鄧廣東 高德偉 趙大鵬 范 宇 周永勝

1．中國石油西南油氣田公司川西北氣礦 2．中國石油西南油氣田公司工程與技術(shù)監(jiān)督處 3．北京陽光奧友科技有限公司

四川盆地川西地區(qū)北部九龍山構(gòu)造具有多產(chǎn)層、多壓力系統(tǒng)、異常高壓、地層泥質(zhì)含量高等特點(diǎn)，鉆井速度低、鉆井事故和復(fù)雜頻發(fā)的問題十分突出，經(jīng)常出現(xiàn)井涌、溢流、井漏、卡鉆、遇阻、沉砂等鉆井事故、復(fù)雜。龍16井因發(fā)生阻卡70多次、落魚事故3次、井漏或溢流60多次，鉆井周期長(zhǎng)達(dá)792d。據(jù)1980—2008年中國區(qū)地震分布圖（源自世界地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫），九龍山構(gòu)造地震活動(dòng)頻繁，較強(qiáng)的地應(yīng)力狀態(tài)極易在鉆井井壁形成應(yīng)力集中誘發(fā)鉆井事故、復(fù)雜。準(zhǔn)確評(píng)估現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鉆井井壁穩(wěn)定性的影響、優(yōu)選安全的定向井和水平井井眼軌跡，是當(dāng)前九龍山構(gòu)造鉆井急需解決的重要課題。

1 地應(yīng)力分析技術(shù)（GMI）

現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鉆井井壁穩(wěn)定性、開發(fā)生產(chǎn)方案的優(yōu)選非常重要，如何準(zhǔn)確獲取地層地應(yīng)力大小和方向，是當(dāng)前鉆井和開發(fā)生產(chǎn)亟須解決的一大技術(shù)難題［1－3］。我國各油田和大學(xué)逐步開展了地應(yīng)力分析和應(yīng)用研究，但研究的精度和實(shí)用性尚待大幅提高。GNT公司經(jīng)過20多年不斷研究與探索，形成了較為完善的深部地層地應(yīng)力狀態(tài)的地應(yīng)力分析技術(shù)（GMI）：其研究思路從分析井筒破損與地應(yīng)力狀態(tài)、巖石力學(xué)、化學(xué)和鉆井工程參數(shù)等因素之間的相互關(guān)系入手，采用測(cè)井解釋方法為主，輔之實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法獲取現(xiàn)今連續(xù)地應(yīng)力的大小和方向，該方法成功地應(yīng)用到鉆井的井筒穩(wěn)定性評(píng)估和鉆井工程設(shè)計(jì)優(yōu)化、油氣開發(fā)中的斷層封堵性分析、套管損壞分析、出砂預(yù)測(cè)和裂縫滲透性分析，取得了較好的成效。為此，通過采用GMI地應(yīng)力技術(shù)，研究四川盆地西部九龍山構(gòu)造現(xiàn)今地應(yīng)力，分析本區(qū)鉆井復(fù)雜情況發(fā)生的力學(xué)根源，提出有針對(duì)性的鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

2 九龍山構(gòu)造地應(yīng)力狀態(tài)分析

GMI地應(yīng)力模型提供了三軸主地應(yīng)力（上覆地層壓力、最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力）的大小和方向、地層孔隙壓力、巖石機(jī)械力學(xué)性質(zhì)（單軸巖石強(qiáng)度、楊氏模量、內(nèi)摩擦系數(shù)、泊松比）等4項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算和描述。特殊地區(qū)還需考慮薄弱地層（特殊地層如鹽層）、原生斷層、裂縫的分布、地?zé)嵋蛩赜绊懙取Ｎ覀兏鶕?jù)九龍山構(gòu)造的鉆井、地質(zhì)、測(cè)井（包括成像測(cè)井）、測(cè)試等資料，以龍16井為例建立了九龍山構(gòu)造的地應(yīng)力模型，基本摸清了本區(qū)的現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)。

2．1 上覆地層壓力和地層孔隙壓力

上覆地層壓力即垂直主應(yīng)力，可用密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)積分確定［4］。從圖1可知龍16井淺層（0～500m）上覆地層壓力變化迅速，快速升至2．25g／cm3；自500m至井底，呈平穩(wěn)增加趨勢(shì)，由2．25g／cm3增至2．65g／cm3。

