张子程，杨保健，李亚亮，戴 杰，王 攀，汤柏松

（1. 中海石油能源发展有限公司工程技术公司，天津塘沽 300452；

2. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津塘沽 300452；）

随着渤海油气勘探的不断深入，勘探方向已由大型构造油气藏逐渐转向含油气构造的复杂区块，向构造的深部及其两翼的非构造圈闭，向凹陷中的各种砂岩体岩性圈闭转移。蓬莱7-6构造位于渤东低凸起南段，紧邻渤东凹陷和渤中凹陷，该区块处于渤海边缘的走滑断层，地应力复杂，压扭异常易发生垮塌、明化镇上部泥岩压实程度高以及吸水后极易膨胀掉落，严重影响了钻井作业时效和地质资料的录取。在2015年完成的PL7-6-1井作业过程中，三开φ311.15 mm井眼钻进过程中就发生井壁失稳，在完钻后井壁失稳更为严重，为保证电缆测井顺利，仅通井工作耗去11天工期。在2016年开钻的3井作业中，虽然三开φ311.15 mm井眼顺利钻进至中完井深，但完钻后同样发生严重井壁失稳，通井耗去7天工期。为此中海油天津分公司在后续进行的PL7-6-2井作业中，及时优化钻井及钻井液方案，最终顺利完成PL7-6-2井作业及蓬莱7-6构造的评价任务，取得了非常理想的效果。

1 蓬莱7-6构造井壁不稳定的原因

1.1 井壁不稳定的原因

井壁稳定问题是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的世界性难题．各国钻井、泥浆界对此问题都十分关注，开展了大量的研究工作。钻井工程中的大部分井壁失稳问题都是地层岩石受地应力作用的力学因素以及地层与钻井液物质传递的物理因素与化学因素共同起作用的结果[1-3]。井壁不稳定问题，一般发生在页岩、盐岩、非胶结或胶结差的砂岩及其它破碎性的岩石（如玄武岩、辉绿岩、灰岩）等地层，但最常见、占比例最大、影响最严重的是页岩地层。导致页岩不稳定的主要原因为：

（1）力学因素：包括塑性流动或软泥岩变形、硬脆性页岩沿滑动面（层理、节理、裂缝等）的滑动及钻井液密度不能平衡构造应力或页岩沉积压实过程中所形成的异常压力（负压钻井）所引起的页岩破裂和剥落坍塌。

（2）物理化学因素：钻井液与页岩地层发生物理化学作用引起水化膨胀和分散，强度下降，最终导致井壁不稳定。此作用的强弱与页岩矿物组分、黏土矿物含量、地层水的活度、埋藏深度、阳离子交换容量、阳离子种类、层理裂缝发育程度和岩石硬度等因素有关。

（3）水力因素：钻井液对井壁的水力冲蚀、压力激动与抽汲作用。

总之，井壁不稳定的核心是力学的不平衡，以上三种因素都与受力平衡状态的破坏有关[4-6]。

1.2 蓬莱7-6构造井壁不稳定情况

（1）地质原因

蓬莱7-6构造处于渤海边缘的走滑断层，地应力复杂，压扭异常，地层破碎，加之岩石本身的特性复杂，导致钻开地层后发生井塌。

（2）理化原因

地层内黏土类物质与钻井液存在离子交换，发生水化膨胀，存在膨胀压力，造成井壁失稳。

（3）钻井工艺原因

由于蓬莱7-6构造处于走滑断层，地应力复杂，单纯靠提高钻井液密度或提高钻井液抑制性不能理想的解决井壁不稳定的问题。另外，虽然本构造井壁失稳现象发生于明化镇组和馆陶组，但该地层埋深在2 000 m至3 500 m，相较于其他区块，埋深较深，按照常规作业思路处理不能很好地解决。

2 蓬莱7-6构造前期钻井情况

在2015年中海油天津分公司部署的PL7-6-1井完钻层位馆陶组，设计完钻井深3 250 m。但在作业过程中，三开φ311.15 mm井眼钻进至2 795 m后起钻过程中发生井壁失稳，在完钻后井壁失稳更为严重，经过40小时的倒划眼才起钻至较安全的井段。

