摘 要

摘　要：四川盆地川东地区石炭系气藏目前采用定向井、水平井方式开发，钻进至气藏的盖层下二叠统梁山组(页岩夹煤线)时，井斜角已超过了60°，钻进的关键在于预防大斜度井段的页

摘　要：四川盆地川东地区石炭系气藏目前采用定向井、水平井方式开发，钻进至气藏的盖层下二叠统梁山组(页岩夹煤线)时，井斜角已超过了60°，钻进的关键在于预防大斜度井段的页岩段出现井壁垮塌、压裂井漏的复杂情况，这样才能安全钻至石炭系顶部。针对该段钻进难点，研究试验总结了一套钻过梁山组的工程安全预警及卡钻事故预防技术措施：①以邻井实钻厚度、岩性组合为依据，把钻时录井测量的钻时变化作为判断钻头进入梁山组的工程预警指标，并采用岩屑录井及循环观察的手段对其岩性进行证实确认；②工程实施中采取了简化钻具组合、钻进1m后退2m的划眼措施预防垮塌卡钻；③保持合理的钻井液密度与润滑性，加入力学封堵剂来增强地层的胶结力和改善泥饼质量，增强井壁稳定性；④检测记录钻进中的摩阻，用循环、划眼的方法检查大斜度井段的沉砂及梁山组井壁稳定情况，确保起下钻作业的安全。

关键词：四川盆地  川东地区  二叠纪  梁山组  垮塌  卡钻  工程安全预警  事故预防  进一退二

Pipe-stuck prevention technology in shale drilling at the Lower Permian Liangshan Fm in the eastern Sichuan Basin

Abstract：Currently the Carboniferous gas reservoirs in the eastern Sichuan Basin have been developed through directional and horizontal well drillin9．And the inclination angle exceeds 60° when drilling into the Liangshan Fm at the cap rocks of gas(shales mingled with coal seams)．The key point for drilling is to avoid such complex problems as well wall collapse and circulation loss at the shale intervals with high inclination angles．Only in this way，it is possible to drill into the top of Carboniferous strata safely．To this end，a set of technologies and measures for project-safety precautions and pipe stuck preventions were summarized from research and tests．We first took the drilling time changes measured in drilling time logging as a project-warning indicator for drilling into the Liangshan Fm according to the actual drilling thickness and lithological association of adjacent wells，and then adopted the cutting-logging and circulation observation measures to confirm the lithology．In addition，we took such ramp down measures as simplifying BHA and drilling 1m and back reaming 2m to prevent collapse and pipe stuck complexities．Meanwhile，we kept the unctuosity and density of drilling fluid at an appropriate degree and injected a kind of mechanical blocking agent to increase the cementation strength of strata and to improve the quality of mud cakes and strengthen the stability of well wall．Finally，we monitored and recorded the friction and resistance during drilling，and took circulation and reaming measures to inspect the sand settling of wells with high deviation angles and stability of well wall at the Liangshan Fm so as to ensure the safety of tripping operation．

Keywords：East Sichuan，Permian，Liangshan Fm，collapse，pile sticking,engineering safety warnin9．accident prevention

四川盆地川东地区下二叠统梁山组页岩、煤层极易发生垮塌，导致卡钻。石炭系地层压力系数低，与上部高压层同存，钻进中极易发生井漏，导致压差卡钻^[1-6]。由于地层岩性复杂，进入梁山组、石炭系后，没有执行进梁山组、石炭系防卡措施，造成卡钻。如WQ002-H4井带扶正器进梁山组发生垮塌卡钻，XC7井用Æ215.9mm钻头直接钻完了石炭系，进入志留系发生压差卡钻，处理难度大，最后侧钻，造成了极大损失。

针对该段钻井难点，开展了以邻井实钻厚度、岩性组合为依据，开展梁山组及上下交界面工程因素评价，从地层厚度、岩性、岩屑颜色、实钻钻时方面，总结形成梁山组工程安全预警技术，通过井眼轨迹控制、钻具组合效能分析、钻头选型、钻井液密度窗口探索、钻井液防塌性能优控、设备／钻具升级配套、“进一退二”安全操作等因素评价，进一步完善了事故复杂预防技术。

