摘要 通过对辽河盆地易塌地区地层特点与井塌原因的分析，根据井壁稳定理论，优选两套钻井液体系，注重工程措施对井壁稳定的影响，在7口井中得到应用，取得了可观的经济效益和社会效益。
关键词 辽河盆地 泥页岩 井壁稳定 造壁性 封堵性
深探井具有投资高、风险大、收益大的特点，成为石油公司寻找资源和钻井公司获得经济效益的最重要来源之一。钻井公司已投入大量的物力和人力来研究该技术，以确保钻井工程的顺利，以求获得良好的效益。探井面临着地质条件复杂的情况，多数的井是在原来技术难以实现的地方重新开展勘探，其中井壁问题是诸多技术难屈中较难解决的一个。长期以来，井壁不稳定问题尤其是泥页岩一直是钻井工程中常见的井下复杂情况。井壁不稳定，既影响钻井周期，又事关测井和固井质量，浪费物力和财力。近年来，钻井二公司跟踪国内外井壁稳定问题新技术发展，结合辽河地区的地层特点，形成了一套较为完善的井壁稳定拄术，在现场应用7口井，取得了可观的经济效益和社会效益。 1 探井井塌地区特点及井塌原因 1.1 易塌地区特点
辽河地区最为复杂的区块为双南地区，因此研究的重点是针对双南地区，但其研究成果也同样适用于其他区块。辽河地区各坍塌区块的上部地层多为灰色泥岩及砂岩互层，质软易膨胀、易造浆。钻井施工中经常出现的事故是泥岩缩径，而下部地层岩性各不相同，以双南地区最为复杂，东营组下部及沙河街组上部为大段探灰色泥页岩夹少量钙质泥岩和油页岩，硬度高，裂隙与微裂隙发育，部分层段存在异常压力。
从矿物组成和理化性能分析，双南地区上部地层(2000m以上)蒙皂石含量高，随着井深增加，蒙皂石合量呈下降趋势，但不明显，至井探2600m左右，混层比降至70%以下，此时蒙皂石转化为伊蒙混层；伊利石含量上部很低，2600m以下随着井深增加而明显升高{至沙三段达到最高。岩石密度、淡水回收率随井探增加而逐渐升高，淡水膨胀率在2600m以上井段数值较高，2600m以下随井深增加而明显降低，但个别点较高；CEC交换量随井深增加呈下降趋势，但不明显。 1.2 井塌原因
1.2.1 井塌机理
硬脆性页岩目前防塌的难点。这类粘土矿物多以伊蒙间层为主，原生与次生微裂发育，难以在井壁建立力学干衡。其吸水趋势强，水化能力不均匀，应力集中引起剥落掉块散裂垮塌。主要原因在于滤失造成水力连通，毛细效应的毛细管扩张作用，吸水膨胀造成的强度逐渐弱化及膨胀不均造成的内部推挤。因此该地层失稳有较强的时间性，即我们常说的水化周期，其决定因素是孔隙放发育程度和进入地层的流体总量与化学特性，可控因素为井壁表面的渗透率大小及其承压能力的强弱。
1.2.2 井塌原因
东营组下部和沙河街组大段泥岩存在异常压力；硬脆性泥岩微裂隙的影响；岩石矿物组分的影响；地壳构造运动所产生的预应力、断层及破碎带的影响；工程措施不当等。
2 井壁稳定理论
防塌是世界性的难题。处在地层深处的岩石，受有上履地层压力、水平向地应力及地层孔隙压力作用，在井眼被钻开前，地下岩层处于应力平衡状态。当井眼被钻开后，井内钻井液柱压力取代了所钻岩层原先对井壁的支撑，破坏了地层原有应力平衡，引起井眼周围应力重新分布，如井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度，就会产生剪节破坏，脆性地层产生坍塌，塑性地层产生缩径，造成井壁不稳定。此外井眼被钻开后，钻井液滤液进入地应偿引起地层孔隙压力增高，岩石强度降低，加剧了井壁不稳定。因此井壁不稳定问题是力学问题，又是化学问题，归根结底是力学问题。目前取得以下成果：
⑴ 化学因素稳定井壁机理的研究；
① 泥页岩水化膨胀和分散特性的研究；
② 泥页岩粘土矿物组分与理化性能之间关系的研究；
③ 温度和压力对泥页岩水化膨胀性能的影响；
④ 用离子释效法研究泥矾岩水化过程；
⑤ 泥页岩动态水化过程的研究；
⑥ pH值对泥页岩水化膨胀和分散的影响；
⑦ 活度与半透膜对泥页岩水化影响；
⑧ 各种防塌处理剂稳定井壁机理的研究；
⑨ 钾离子防塌机理及硅离子防塌机理；
⑩ 聚合物稳定井壁机理及沥青类产品稳定井壁机理；
