朱忠喜，劉穎彪，路宗羽，熊旭東

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100；2.中國石油新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

新疆準噶爾盆地南緣地區(qū)受北天山山體隆起造成的擠壓和滑脫作用，形成了大量逆沖推覆體斷層和推覆體褶皺，構造應力強烈。該地區(qū)地層自上而下發(fā)育第四系、新近系（獨山子組、塔西河組和沙灣組）、古近系（安集海河組、紫泥泉子組）、白堊系及侏羅系。塔西河組、沙灣組、安集海河組和紫泥泉子組地層中，泥巖層段的黏土礦物含量較高，且地層微裂縫充填物基本為蒙脫石（極易發(fā)生水化分散或變形），鉆井過程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)。塔西河組地層易破碎，鉆井時易發(fā)生井壁崩落、井漏；沙灣組砂巖層段地層滲透性好，鉆井過程中易粘卡。這些問題嚴重影響了該地區(qū)鉆井速度的提高。目前國內(nèi)外對山前構造應力引起的井壁失穩(wěn)問題研究較多，但是從巖石理化特性分析井壁失穩(wěn)機理的研究還很少見。為此，筆者從山前構造地應力和泥頁巖理化特性入手，分析了鉆井過程中井壁失穩(wěn)的力學機理，并在鉆井液體系、鉆井施工方式、提高地層承壓能力等方面給出了相應的技術對策。

1 逆沖推覆體斷層和褶皺的地應力特征

準噶爾盆地南緣地質(zhì)構造的復雜性源于燕山與喜馬拉雅多期構造運動復合，普遍存在逆沖推覆斷層和褶皺帶，其三向應力分布為[1］：

式中：σH為最大水平主應力，MPa；σV為垂向主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa。

在山前構造帶附近鉆直井時，大部分井下故障都是由地應力引起的。一般情況下只做粗略計算，國內(nèi)外常以兩向水平主應力差作為衡量地應力產(chǎn)生井下故障嚴重程度的評判指標[2］，二者之差可用下式計算。

式中：R為與斷面摩擦系數(shù)相關的系數(shù)，與巖石礦物組成和含水量有關；δ為中間主應力計算系數(shù)，δ＝0～1.0；ρ為上覆巖層平均密度，g／cm3；g為重力加速度，m／s2；z為埋藏深度，m；λ為地層流體壓力與上覆巖層壓力之比，近似取0.4。

根據(jù)該地區(qū)西5井3 000～3 500m井段塔西河組和沙灣組上部地層的測井資料，分析該地區(qū)的地應力關系滿足式（1），水平主應力當量密度之差達到1.0g／cm3以上，該井段實鉆過程中多次發(fā)生井壁垮塌、井漏、阻卡等井下故障。

2 泥巖的巖石力學特性

塔西河組、安集海河組和紫泥泉子組地層中發(fā)育有大段泥巖或膏泥巖，其黏土礦物含量較高，以伊／蒙混層為主。當泥巖和膏巖含水時，具有較強的流變性，即當外載恒定時巖石發(fā)生持續(xù)變形[3-4］。鉆井時，在地應力不發(fā)生變化的情況下，井眼在一定鉆井液液柱壓力與地應力差作用下，會發(fā)生持續(xù)變形。

2.1 流變性地層的井壁穩(wěn)定性

流變性地層主要分流變性流體和流變性固體兩種類型[5-6］。

埋藏深或高溫下的鹽巖、軟泥巖屬流變性流體。當鉆井液密度較低時，井眼會一直縮徑變形，直至井眼閉合。縮徑值與時間成正比，鉆井過程中主要表現(xiàn)為卡鉆頭，即鉆進時卡鉆頭或剛鉆過井段上提鉆頭即遇卡。提高鉆井液密度及勤劃眼或倒劃眼可維持鉆進，但起完鉆后再下鉆會遇阻。

