关键词：炭质泥岩 坍塌 工程措施 钻井液措施
延北区块部署1口水平井YB282-H06，由 目的层水平段为山西组山23，在山23地层需增井斜至入窗，钻进至山2炭质泥岩段时因井段长、井斜较大，炭质泥岩及顶部煤线的受力情况发生了变化，稳定性差，且，密度窗口窄，坍塌掉块极易发生，直接影响井下安全与经济效益。因此，通过总结之前该区块施工经验，分析坍塌掉块原因，是解决炭质泥岩地层坍塌问题的基础。同时，当出现炭质泥岩失稳显示，及时采取有效的应对措施，确保钻井施工安全的安全，保障在该层位内可以正常探寻山西组山23砂层，对延北区块后续水平井的正常施工有重大影响。
1 延北北区块简介
延北北区块位于陕西省延安市宝塔区北部。海拔高度860.6～1525米，气候干燥，地处陕北黄土高原中部丘陵沟壑区与高原沟壑区交接的过渡地带，属于鄂尔多斯盆地地质构造。
2 山23炭质泥岩坍炭质泥岩地质成因及塌机理分析
2.1 炭质泥岩的地质成因及理化特点
炭质泥岩是介于一般泥岩和煤岩之间的岩性，依据地质成因，山西组山23的炭质泥岩属于未成形的煤，因此与煤系地层垮塌机理有相同的特征。胶结物易吸水膨胀释放粘结力，导致炭质泥岩易沿层理呈片状剥落掉块。尤其在大斜度井段，井壁上部的炭质泥岩在下倾支撑作用不足时，由于受上覆压力及重力的作用，失去了力学稳定性。
2.2 山23炭质泥岩垮塌机理
炭质泥岩地层垮塌机理主要由于沉积环境等导致其拉抗强度很低、弹性模量小、裂缝发育、脆性大等。炭质泥岩为含有炭质成分的泥岩， 有机碳含量一般在10%～30%。主要由粒径小于0.0039mm的细颗粒组成。一般呈黑色、深灰色的块状，质地松软，岩体结构差，强度低。山23地层炭质泥岩含少量黏土矿物，水化敏感性差，水化能力低，主要是在地层应力或其它外力作用下失去稳定性，从而发生垮塌。
3 YB282-H06井炭质泥岩垮塌后的处理难点
本井在钻至斜深3559米后发生山23炭质泥岩坍塌。有明显的环空憋堵现象，在现场处理中存在下述处理难点。
3.1 施工井斜角大。该井井段井斜为88°，碳质泥岩垮塌剥落后，较大的剥蚀掉块无法及时带出井筒，造成环空憋堵，钻具上提反复遇卡。
3.2 水平段与直井段携砂机理不同。为及时带出较大的井壁掉块，全井上提钻井液粘切后，流动性大幅改变，对井壁的冲刷变弱，在井壁侧形成滞留层，同时使得井斜角大于60°的井段细岩屑堆积井壁，形成岩屑床，降低了对井壁的清洁效率。
3.3 密度窗口窄。 碳质泥岩垮塌后，井眼初始围岩压力改变，同时当井斜角大于40°后，地层坍塌压力稍增，但地层破裂压力大幅下降。造成钻井液安全密度窗口变窄，出现垮漏并存的复杂情况。
4 炭质泥岩复杂井段应对措施
4.1 钻井工程应对措施
4.1.1 简化钻具组合。使用牙轮加常规钻具组合，降低划眼过程中的卡钻风险。对井筒内余留的碳质泥岩剥蚀掉块进行挤压破碎，实现剥蚀掉块直径减小以利于带出井筒，同时对井壁进行修整。
4.1.2 调整循环排量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆φ215.9mm井眼正常钻进排量30L/S降至28L/S-10L/S，发生环空憋堵时及时采取小量循环顶通，逐步疏通环空，防止掉块上返聚集造成卡钻。
4.1.3 短起下钻清砂。在划眼过程中，当出现循环憋堵的情况时，如果判断为上部在40°至60°井斜井段形成岩屑床，进行短起后逐步循环清砂。
4.1.4 分段循环清砂。在井径较大的情况下，采取反复分段开泵短起至井斜40°以上井段后再进行循环，将部分掉块逐步携带出井筒。