图1 PL7-6-1井井壁失稳情况

为保证电测顺利，之后更换不同的通井钻具进行3次通井，将钻井液密度由1.26 g/cm3提高至1.33 g/cm3后才顺利地完成了后续的电缆测井和下套管作业，这一过程耗去11天工期。另外，在2016年开钻的PL7-6-3井作业中，虽然三开φ311.15 mm井眼顺利钻进至中完井深，但完钻后同样发生严重井壁失稳，通井耗去7天工期。

3 蓬莱7-6构造钻井改善措施

蓬莱7-6构造受地质活动影响，地层地质结构较为复杂，个体差异性大。为此，探井项目组根据钻前地质预测，结合邻井实钻资料，针对单井预测三压力剖面及岩性剖面，优化井身结构，优选与之匹配的钻井液体系，制定防漏、堵漏、防塌预案，确保深部钻探作业的顺利进行。

3.1 优化井身结构

该区块探井主要目的层为明化镇组下段和馆陶组。邻近区块实钻资料表明，明化镇组以厚层泥岩夹薄层砂岩为主，泥岩易发生水化坍塌，且坍塌周期较短；馆陶组底部以厚层砂砾岩为主，胶结差，渗透性好，易发生井漏；明化镇组和馆陶组的泥页岩属于硬脆性泥页岩，受成岩作用和地质构造运动的影响，这类泥页岩中层理、裂缝或微裂隙发育。钻井过程中钻遇这类地层，如果钻井液密度过低或封堵性能不好，容易发生较为严重的井壁坍塌，引发起下钻阻卡等井下复杂。同时钻进节理性地层时，井壁稳定性与井眼的尺寸密度相关，井眼越大，井周块体数量越多，井壁越容易发生失稳，因此，在节理性地层中钻进小尺寸井眼有利于井壁稳定。另外，考虑到封隔断层、钻机能力及油层保护等因素，井身结构优化方案如下：二开表层φ339.70 mm套管下深至800 m左右，封固浅层疏松地层，满足下部井眼的作业安全。由原先的三开完钻，变为三开φ311.15 mm井眼依次钻穿明化镇、馆陶组上部中完，增加一层φ244.50 mm技术套管，封固上部易坍塌地层及薄弱层位，减少该井段作业周期，防止复杂情况发生；四开φ215.90 mm井眼钻探馆陶组主要目的层，减少井眼尺寸降低井壁失稳风险，视显示情况决定是否下φ177.80 mm尾管。

3.2 钻井液体系优选及性能优化

蓬莱7-6区块探井地质情况复杂，存在着井壁垮塌、井漏、井涌、卡钻及电缆粘卡等一系列风险。通过对该区块早期的1井、3井实钻资料的对比分析，从安全、环保、成本等多方面考虑，φ311.15 mm井眼上部使用简易聚合物钻井液，φ311.15 mm井眼下部及φ215.90 mm井段采用近饱和氯化钠体系钻井液体系，提高钻井液的抑制性和封堵性，设计合理的钻井液密度，满足工程需要和油气层保护要求。

3.2.1 优选钻井液体系

（1）上部地层使用简易聚合物钻井液代替海水膨润土浆

上部井段（800 m~1 480 m）钻进过程中采用简易聚合物体系，在不改变钻井液流态的情况下控制钻井液失水，适当提高粘度降低钻井液对井壁的冲刷，尽量提高动塑比以保证携砂能力。防止受复杂地应力影响的不稳定泥岩发生水化坍塌。

（2）近饱和氯化钠体系钻井液体系的使用

近饱和氯化钠体系钻井液体系的基本组成包括NaCl、KCl、聚合醇、降滤失剂、流型调节剂、增黏剂及油层保护剂。正常钻进时加入一定量的固体和液体润滑剂以改善体系的润滑性能。该钻井液体系的特点包括以下几个方面：

① NaCl和KCl等具有较强的防塌能力，可以在保证安全钻进的前提下显著降低钻井液的密度，可有效缓解地层孔隙压力与漏失压力当量密度窗口窄的难题。

② 优化复合盐配方，降低泥岩活度，使地层水的化学位与钻井液水相的化学位接近，降低地层与钻井液之间水的渗透转移，从而减少体系中水向地层的渗透。同时其高矿化度滤液避免了滤液对低孔低渗储层的伤害。