大部分鹽巖、富含水的泥巖屬流變性固體，其蠕變速率隨時間而變小，經(jīng)較長時間后蠕變停止。對鉆井的影響與流變性流體相似，僅嚴重程度有所差異。鉆進過程中勤劃眼和短起下鉆，適當擴大井徑可維持鉆進。邊鉆進邊擴眼，在一定起下鉆時間內(nèi)的縮徑不會導致卡鉆頭。同一裸眼段在縮徑段用較大尺寸的鉆頭，縮徑段以下用較小尺寸的鉆頭，這樣起下較小尺寸的鉆頭就不會遇阻卡。

2.2 蠕變速率的影響因素

2.2.1 傾斜地層中流變性巖石蠕變速率

在鉆進高陡構造流變性地層時，沿地層傾向的蠕變速率可表示為[2］：

式中：s為面積蠕變速率，相當于井眼面積的縮小率；c為巖石凝聚力，MPa；h為蠕變地層厚度，m；ηT為蠕變地層的黏性系數(shù)，它是絕對溫度T的函數(shù)，反映巖體易蠕變的程度；α為地層傾角，（°）。

由式（3）可知，蠕變速率與蠕變地層厚度的平方成正比，這是鉆進厚鹽層（如安集海河組）時縮徑嚴重的主要原因之一；地層傾角對蠕變速率的影響也較大，在高陡構造鉆進膏泥巖或其他軟泥巖時，縮徑速率很高。

2.2.2 水平地應力對蠕變速率的影響

兩向水平地應力差對蠕變速率的影響可用下面的經(jīng)驗公式[6-7］計算。

式中：ε為蠕變率；A，Ep和n為與巖石力學性質(zhì)有關的常數(shù)；R為氣體常數(shù)，R＝3.145kJ／（mol·K）。

根據(jù)西5井的測井數(shù)據(jù)，對該井鉆遇地層的塑性力學參數(shù)進行了反演，計算了井深3 200m附近地層的蠕變速率，結果如圖1所示。

圖1 西5井塔西河組地層蠕變模擬Fig.1 Simulation of formation creep in Well Xi 5for Taxihe group

由圖1可知，該井井深3 200m附近縮徑嚴重，尤其在最初15h內(nèi)縮徑速度較快，與現(xiàn)場實鉆情況吻合。

2.3 井壁巖石崩落掉塊機理

井眼崩落掉塊與地層巖石的連續(xù)性有直接關系，不同巖性組合所呈現(xiàn)出的巖石崩落掉塊形式不同。當巖體為連續(xù)介質(zhì)時，井眼長軸方向為最小水平主應力方向，短軸方向為最大水平主應力方向（見圖2a），井壁破壞機理為屈服破壞。當巖體為破碎性介質(zhì)時，井眼長軸方向為最大主應力方向，短軸方向為最小主應力方向（見圖2b），與連續(xù)性巖體呈現(xiàn)的應力方向正好相差90°，井壁破壞機理為節(jié)理、斷層面滑移及崩落。當巖體為破碎性介質(zhì)時，在最大水平主應力方向，井壁周向應力較小，甚至為張應力，不合適的鉆井液配方會加劇該方向的崩落[7］。

圖2 兩類巖體的橢圓井眼方向Fig.2 Elliptical hole direction of two types of rocks

分析西5井塔西河組及其以淺部分地層認為，受地應力影響可形成破碎性巖體，致使井眼崩落掉塊。其玫瑰圖長軸沿最大水平地應力方向，見圖3。

圖3 西5井井眼崩落掉塊玫瑰圖Fig.3 Rose diagram of borehole sloughing for Well Xi 5

2.4 塔西河組及安集海河組上部地層泥巖特性

已鉆井塔西河組、安集海河組地層的礦物組分及理化特性資料見表1。另外，對該地區(qū)獨深1井安集海河組、西4井安集海河組、西5井塔西河組的泥頁巖進行了膨脹試驗，試驗結果見圖4。

表1 塔西河組和安集海河組地層巖礦分析Table 1 Rock and mineral analysis of Taxihe groups and Anjihaihe groups in southern Junggar Basin