龍16井陸相地層的聲波、密度和電阻率3條曲線從中侏羅統(tǒng)沙溪廟組下部開始出現(xiàn)明顯偏離泥巖正常壓實(shí)趨勢(shì)［5］（圖1）。因此判斷地層孔隙壓力自沙溪廟下部逐漸升高，部分井上三疊統(tǒng)須家河組的地層壓力系數(shù)高達(dá)1．83，本區(qū)實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)、鉆井液氣侵等現(xiàn)象也說明了須家河組具有較高的壓力異常。海相地層孔隙壓力形成機(jī)理和預(yù)測(cè)方法比較復(fù)雜，通過各井鉆井液密度、漏失和氣浸溢流等現(xiàn)象分析，認(rèn)為部分井段碳酸鹽地層壓力系數(shù)最高至2．15（如下三疊統(tǒng)嘉陵江組嘉二段高壓鹽水層）。

2．2 水平主應(yīng)力

水平方向存在兩個(gè)相互垂直的力，即最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力［4］。根據(jù)本區(qū)的地層破裂試驗(yàn)和地層承壓試驗(yàn)等數(shù)據(jù)確定最小水平主應(yīng)力，確定九龍山地區(qū)最小水平主應(yīng)力的系數(shù)為1．83～2．45，該值可看作為九龍山構(gòu)造的地層破裂壓力下限值，可作為預(yù)防鉆井漏失、地層壓裂設(shè)計(jì)和施工非常重要的參考。

最大水平主應(yīng)力大小的定量確定比較困難，這是地應(yīng)力研究和應(yīng)用的一大難題。根據(jù)本區(qū)成像測(cè)井分析了各井在鉆井液液柱壓力下的井壁破壞類型及程度，利用地應(yīng)力分析模塊（GMI＊SFIB），反演模擬不同深度處最大水平主應(yīng)力（SHmax）的大小。圖2顯示龍16井5 904m深度處發(fā)育一條張裂縫，巖性為含膏灰?guī)r，巖石抗壓強(qiáng)度約130MPa，上覆地層壓力當(dāng)量密度2．60g／cm3，最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度約2．30g／cm3，鉆井液密度（2．23～2．28g／cm3）與孔隙壓力當(dāng)量密度之差為0．17g／cm3，選取 Mohr－Colum 巖石破壞準(zhǔn)則，反演模擬其最大水平主應(yīng)力當(dāng)量密度為3．15～3．26g／cm3。

圖2 龍16井5 904m深度處最大水平主應(yīng)力大小模擬圖

縱向上最大水平主應(yīng)力有效應(yīng)力比（SHmax－pp）／（Sv－pp）一般地趨于一個(gè)常數(shù)。根據(jù)不同深度處最大水平主應(yīng)力的模擬結(jié)果，確定了九龍山構(gòu)造最大水平主應(yīng)力有效應(yīng)力比大約為2．30。據(jù)此，采用SHmax≈2．3（Sv－pp）＋pp計(jì)算連續(xù)的最大水平主應(yīng)力剖面。

應(yīng)用地應(yīng)力技術(shù)（GMI）的以上步驟和方法，基本摸清了九龍山構(gòu)造現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為擠壓性的走滑斷裂機(jī)制的地應(yīng)力狀態(tài)，即SHmin＜Sv＜SHmax，2008年汶川特大地震也間接地證明本區(qū)處于較強(qiáng)的地應(yīng)力狀態(tài)。

2．3 最大水平主應(yīng)力方向

由于地層在水平方向存在應(yīng)力差，鉆井產(chǎn)生的垮塌和張性裂縫的方位可以用地層傾角測(cè)井和成像測(cè)井方法進(jìn)行判定［6－7］。分析龍 002－1、龍 16、龍 101、龍110、龍105、龍109、龍116、龍118和龍120等9口井的成像測(cè)井圖像，各井井壁出現(xiàn)垮塌和張性裂縫均具有規(guī)律性方向分布，按井壁垮塌方向與最大水平主應(yīng)力方向垂直，而張性裂縫出現(xiàn)的方位與最大水平主應(yīng)力方向平行的形成機(jī)制，判斷九龍山現(xiàn)今地應(yīng)力為近東西方向，即106°～120°，各井區(qū)基本一致（圖2、3）。