③ NaCl中的离子能大量侵入岩屑表面的水化层，压缩水化膜的厚度，阻止岩屑的水化膨胀分散，有利于岩屑的清除，并能适度改善岩屑或井壁的表面性能，提高体系的抑制防塌性。

④ NaCl与地层流体接触不会产生伤害性的二次沉淀，可对储层进行有效保护。

⑤ 聚合醇的浊点效应使其形态随井下温度发生变化，能在井壁、钻屑和钻具上形成憎水性分子膜，阻止泥页岩水化分散，通过稳定井壁、抑制钻屑水化分散达到稳定钻井液性能、降低钻具扭矩、保护油气层的目的。

⑥ 油层保护剂可显著降低油水界面张力，有效降低油流阻力，提高了低孔低渗储层的返排能力，增强了储层保护。

3.2.2 优选合理的钻井液性能

目前应对井壁坍塌的做法就是提高钻井液封堵能力，提高地层的承压能力的同时提高钻井液密度，也达到支撑井壁稳定井壁的目的。但是由于海上环保方面的考虑，只能使用水基钻井液钻井，在裂缝性地层中使用过高的钻井液密度，滤液进入地层将导致孔隙压力升高，井眼周围有效应力降低，可能产生更大范围的破坏，造成井壁更快失稳。因此，选择合适的钻井液密度尤为关键。根据PL7-6-1井和PL7-6-3井的作业经验，为保证PL7-6-2井作业顺利完成，钻井液性能维护具体操作如下：

（1）三开φ311.15 mm井眼

钻进至1 480 m转化后钻井液密度调整至1.16 g/cm3失水控制在3.8 mL/30 min。同时补充KCl、PF-JLX C至3%提高体系的抑制性。钻进至1 587 m进行第一次倒划眼短起，拉顺井眼破坏原有虚厚泥饼再造薄而韧的泥饼，以保证后续作业顺利进行。

下钻到底继续钻进至1 990 m（预测断层前）进行短起下作业，短起前NaCl含量补充至12%，增强体系抑制性的同时提高钻井液的矿化度、降低体系活度，在体系低失水的同时产生半透膜效应，进一步减少进入地层的自由水。倒划眼短起至1 500 m，下钻到底继续钻进。

钻进至2 214 m进入馆陶组，进馆陶组前钻井液密度平稳提高至1.30 g/cm3，同时提高PF-JLX C至5%、PF-EPF至2%应用其浊点效应封堵地层微裂缝，提高PF-GRA至1%、PF-LSF及PF-LPF再补充1%使钻井液内整体封堵性材料含量提至4%，提高泥饼正向承压能力，钻进至2 478 m中完，完钻钻井液密度1.32 g/cm3。作业期间没有严重井壁失稳情况发生。

（2）四开φ215.90 mm井眼

提升钻井液携带性，保证钻井液低失水、高封堵、高矿化度（降低体系活度）、增强抑制性：利用130 m3的老浆和60 m3的新浆混合后，调整钻井液密度至1.35 g/cm3、补充KCl至4%，NaCl及PF-JLX C至6%，及PF-EPF至3%，作为开钻钻井液使用。第一次短起下钻至井底后，进一步降低失水至1.6 mL/30 min并维持此性能至完钻，期间没有发生井壁失稳现象，顺利完成完钻后的电测作业。

通过上述改善措施，PL7-6-2井的作业顺利完成，现场的作业效率得到了很大的提升，钻井作业非生产时间由27.67%降低至9.52%，期间井壁垮塌的复杂情况得到了非常理想的抑制。

4 结论

（1）优化井身结构、优选钻井液体系和设计合理的钻井液密度等改善措施，在PL7-6-2井作业取得较好的成果，在后续本构造及其他不稳定地层的评价和开发井作业中可以持续推广。

（2）优化复合盐配方，降低泥岩活度，能适度改善岩屑或井壁的表面性能，防塌效果明显。

（3）针对蓬莱7-6构造复杂地层特点，开展对该地层岩性进行理化分析，解释地层复杂机理，以便进一步改善作业方案。

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