謝志濤，劉 斌，武少一，楊 鵬，陽(yáng)中華，李 斌

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)石化江漢油田分公司采油工藝研究院；4.中國(guó)石化河南油田分公司油氣技術(shù)處；5.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油技術(shù)服務(wù)處；6.中國(guó)石油青海油田分公司采油二廠)

大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)分析及研究

謝志濤1,2，劉 斌3，武少一4，楊 鵬1,2，陽(yáng)中華5，李 斌6

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)石化江漢油田分公司采油工藝研究院；4.中國(guó)石化河南油田分公司油氣技術(shù)處；5.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油技術(shù)服務(wù)處；6.中國(guó)石油青海油田分公司采油二廠)

分析了大北-克深區(qū)塊鉆井過(guò)程中發(fā)生的主要復(fù)雜情況及層位，從物理、化學(xué)因素研究了該區(qū)塊井壁失穩(wěn)的機(jī)理，研究結(jié)果表明，黏土礦物含量和伊蒙混層所占比例較高以及巖石微裂縫發(fā)育是井壁失穩(wěn)的主要原因。為此，計(jì)算出了地層坍塌壓力，同時(shí)根據(jù)巖石力學(xué)理論確定了破裂壓力，進(jìn)而確定了該區(qū)塊的安全泥漿密度窗口。研究結(jié)果在DB-10井獲得了較好的應(yīng)用效果，大大減少了井徑擴(kuò)大和阻卡問(wèn)題的發(fā)生。

大北-克深區(qū)塊；井壁穩(wěn)定；泥漿密度窗口

大北-克深區(qū)塊位于庫(kù)車坳陷克-依構(gòu)造帶東部的卡拉蘇構(gòu)造帶。為了解大北-克深區(qū)帶鉆井過(guò)程中的主要復(fù)雜情況，收集了大北-克深區(qū)帶大北1井、大北2井等20余口井的鉆完井和井史等資料，并對(duì)該地區(qū)鉆井過(guò)程中的各類復(fù)雜情況和鉆井事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致復(fù)雜情況較多，嚴(yán)重影響了鉆井作業(yè)時(shí)間和鉆進(jìn)效率。本文對(duì)該區(qū)塊井壁失穩(wěn)機(jī)理展開(kāi)研究分析，同時(shí)根據(jù)測(cè)井資料和經(jīng)驗(yàn)公式確定了該區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力。

1 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析[1-4]

根據(jù)大北-克深各層位復(fù)雜情況，繪制了該區(qū)塊各層位出現(xiàn)復(fù)雜情況頻數(shù)分布圖(圖1)。從中可以看出，復(fù)雜情況出現(xiàn)的主要層位在庫(kù)車組、庫(kù)姆格列木組和巴什基奇克組，其主要復(fù)雜情況是阻卡和井漏。

圖1 大北-克深區(qū)帶各層位復(fù)雜情況頻數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.1 地層礦物X射線衍射分析

為了研究大北-克深區(qū)塊的深部地層的礦物組成，對(duì)深部巖樣進(jìn)行了礦物X射線衍射定量分析和黏土礦物X-衍射分析，結(jié)果表明：深部地層中黏土礦物含量為10%～50%。黏土礦物中伊蒙混層含量為40%～60%，伊利石和綠泥石的含量為20%～30%，深部地層中的水敏性黏土礦物含量較大，使得地層極易水化膨脹，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

1.2 巖樣掃描電鏡分析

對(duì)大北-克深區(qū)塊巖樣電鏡分析結(jié)果表明：深部地層的泥頁(yè)巖局部表面微細(xì)孔隙較發(fā)育，部分相互連通；深部地層的泥頁(yè)巖微裂縫比較發(fā)育，外來(lái)流體的侵入，導(dǎo)致表面水化引發(fā)了井壁失穩(wěn)。

1.3 鑄體薄片分析

對(duì)薄片圖像分析結(jié)果表明，該井段巖石成分以泥晶白云石為主，具紋層構(gòu)造，晶間孔少，內(nèi)未見(jiàn)可測(cè)孔隙；可見(jiàn)一定數(shù)量微裂縫，其中部分被泥質(zhì)充填，順層理分布。

1.4 地層失穩(wěn)機(jī)理分析

通過(guò)X射線衍射、掃描電鏡以及鑄體薄片分析可以確定大北-克深區(qū)塊的失穩(wěn)機(jī)理是：黏土礦物含量高，部分地層甚至達(dá)到50%，其中伊蒙混層、伊利石和綠泥石所占比例較高，部分層位含有易溶解變形的鹽膏層，易于水化。其黏土礦物組成呈多樣性和非均勻性，使得地層巖石水化后局部應(yīng)力失衡、坍塌掉塊；深部地層巖石中微裂縫較為發(fā)育，孔隙部分發(fā)育，給水分子浸入巖石提供了通道，水分子與巖層接觸發(fā)生水化作用，致使巖層發(fā)生水化膨脹和分散，尤其是微裂縫發(fā)育，使得水分子更容易進(jìn)入巖層內(nèi)部，導(dǎo)致水化作用更加強(qiáng)烈，從而造成井壁失穩(wěn)問(wèn)題發(fā)生[5-7]。