圖3 九龍山各井區(qū)最大水平主應(yīng)力方向圖

2．4 巖石力學(xué)參數(shù)

準(zhǔn)確計(jì)算地層巖石力學(xué)性質(zhì)是進(jìn)行鉆井井壁穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)和前提。巖石力學(xué)參數(shù)［8］包括巖石強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比、內(nèi)摩擦系數(shù)等。不同巖石的力學(xué)性質(zhì)差異較大，對(duì)不同巖性選用與其匹配的計(jì)算模型和經(jīng)驗(yàn)公式，即砂巖采用McNally模型、泥巖采用Modifed Horsrud模型、碳酸鹽巖采用Golubev－DT模型，獲取了九龍山構(gòu)造各地層相對(duì)準(zhǔn)確的巖石力學(xué)參數(shù)剖面（圖4），陸相砂泥巖地層和海相碳酸鹽地層的巖石力學(xué)性質(zhì)具有較大差別，單軸巖石強(qiáng)度：陸相地層為30～160MPa，而海相地層總體較高，平均達(dá)200 MPa，部分石膏層和鹽巖只有60MPa，甚至更低；楊氏模量：陸相地層變化幅度較大，范圍區(qū)間為25～80 GPa，海相地層總體較高但變化不大，范圍區(qū)間為65～90GPa；泊松比：砂泥巖變化大，0．15～0．36，碳酸鹽巖約為0．35，變化較小；內(nèi)摩擦系數(shù)：砂泥巖較小介于0．6～0．8，碳酸鹽巖地層較大，介于0．8～1．10。

圖4 龍16井巖石力學(xué)參數(shù)剖面圖

3 井壁穩(wěn)定性特點(diǎn)及應(yīng)用效果

3．1 井壁穩(wěn)定性特點(diǎn)

把九龍山構(gòu)造地應(yīng)力狀態(tài)和巖石力學(xué)參數(shù)有機(jī)結(jié)合起來，計(jì)算獲得九龍山構(gòu)造的龍16井區(qū)和龍002－1井區(qū)地層三壓力剖面（圖5）。

圖5顯示本區(qū)地層三壓力剖面具有以下特點(diǎn)：①地層孔隙壓力系數(shù)：沙溪廟以下為異常壓力；須家河組高至1．83；海相地層最高至2．20；②地層坍塌壓力系數(shù)：井口—遂寧組較低，即小于1．00；上沙溪廟組—須一段整體較高，1．2～1．85；碳酸鹽巖地層較低，0．2～1．85；③地層破裂壓力系數(shù)：由淺層1．83增至2．45。

基于地應(yīng)力狀態(tài)、巖石力學(xué)、地層三壓力剖面的認(rèn)識(shí)，總結(jié)了九龍山構(gòu)造鉆進(jìn)各地層的井壁穩(wěn)定性。

1）遂寧組至沙溪廟組上部坍塌破壓力系數(shù)較低（0～1．10），符合空氣鉆井的力學(xué)條件。

2）沙溪廟組下部：坍塌壓力系數(shù)迅速增加（1．40～1．88），空氣鉆井風(fēng)險(xiǎn)很高。

3）珍珠沖段：地層研磨性強(qiáng)，大約需要1．40g／cm3井筒液柱壓力。

4）須家河組：地層孔隙壓力系數(shù)達(dá)1．83，屬于高壓異常；坍塌壓力系數(shù)較高（1．40～1．85）；如地層存在裂縫時(shí)其漏失壓力系數(shù)只有1．76，比相鄰井段的孔隙壓力系數(shù)還低，有效平衡孔隙壓力和漏失壓力是須家河組鉆井成功的關(guān)鍵。

5）海相地層（嘉陵江組至吳家坪組）：孔隙壓力系數(shù)局部異常（1．83～2．20）；坍塌壓力系數(shù)平均1．50，部分膏巖和泥巖段坍塌壓力系數(shù)高達(dá)2．10，其井壁穩(wěn)定性較差。