⑵ 力学因素稳定井壁机理。
⑶ 采用化学因素与力学因素耦合来研究井壁稳定机理。
⑷ 钻井液流变性与井壁稳定性之间关系的研究。
⑸ 煤层井壁不稳定机理的研究。
⑹ 防塌钻井液研究要点：
① 提高钻井液的抑制性。
钻井液的强抑制性是减少钻井液同泥页岩地层物理化学作用，防止泥页岩地层水化膨胀和分数，稳定井壁的关键。
② 增强钻井液的造壁性和封堵能力。
对于裂缝发育的坍塌层，封堵裂隙，在井壁周围形成渗透率接近零的封堵带。将井筒中钻井液同井壁地层隔绝为两个系统，控制和减少钻井液滤液沿微裂隙侵入地层，达到稳定井壁的目的。
③ 优选钻井液流型与流变参数。
钻井液流型与流变参数对井壁稳定和携岩影响极大，不同类型选用不同的钻井液与流变参数才能有效地稳定井壁。
④ 稳定井壁钻井液工程技术措施的研究。
钻井工程措施对稳定井壁起极其重要作用。除了钻井液的措施外，还必须依据地层压力剖面研究合理的井身结构与井下钻具结构，根据地层特点选择钻井液环空流型、返速、起下钻速度、短起下钻时间。依据所钻地层岩石可钻性研究合理的机械钻速等。
3 室内研究
3.1 主要试验仪器与试验方法
3.1.1 主要试验仪器
高温高压失仪（GGS42-2），滚动加热炉（美制），六速旋转粘度计（ZNN-D6），API滤失仪（SD6A）。以上仪器为青岛海通达专用仪器厂制造。
3.1.2 试验方法
清水渗透率：将泥浆测定API滤失量后，倒出泥浆换注清水（不破坏滤饼）再测清水API滤失量，即为清水渗透率。清水渗透率越低，说明造壁性越好，反之亦然。
封堵性能：利用高温高压滤失仪，将滤纸换为40~60目石英砂，操作步骤同高压高温滤失量，测得的滤失量可判断封堵性能。失水量越低，说明封堵性越好。
3.2 结果与讨论
3.2.1 典型配方
根据我们近年来的实践，优选了两种钻井液体系，即硅稳定剂体系和硅氟体系。
硅稳定剂体系配方为：井浆+0.3%~0.5%大分子+1%~2%GWJ+1%~2%SAH+1%~3%SAS（探井1%~2%）+1%~2%高温树脂（或2%~3%SMP）+0.5%~1.5%PSP+1%~2%聚合醇+柴油（生产井）+石墨粉+加重料；
硅氟（SF150）体系配方：井浆+0.3%~0.5%大分子+1%~2%SF150+1%~3%SAS（探井1%~2%）+1%~2%高温树脂（或2%~3%SMP）+0.5%~1.5%PSP+1%~2%聚合醇+柴油（生产井）+石墨粉+加重料；
硅氟（有机硅氟共聚物SF260）体系配度方为：井浆+2%~3%SP260+0.3%~0.55%大分子+2%~3%聚合醇+1%~2%PSP+1%~3%SAS(生产井)+加重料+柴油。
其中，硅稳定剂和硅氟（SF150）适用于3300m以内，硅氟(SF260)适用于3100m以上。
3.2.2 抗温性
一般的探井井深在3500m，井底温度约150℃，个别井深在4000m，井底温度180℃。因此试验温度确定为150℃和180℃。两种体系抗温能力见表1和表2。
从表中可以看出，其性能可以满足钻探井施工要求。
3.2.3 造壁性和封堵性
有效的封堵可以保证泥浆尽快地形成好的内外泥饼，减少滤液的侵入细微裂缝，减少地层的水化，提高地层的承压能力，增强井壁的稳定和连接。利用内泥饼把钻井液和地层分隔成不同的压力系统，适当高的钻井液密度产生的压差对近井壁起支撑作用。
从表3可以看出，加入封堵材料后，其造壁性和封堵性均有明显的改善，有利于利用屏蔽暂堵技术来形成两个压力系扰，有利于井壁稳定。
3.2.4 防塌性
双202是利用钾钙双磺泥浆打成，钻井周期短。全井仅划眼7．5h，是目前该地区打的最好的一口井。但使用了在探井中不允许使用的工业沥青和氧化沥青等荧光类物质。以它为基准，具有典型性。
3.2.4.1页岩膨胀率
以双117井的易塌井段为试验样，结果见表4。
从表4中可以看出，两种新型泥浆的抑制性基本上和钾钙双磺体系相当。
3.2.4.2页岩回收率
以双海301、双117井岩屑为试验样，150℃×10h，结果见表5。
从表中可以看出两种泥浆体系和钾钙双磺的抑制性有一定差距，但差距不大，硅稳定剂泥浆体系略好于硅氟体系。