由表1和圖4可知，塔里河組和安集海河組上部地層中，黏土含量較高，且以伊／蒙混層為主；泥頁巖遇水膨脹速度非?？?，膨脹率較高，具有強水敏性。

對安4井、西4井和西5井的巖樣進行了清水滾動回收試驗，試驗結果見表2。

由表2可知，塔西河組、安集海河組地層的巖心滾動回收率較低，最低只有3.00%，說明該地層巖石水化分散性強，分散速度快，鉆井過程中容易出現(xiàn)縮徑卡鉆現(xiàn)象。

圖4 頁巖膨脹試驗結果Fig.4 Results of shale swelling experiment

表2 巖心滾動回收率試驗結果Table 2 Results of core rolling recovery experiment

3 提速技術對策

3.1 增強長裸眼井段局部承壓能力

山前構造帶地層水平地應力差較大，巖石破碎性較強，因此地層存在微裂隙，地層水平方向滲透率差異大，地層承壓能力低，易發(fā)生井漏。鉆井過程中，特別是長裸眼段鉆進中，需要強化地層的承壓能力，降低發(fā)生井漏的概率。目前，國內(nèi)外增強地層局部承壓能力的技術主要有試壓堵漏和膨脹管補貼兩種：1）試壓堵漏，對可疑漏層試壓，若發(fā)生漏失，則擠入堵漏劑，可顯著提高地層承壓能力；2）膨脹管補貼，下入帶暫時密封的可膨脹管，同時注水泥，也可提高地層承壓能力。

3.2 提高鉆井液的抑制性和封堵能力

在高陡構造地層中，存在膏泥巖或其他軟泥巖時，巖石蠕變速率較高，井眼縮徑較快，且當?shù)貙又兴粜缘V物含量較高時水化分散性強，在鉆井過程中加強鉆井液的抑制性和封堵能力是減小井眼縮徑的重要手段。為提高鉆井液的封堵能力，可以加入瀝青材料，但應嚴格控制其加量、軟化點和細度。要提高鉆井液的抑制性，可以加入聚合醇，使鉆井液及濾液在裂縫或節(jié)理面上吸附，并使裂縫面產(chǎn)生潤濕反轉(zhuǎn)，裂縫面由親水變?yōu)橛H油，從而阻止水的進一步深入，避免造成泥頁巖水化膨脹等情況[8-9］。在對多種鉆井液體系進行室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗的基礎上，認為鉀鈣基聚磺鉆井液、有機鹽（聚合醇）鉆井液和PRT鉆井液適合于準噶爾盆地南緣地區(qū)復雜地層鉆井。

3.3 降低破碎性地層動力失穩(wěn)概率

動力失穩(wěn)指井內(nèi)壓力激動和鉆柱碰撞、拖曳造成的掉塊坍塌。緩解井壁動力失穩(wěn)的措施有：1）采用雙中心PDC鉆頭，鉆進過程中不需要劃眼，不進行短起下鉆；2）采用柔性方式開或停鉆井泵，先開轉(zhuǎn)盤后開鉆井泵；3）下部鉆柱不加穩(wěn)定器，控制起下鉆速度，保持起下鉆速度均勻、平穩(wěn)，不能過快；4）調(diào)整鉆井液性能，實現(xiàn)環(huán)空高返速，但避免出現(xiàn)紊流，以減輕對井壁的沖刷、減小井筒壓力波動。

3.4 復雜地層選用隨鉆擴眼鉆頭

選用隨鉆擴眼鉆頭，對縮徑、掉塊坍塌和具有厚泥餅的砂巖井段有利，有利于防阻卡。在安集海河組巨厚鹽層進行隨鉆擴眼，使鉆出的井眼稍大于鉆頭尺寸，可以避免起下鉆阻卡，還能增大環(huán)空間隙。大環(huán)空間隙可以減少壓力激動引起的井塌、井漏及抽汲引起的溢流，也有利于下套管和提高固井質(zhì)量。常規(guī)井身結構下使用的隨鉆擴眼鉆頭有φ244.5mm×342.9mm、φ215.9mm×250.8mm 和φ152.4mm×177.8mm。