6）鉆井軌跡對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響［9－10］：九龍山構(gòu)造不同方向的鉆井軌跡的井壁的穩(wěn)定性差異較大，如圖6所示：一般直井和定向井（井斜角少于45°）的坍塌壓力相對(duì)較低，井壁穩(wěn)定性相對(duì)較好；而水平井和大斜度井，平行最大水平主應(yīng)力方向，即為東—東南（75°～165°）或西—西北（255°～345°）方向的大斜度井（井斜大于45°），坍塌壓力相對(duì)較低，井壁穩(wěn)定性好，而垂直最大水平主應(yīng)力方向的水平井和大斜度井，坍塌壓力相對(duì)較高，鉆井風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖5 龍16井區(qū)和龍002－1井區(qū)地層三壓力剖面圖

圖6 九龍山構(gòu)造鉆井軌跡對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響圖

3．2 鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化及應(yīng)用效果

根據(jù)九龍山構(gòu)造地應(yīng)力模型和三個(gè)地層壓力剖面，對(duì)已鉆的龍16井和龍17井的井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度安全窗口進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（圖7）。從維持井壁穩(wěn)定性角度考慮，分析其井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度安全窗口存在較大的缺陷，致使中間技術(shù)套管段無可操作的鉆井液密度安全窗口，井壁穩(wěn)定性變差，這可能是兩井在該段頻繁出現(xiàn)遇阻、卡鉆甚至鉆井事故的力學(xué)根源；同時(shí)海相地層的鉆井液密度安全窗口也非常窄，極易誘發(fā)井漏、井涌溢流復(fù)雜。

以孔隙壓力與坍塌壓力二者的最大值作為優(yōu)化鉆井液密度安全窗口下限，取地層破裂壓力作為上限的原則。本區(qū)超深井應(yīng)采取五層套管，除表層套管外，各層套管下深及鉆井液密度窗口（圖7和表1）。對(duì)于中深井，只需去掉下部一層或兩層套管，可使各井眼段均有安全的鉆井液密度窗口，能有效維持井壁的穩(wěn)定性。但如地層裂縫發(fā)育，應(yīng)及時(shí)采取措施提高地層承壓能力，防范井漏發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 龍16井井身結(jié)構(gòu)的鉆井液安全窗口評(píng)估圖

2010年下半年新鉆的以珍珠沖組和須家河組為目的層的中深井，包括龍002－4、龍002－5、龍002－6、龍002－7、龍002－8井等井，實(shí)鉆基本采納了建議的鉆井井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度安全窗口，中間技術(shù)套管下至坍塌壓力逐步抬升之前的沙溪廟組中下部，下部作為單獨(dú)一開井眼；另外除龍002－6井外，各井鉆井方向選擇有利本區(qū)井壁穩(wěn)定性的方向（即75°～165°或255°～345°）；結(jié)合利用新技術(shù)（空氣鉆井、欠平衡鉆井、優(yōu)選鉆頭）鉆井效率得到明顯提高，基本沒有出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象，僅偶爾出現(xiàn)幾次漏失或溢流情況，鉆井事故、復(fù)雜大大降低，如表2所示。其中龍002－4井刷新九龍山第四次開鉆的152．4mm井眼定向井最短鉆井周期（原紀(jì)錄為102d）和最高機(jī)械鉆速（原紀(jì)錄為2．79m／h）兩項(xiàng)紀(jì)錄；龍002－8井完鉆周期只有57．03d，刷新了九龍山四開以須二段為目的層的直井最短周期記錄。地應(yīng)力分析技術(shù)（GMI）在九龍山新鉆井中取得很好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

應(yīng)用地應(yīng)力分析技術(shù)（GMI），較好地模擬評(píng)估了九龍山構(gòu)造現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)，獲取研究區(qū)較準(zhǔn)確的3個(gè)地層壓力剖面，為定量評(píng)估九龍山構(gòu)造各地層井壁穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從維持井壁性穩(wěn)定性角度提出的鉆井優(yōu)化建議（井身結(jié)構(gòu)、鉆井液密度安全窗口和鉆井軌跡優(yōu)選等）在九龍山構(gòu)造新鉆井中取得成功的應(yīng)用，新鉆井效率得到明顯提高，鉆井復(fù)雜得到極大降低，基本避免了鉆井事故的發(fā)生，創(chuàng)造了九龍山構(gòu)造陸相地層多項(xiàng)鉆井新紀(jì)錄。

表1 九龍山構(gòu)造井身結(jié)構(gòu)及密度窗口優(yōu)化建議表

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