4.1.5 循环避开易跨地层。根据实钻地层岩性，选择岩性相对稳定井段进行清砂循环井段，避免在煤层划眼循环，防止反复机械破坏煤层井壁垮塌，加重井下复杂情况。
4.1.6 提高钻具转速。通配合泵入稠稀交替塞时提高顶驱转速至80rpm以上，提高交替塞清洁井筒清洁效率。
4.2 钻井液应对措施
4.2.1 优选钻井液体系。通过室内大量实验筛选，优选出强抑制、强封堵钻井液体系：主抑制剂为KPAM、聚多胺基， 降滤失剂为磺化酚醛树脂等，。聚磺强抑制封堵体系岩屑回收率高，具有较强的 抑制水化能力，高温高压失水小，粘切适中，泥饼薄，有良好的随钻封堵防塌性能。
4.2.2 提高地层承压能力。使用随钻堵漏及封堵材料，针对微裂缝选择粒径0.1-0.5m为主堵漏剂，全井浓度不低于2%；配合3%石墨粉、磺化沥青和超细碳酸钙，利用沥青塑性颗粒，石墨类弹性颗粒和多种粒径超细目碳酸钙刚性颗粒相互配合，增强封堵效果，逐步提高地层承压能力，这是预防和处理炭质泥岩坍塌的关键。本井逐步上提钻井液密度至1.47g/cm3后，实现液柱压力平衡地层坍塌压力。
4.2.3 适度提高MBT。处理复杂期间MBT值由40g/L上提至55g/L，提高钻井液静切力及减轻高温减稀后的性能差异，同时改善泥饼封堵性，增强地层承压能力。
4.2.4 使用交替塞清洁井筒。 针对全井提高粘切后，对井斜角60°以上井段井壁清洁能力变差的情况，使用稀-稠交替塞，通过短时间内改变井筒钻井液流动形态，破坏岩屑床，使沉砂及时被疏塞，部分带出井筒。稀塞粘度控制70s作用，保证φ3和φ6低剪切速率值不过小，减小过度冲蚀井壁的不利影响。
5 现场应用效果
该区块二开入窗阶段出现炭质泥岩坍塌后很难再恢复正常钻进，且卡钻风险极大，通常需要进行工程填井侧钻处理。通过YB282-H06井的摸索，通过广范围、刚性、弹性颗粒互补封堵，解决密度于窗口窄是该区块关键所在。通过采用采用针对性的工程和钻井液两种防塌措施，在该区块水平井明确应对和预防措施，应对山23炭质泥岩段坍塌、井漏等复杂情况，取得了一定的效果。YB282-H06 入窗前密度提到1.38～1.40g/cm3，仍然出现炭质泥岩坍塌复杂。通过上述措施封堵处理后，地层承压能力逐步增强。钻井液密度最高提至1.47g/cm3。通过分段循环清砂，恢复正常钻进。二开完钻后在起钻前打入重浆以平衡循环压耗，确保液柱压力稳定。按要求加入足够沥青类和石蜡类防塌剂配制配液封闭炭质泥岩及煤层井段。最终本井在出现炭质泥岩坍塌复杂的情况下仍然实现二开技术套管顺利下入。
6 结束语
延北区块长山23炭质泥岩一般含少量黏土矿物，入井流体沿微裂缝侵入后引起局部水化，主要是在地层应力或其他外力作用下失去稳定性，从而发生坍塌。从预防措施方面，提高钻井液等封堵性能，提高地层承压能力，从而突破密度窗口瓶颈是实现安全钻井的关键。同时应重视钻井液体系的抑制性，减轻炭质泥岩微裂缝黏土矿物的水化作用，也具有重要意义。通过YB282-H06的现场处理情况，合理选用此两种防塌措施有效的解决了该区块炭质泥岩坍塌掉块问题，对今后延北区块水平井该层段复杂预防和处理提供了重要依据。
论文作者:付 伟,,李国保
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期
论文发表时间:2020/3/16
标签：泥岩论文; 地层论文; 井壁论文; 北区论文; 井筒论文; 区块论文; 岩屑论文; 《科学与技术》2019年第18期论文;