1　钻井复杂情况与难点

该区钻进梁山组过程中已发生的主要复杂情况表现为：

1)钻井液密度偏低，导致地层垮塌。如LD8井、L001-Xl井，发生了严重垮塌。通过适当提高钻井液密度，确保了井壁稳定，解除了井下复杂。

2)进入石炭系井段过长，发生压差卡钻。XC7井进入石炭系后，没有及时分层，用Æ215.9mm钻头直接钻穿石炭系，并进入志留系24m，导致压差卡钻。

3)防卡措施不到位，梁山组发生垮塌卡钻。WQ002-H4井没有及时确认进入梁山组，钻进中没有严格执行梁山组安全操作措施，导致垮塌卡钻。

2　工程安全预警技术

采用了邻井实钻岩性组合为依据，把钻时录井作为判断钻头进入梁山组，岩屑录井及循环观察作为判断钻遇岩性的手段。如某石炭系气藏的待钻井MX005-H2井的3口邻井，MX5、MX005-H1井位于构造高点，MX2井位于潜伏高点。待钻井与MX005-H1井距离281m。所以，工程应用地层、岩性数据主要参考MX005-Hl、MX5井实钻数据。

2．1　厚度分析

MX5、MX2井为直井，梁山组厚度分别为10m、16m。MX005-H1为大斜度水平井，梁山组井斜60°，斜厚l9m，折算垂厚10m。设计的MX005-H2井栖一段、梁山组垂厚分别为100m、10m。设计以55°～61°井斜角钻开石炭系，斜厚分别折算为187m、21m(表1)。

 

2．2　岩性组合

1)栖一段：上部为深灰色、褐灰色细粉晶灰岩；下部色较深，近底部夹燧石结核灰岩。底以深灰带黑色泥晶灰岩与下伏梁山组的灰黑色页岩分界。

2)梁山组：为灰黑色页岩，浅灰、深灰色粉砂岩夹灰色铝土质泥岩及煤线，见黄铁矿星散分布。

3)石炭系前3m：为灰褐色、深灰带褐色云岩、角砾云岩夹薄层灰质云岩。

梁山组上下(栖一段、石炭系)颜色浅，中间(梁山组)颜色深。

2．3　钻时分析

1)川东地区栖一段层厚100m左右。其底部20m，岩性主要为石灰岩，可钻性好。栖一段底部2～5m钻时明显偏高，可能含有燧石或泥质条带。

2)梁山组在川东地区二叠系中具有块状高钻时的特点。梁山组纵向上的3套岩层的钻时细分为：上部2～3m岩性为页岩夹煤层(煤线)，可钻性好。个别井页岩层厚度异常(门西2井梁山组上部页岩厚11m)。中部2～5m为泥岩、泥质粉砂岩、可钻性相对较差。下部2～4m为页岩、泥质粉砂岩，可钻性好(表2)。

 

3)石炭系前3m主要为石灰岩、白云岩，可钻性好。

2．4　梁山组复杂地层工程安全预警措施

2．4．1钻时判断

1)在栖一段中钻进，一旦钻时增加，就可能钻到了栖一段底部，再钻2～5 m，钻时又降低，岩性由石灰岩变为页岩，部分井夹煤层(煤线)，颜色变深、变黑，表明可能进入了梁山组。

2)在梁山组钻进，钻时一旦降低，就可能是到了梁山组底部，再钻2～4m，岩性由页岩(个别井为粉砂岩)变为石灰岩、白云岩，颜色变浅，表明可能进入了石炭系。

2．4．2及时地质循环

1)实钻过程中，加强钻时对比、岩屑观察，发现异常变化，及时进行地质循环，为地质分层创造条件。

2)如岩屑卡层困难，建议在必要时进行电测分层。

3)遇地层岩性组合复杂，短时间难以准确分层时，工程上要提前落实梁山组事故复杂预防措施，确保钻井安全。

3　梁山组卡钻事故预防技术

1)进梁山组后，简化钻具结构。减少钻铤数量，使用螺旋钻铤，甩掉扶正器。梁山组上层为栖霞组，属于稳斜井段，使用弯螺杆加MWD复合钻进。为确保钻井安全，逐步总结形成了进梁山组起钻简化钻具结构、倒出扶正器的安全钻井模式。

2)优化设计井眼轨迹，严格控制狗腿度，提高梁山组以上井段通过能力。Æ215.9mm井段单点狗腿度不超过6°，连续几点狗腿度应不超过5°。钻进中做好摩阻的记录，检测井眼轨迹变化情况。

3)保持合理的钻井液密度。通过分析川东地区近年来33个主要构造、112口已钻井梁山组钻井液密度，探索了梁山组安全钻井的钻井液密度窗口值范围。

4)保证钻井液润滑性，必要时加入l％～2％固体润滑剂。严格将钻井液的高温高压失水、泥饼分别控制在15mL、3mm以内，加力学封堵性稳定剂HN-3、SAS或FRH、KHm、SMP以增强地层的胶结力和改善泥饼质量。加入0.2％～0.3％SP-80或OP-10表面活性剂。可考虑加入l％～2％的单向压力封闭剂加固井壁。