4 现场试验
4.1 防塌措施
4.1.1工程措施
工程是保证井壁稳定的重要因素之一，结合近年来工程实践，制定了以下措施：
起钻时要注意灌满钻井液，防止因井内液面下降过多而造成井塌事故；下钻分段打通泥浆时，按3、6、9顺序。选择砂岩地层开泵，开1个阀，泥浆返出1～3min即可下钻，禁止定点长时间循环；探井钻井液密度设计偏低，当钻至易垮、易塌的沙河街地层时，将钻井液密度提至设计上限，若井下仍不正常，在征得甲方同意的情况下可适当提高，以平衡地层泥岩的坍塌压力；井身轨迹的好坏是一口深井钻井成败的关键因素之一，好的井身轨迹在为工程施工减小难度的同时，也为泥浆的维护处理提供了良好的井眼环境，是泥浆措施得以顺利实施的一个保障；井径在311mm以上的大井眼井段，应采用大排量钻进及洗井，保证携屑干净彻底，馆陶组等上部地层适当控制钻速；起钻前应循环泥浆至少两循环周。完井电测前应视井眼清洁情况制定循环时间或采取其他措施保证井眼中无积砂。
4.1.2维护处理要点
每次处理前，需认真做小型试验，力求取得最佳处理效果，并避免浪费；大分子按1一1.2kg／m，以胶液形式加入，以增强泥浆的抑制能力，控制地层水化分散；白油加入量按井斜不同分为：(1)井斜<15°，加量为3％～5％；(2)井斜15～25°，加量为5％～7％；(3)井斜>25°，加量为7％～10％。
同时配合鳞片石墨粉等固体润滑剂，保证摩阻系数在设计要求之内；API滤失量继续保<3ml，HTHP滤失<10ml；3300m以后聚合醇含量要达到3％；固相含量要控制在25％以内，般土含量要控制在7％以内；改用SF260加量为1％～2％，钻进中按100~150m进尺补充加入一次，加量为1％～3％(视地区及地层岩性不同)；井下正常情况下，粘度执行设计下限；钻入易塌的沙三、四大段泥岩地层，保持密度在设计上限。
4.2现场效果
4.2.1应用概况
通过室内研究，总结了有利于井壁稳定的工程措施后，将研究成果应用7口井，最大井深4082m，最浅井深3245m，应用情况见表6。
从表中看出，事故复杂情况较小。而对应的邻井均不同程度出现了塌卡缩径现象，说明了研究成果的有效性。
4.2.2 使用特点
4.2.2.1 典型实例
桃28井是一口预探直井，完井井探3421m，从1900m注重防塌井段的准备工作，使用离心机清除粘土相，调整泥浆性能。进入易塌地区，加入防塌处理剂和改善泥浆造壁性材料，贯彻泥浆维护要点及工程井壁稳定措施，全井裸井段长达3061m，无一事故和复杂情况发生。而邻井桃9井发生过电测遇卡、大段划眼现象，桃10并发生过井漏、下枝管井漏、大段划眼，桃16井也曾发生过大段划眼现象。
4.2.2.2 现场效果
研究成果应用7口井，现场效果表现在：
⑴ 转化容易，性能稳定，抗温性好。
两种类型的泥浆均可由平常的聚合物分散泥浆或聚合物不分散泥浆转化，转化时只需在原井浆中加入一定量的水和处理剂即可或将处理剂配成一定浓度的胶液加入泥浆中。转化后的泥浆性能稳定，以维护为主，处理为辅的原则调整泥浆，就能保证泥浆性能。表7给出双213井泥浆性能，从中可以看出这一点。双213井泥浆经历了4082m的井底高温，返出的泥浆性能良好，见表8。
⑵ 防塌性能好，井壁稳定，事故和复杂情况少。
用该技术的探井均未出现大段的划眼，井径规则，事故复杂情况与邻井相比均明显降低。 以龙608为例，其易塌井段井径和邻井607相比见表9。 从中不难看出其防塌性明显强于邻井。
5 结论
⑴ 辽河盆地深层泥页岩井塌主要原因在于东营组下部和沙河街组大段泥岩存在异常压力，硬脆性泥岩微裂隙发育，以及工程措施不当造成。
⑵ 防塌钻井液工作重点是：提高钻井液的抑制性；增强钻井液的造壁性和封堵能力；优选钻井液流型与流变参数；合适的工程措施。
⑶ 7口井的实践表明，优选的两套泥浆体系配合工程措施可以确保井壁稳定，避免大段划眼的复杂情况的发生。
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