.哈山地区石炭系地层失稳的物理化学机理为：微缝隙较发育，部分地层水化效应较强，钻井液滤液沿地层微裂隙侵入地层深部时，水化作用一方面消弱颗粒间的胶结力，另一方面水化产生强大的膨胀压力，使井壁水化失稳，导致掉块坍塌。

3.针对扭矩增大，掉快卡钻等复杂情况，需通过提高钻井液密度，保持适当的粘度、切力，加强钻井液封堵性，控制钻井液高温高压滤失量可确保井壁稳定，是减少井下复杂的关键措施。

参考文献

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