5)使用牙轮钻头，降低片钻风险及卡钻后处理难度。部分井梁山组含有粉砂岩、细砂岩，研磨性强，使用牙轮钻头钻进，要加强钻头使用分析，防掉牙轮。

6)预计特别复杂、钻井风险大的井，建议设备、钻具配套升级，提高复杂处理能力：①安装顶驱，提高划眼效率，减少事故复杂；②使用大水眼钻具，提高排量，增强携砂能力；③井口使用一定长度的新钻杆，增加井口抗拉强度，提高复杂处理能力；④合理机泵匹配，绞车和泥浆泵动力来源独立，确保上提钻具中的排量不变，有利于提高深井小井眼带砂效果。

7)“进一退二”钻井精细操作技术：①每钻进1～2m，上提钻具2～4m划眼，检查有无井壁垮塌、阻卡及沉砂情况，如钻时很慢，每30～60min应上提钻具1次，上提幅度应大于3～5m；②起钻前，在梁山组循环30min，应立即起出梁山组，再循环；③起下钻遇梁山组要划眼进出。

4　现场应用

4．1　钻井过程

4．1．1栖一段钻进

MX005-H2井密度1.70g／cm³钻井液，使用1.25°弯螺杆带PDC钻头、定向／复合钻至井深4913m进入了栖一段(测深4913m井斜53°)。栖一段上部灰岩段钻时30～60min／m。钻至井深5151m、5152m钻时87min／m、94min／m，比上部石灰岩段钻时明显增加，分析为底部2m含泥质条带的石灰岩。再钻至井深5153m(测深5100m井斜角61°)钻时由87～94min／m降低至20min／m，初步判断进入了梁山组。继续钻进2m，钻至井深5155m进行地质循环，证实进入了梁山组，起钻。

4．1．2粱山组钻进

简化钻具组合，换牙轮钻头及塔式钻具组合下钻(未遇阻)，恢复钻进。上部6m钻时20min／m，最快的仅4min／m(5156m)，为页岩夹煤层。钻进中有轻微垮塌，返出岩屑中夹有黄铜矿，立即落实进一退二措施，上提遇阻严重，返出岩屑垮塌物逐步增多。中上部5m钻时130～160min／m，比上段明显增加，为泥岩。钻至井深5159m处理钻井液，钻井液密度由1.71­1.78g／cm³。中下部8m钻时40～100min／m，比中上段明显降低，为页岩。继续钻进至井深5169.55m，接单根下放遇阻，上提钻具挂卡严重。划眼有蹩钻现象，振动筛返出页岩及煤的垮塌物较多，返出垮塌物大小3～5cm。两次处理钻井液，钻井液密度1.78­1.81­1.84g／cm³。通过反复划眼，接好单根，继续钻进。底部6m钻时107～160min／m，比中下段明显增加，为粉砂岩，导致钻头严重磨损。钻至井深5181m，钻时仍然偏高(80～99min／m)。岩性为白云岩，判断进入石炭系3m，中完起钻(表3)。起出钻头牙齿全断。

 

4．2　效果评价

1)根据MX005-H1、MX5、MX2井实钻的岩屑、钻时资料提出了梁山组利用钻时变化特点辅助卡层建议。MX005-H2井现场应用梁山组井斜角64°，实钻钻井液密度1.83g／cm³，该建议与实钻情况基本一致。

2)在进入梁山组就严格执行简化钻具结构、“进一退二”等防卡措施，通过动态监测、精细操作，顺利钻达固井井深，无事故复杂发生，确保了该段钻井安全。

5　认识与建议

1)工程安全预警技术把地质分层结果作为选用防卡技术应用的依据。梁山组岩性复杂，实在难以及时分层，可以组织电测，要提前落实防卡措施。实钻中，根据钻时变化的可比性，注意调节好钻头使用，尽量使用1只钻头完成梁山组钻进。

2)探索梁山组安全钻井的钻井液密度窗口，结合井眼轨迹优化、钻具组合效能、钻头类型选择、设备升级配套、钻井精细操作等措施，进一步完善了梁山组事故复杂预防技术。

3)梁山组实钻厚度、钻井液安全密度与已钻井差异大，地层钻厚与地层倾角、实钻井斜、方位有密切关系，而钻井液安全密度与井壁稳定直接相关，受地层主应力方向影响特别大^[7-12]。建议组织开展该方面的工程地质学的专题、深入研究，提高区域构造特征、地质资料的工程安全钻井参考价值。