3.5 優(yōu)選PDC鉆頭與螺桿配合

螺桿配合PDC鉆頭鉆具組合已經(jīng)成為鉆井提速的一條重要途徑[10-12］。在深井和超深井鉆井中，該鉆具組合能夠大大減少鉆頭用量和起下鉆次數(shù)，尤其是當?shù)貙右装l(fā)生蠕變縮徑、破碎掉塊、井漏等情況時，采用螺桿與PDC鉆頭配合的鉆具組合，提高鉆井效率非常有效。因此，在準噶爾盆地南緣地區(qū)鉆井時，根據(jù)該地區(qū)地層特性和PDC鉆頭使用情況，對PDC鉆頭進行了優(yōu)選，為鉆井提速和減少井下故障提供了條件。

4 實鉆效果評價

西湖1井是準噶爾盆地南緣山前構造帶上的一口風險探井，實鉆井深6 268m，采用四開井身結構，其鉆井工程設計和施工設計是根據(jù)上述分析結果及技術對策進行的。

1）從二開井段開始，全井使用PRT有機鹽鉆井液，因其具有較強的抑制性和封堵能力，有效減少了井壁巖石吸水膨脹造成的井壁失穩(wěn)情況。

2）在二開井段塔西河組、沙灣組、安集海河組地層及三開井段紫泥泉子組地層鉆進過程中，雖然阻卡井段較多，但通過逐漸提高鉆井液密度、優(yōu)化鉆井液性能、對長裸眼井段進行試壓堵漏等措施，提高了局部漏失層的承壓能力。二開井段的鉆井液密度由1.41kg／L逐步提高到1.75kg／L，三開井段鉆井液密度由2.05kg／L逐步提高到2.09kg／L，鉆井過程較為順利，沒有出現(xiàn)井漏情況。

3）全井以螺桿＋PDC鉆頭的鉆具組合為主，平均機械鉆速達到3.00m／h，鉆井過程中以快保安全，未出現(xiàn)明顯縮徑等問題。

4）全井施工采取了緩解井壁動力失穩(wěn)的措施，井內(nèi)未出現(xiàn)壓力激動和鉆柱碰撞、拖曳造成的坍塌掉塊等問題。

表3為西湖1井與其他已鉆鄰井的鉆井時效對比。

表3 西湖1井與鄰井的鉆井時效對比Table 3 Comparison of drilling efficiency between Well Xihu 1and its offset wells

由表3可知，西湖1井完鉆井深最深，但鉆井周期最短。如與西5井相比，西湖1井的井深增加20.5%，但井下故障大幅減少，鉆井周期縮短11.9%，效果明顯。由此可以認為，通過分析地層力學特性提出的鉆井提速方法和技術，能夠全面克服準噶爾盆地南緣山前構造帶鉆井機械鉆速和鉆井時效偏低的問題。

5 結 論

1）準噶爾盆地山前構造帶的地應力關系為最大水平主應力＞垂向應力＞最小水平主應力，該應力狀態(tài)是造成井壁垮塌和阻卡的主要原因。另外，該地區(qū)安集海河組、塔西河組、紫泥泉子組地層膏泥巖的高蠕變速率是引起井眼縮徑的重要因素。

2）安集海河組、塔西河組、紫泥泉子組地層泥巖中的黏土礦物含量高，水化分散性和膨脹性均較強，采用具有強抑制性和封堵性的PRT鉆井液，可以有效解決地層水敏性問題。

3）實施試壓堵漏技術可以提高長裸眼井段局部層位的承壓能力；對易縮徑和垮塌地層，優(yōu)選PDC鉆頭，并與螺桿鉆具配合，既可以縮短鉆井周期，又可以實現(xiàn)以快保安全的鉆井效果。

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