 

参考文献

[1]崔思华，王明磊，彭秀丽，等．碳酸盐岩地层综合划分方法研究[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2011，33(5)：41-48．

CUI Sihua，WANG Minglci，PENG Xiuli，et al．Study on the synthetical division method for carbonate formation[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science& Technology Edition，2011，33(5)：41-48．

[2]赵宗举，周慧，陈轩，等．四川盆地及邻区二叠纪层序岩相古地理及有利勘探区带[J]．石油学报，2012，33(增刊2)：35-51．

ZHAO Zongju，ZHOU Hui，CHEN Xuan，et al．Sequence lithofacies paleogeography and favorable exploration zones of the Permian in Sichuan Basin and adj acent areas，China[J]．Acta Petrolei Sinica，2012，33(S2)：35-51．

[3]李凤杰，陈荣林．四川盆地东北地区中一下二叠统层序地层特征研究[J]．石油实验地质，2008，30(5)：472-477．

LI Fengjie，CHEN Ronglin．Study on the Middle-Lower Permian sequence stratigraphy in nor．theastern area，Sichuan Basin[J]．Petroleum Geology and Experiment，2008，30(5)：472-477．

[4]王昌杰，刘德平．川东地区复杂深井钻井技术[J]．钻采工艺，l999，31(1)：l2-17．

WANG Changjie，LIU Deping．Complex deep drilling technique in east Sichuan areaEJ2．Drilling&Production Technology，1999，31(1)：12-17．

[5]梁大川，崔茂荣，黄进军．川东地区二迭系梁山组地层井壁不稳定机理及对策[J]．钻采工艺，2001，24(1)：16-18．

LIANG Dachuan，CUI Maorong，HUANG Jinjun．The borehole instability mechanism and countermeasure to Permian Liangshan Formation in east of Sichuan[J]．Drilling&Production Technology，2001，24(1)：16-18．

[6]徐加放，邱正松，黄晓东．谈钻井液封堵特性在防止井壁坍塌中的作用[J]．钻井液与完井液，2008，25(1)：3-5．

XU Jiafang，QIU Zhengsong，HUANG Xiaodong．Application of the sealing property of drilling flMds in bore hole stabilization[J]．Drilling Fluid＆Completion Fluid，2008，25(1)：3-5．

[7]闫传梁，邓金根，蔚宝华，等．页岩气储层井壁坍塌压力研究[J]．岩石力学与工程学报，2013，32(8)：1595-1602．

YAN Chuanliang，DENG Jingen，YU Baohua，et al．Rosearch on collapsing pressure of gas shale[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineerin9，2013，32(8)：1595-1602．

[8]汪海阁，王灵碧，纪国栋，等．国内外钻完井技术新进展[J]．石油钻采工艺，2013，35(5)：1-12．

WANG Haige，WANG Lingbi，JI Guodong，et al．Advances in well drilling and completion technologies for domestic and overseas[J]．Oil Drilling&Production Technology，2013，35(5)：1-12．

[9]张继国，杨永胜，纪树伟，等．查深1井钻井液技术[J]．石油钻采工艺，2013，35(5)：56-58．

ZHANG Jiguo，YANG Yongsheng，JI Shuwei，et al．Drilling fluid technology of well Chashenl[J]．Oil Drilling&Production Technology，2013，35(5)：56-58．

[10]尹邦勇，刘刚，陈红．5种定向井卡钻及预防措施[J]．石油矿场机械，2010，39(11)：68-71．

YIN Bangyong，LIU Gang，CHEN Hong．Study of direction well pipe-sticking problems[J]．Oil Field Equipment，2010，39(11)：68-71．

[11]谢鑫．压差卡钻的控制方法[J]．国外油田工程，2010，26(12)：45-47．

XIE Xin．The method for control differential pressure sticking[J]．Foreign Oilfield Engineering，2010，26(12)：45-47．

[12]黄兵，吴宗国，杨伟，等．天东012-H1井长水平段安全快速钻井技术[J]．钻采工艺，2011，33(6)：132-134．

HUANG Bing，WU Zongguo，YANG Wei，et al．Safe and fast drilling technology in long horizontal section of Tiandong Well 012-H1[J]．Drilling&Production Technology，2011．33(6)：132-134．

 

本文作者：卓云  吴宗国  刘德平  古光平

作者单位：中国石油川庆钻探工程公司川东钻探公司