2 地層坍塌壓力和破裂壓力的確定

井壁失穩(wěn)的判定準(zhǔn)則是比較井壁應(yīng)力與強(qiáng)度。井壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：泥漿密度太大時(shí)，就會(huì)發(fā)生拉伸破壞，導(dǎo)致地層壓破；泥漿密度太小時(shí)，就會(huì)發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致地層坍塌或縮徑。因而，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆過(guò)程中，需要確定一個(gè)合適的泥漿密度窗口來(lái)確保鉆井作業(yè)的順利完成，其上限為破裂壓力Pf，下限為坍塌壓力Pc。

在巖石力學(xué)研究中，判定巖石是否發(fā)生剪切破壞常用庫(kù)倫摩爾準(zhǔn)則，其判定條件是巖石發(fā)生剪切破壞時(shí)，其破壞面上的剪切力大于巖石內(nèi)聚力與巖石破壞面的內(nèi)摩擦之和，在此條件下，坍塌壓力的計(jì)算模型為：

(1)

式中：H——井深，m；ρm——鉆井液密度，g/cm3；C——巖石的黏聚力，MPa；η——應(yīng)力非線性修正系數(shù)；σh1、σh2——水平方向的地應(yīng)力，MPa；pp——地層壓力，MPa。

地層破裂壓力是在井內(nèi)液柱壓力作用下，使得井眼某處裸露地層裂開(kāi)或使得原有裂縫再次裂開(kāi)的壓力，其主要原因是井內(nèi)鉆井液密度過(guò)大時(shí)，井壁處的剪切力就會(huì)轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度所造成的。

假定井眼初始狀態(tài)是處于平面應(yīng)變狀態(tài)下，依據(jù)巖石力學(xué)準(zhǔn)則，在非均勻地應(yīng)力作用條件下破裂壓力的計(jì)算模型為：

(2)

式中：Pf——破裂壓力，MPa；Q——構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；Pp——地層孔隙壓力，MPa；St——地層抗拉強(qiáng)度，kN/mm2；σV——上覆地層壓力，MPa；μ——泊松比；α——有效應(yīng)力系數(shù)。

結(jié)合公式(1)、(2)以及大北-克深區(qū)塊實(shí)鉆資料和測(cè)井資料，可以計(jì)算出該區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力當(dāng)量密度值，進(jìn)而結(jié)合實(shí)鉆情況確定該區(qū)塊的安全鉆進(jìn)泥漿密度窗口(表1)。

表1 各層位推薦的安全泥漿密度窗口 g/cm3

總體上，大北、克深區(qū)帶地層坍塌壓力和地層破裂壓力當(dāng)量密度均呈增加趨勢(shì)，上部地層泥漿密度窗口較大，而蘇維依組下部和庫(kù)姆格列木組坍塌壓力急劇增大，泥漿密度窗口狹窄，庫(kù)姆格列木組之后泥漿密度窗口又變大，因此，建議蘇維依組下部和庫(kù)姆格列木組鉆進(jìn)時(shí)，參照鄰井的安全泥漿密度窗口，選擇合適的泥漿密度和泥漿體系，預(yù)防或減輕膏鹽層縮徑引起的阻、卡復(fù)雜情況的發(fā)生。

3 應(yīng)用舉例

DB-10井是在大北-克深區(qū)塊鉆進(jìn)的一口評(píng)價(jià)井。在鉆進(jìn)過(guò)程中，淺中部地層發(fā)生復(fù)雜情況較多，其中，阻卡次數(shù)高達(dá)41次。庫(kù)車組巖性為泥巖、砂巖，康村組巖性為層狀泥巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。實(shí)鉆中，庫(kù)車組使用泥漿密度范圍為1.27～1.6 g/cm3,康村組使用泥漿密度范圍為1.52～1.65 g/cm3。其使用的泥漿密度都小于表1所推薦的坍塌壓力當(dāng)量密度，因而在庫(kù)車組和康村組都會(huì)發(fā)生了不同程度的坍塌和井徑擴(kuò)大問(wèn)題。另外庫(kù)車組和康村組為脆性巖石，坍塌掉塊在井內(nèi)還會(huì)導(dǎo)致阻卡情況的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，在兩個(gè)層位都發(fā)生了不同程度的井眼擴(kuò)大。因此，在中下部地層鉆進(jìn)中，按照推薦安全密度窗口，結(jié)合地層巖性，重新調(diào)配了鉆井液，其泥漿密度為1.82～1.93 g/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況表明，在蘇維依組、庫(kù)姆格列木組和巴什基奇克組鉆進(jìn)中都沒(méi)有發(fā)生阻卡情況。且測(cè)井資料顯示，井徑擴(kuò)大較小，且有效地解決了該井阻卡的問(wèn)題。

4 結(jié)論與建議

(1)統(tǒng)計(jì)分析了大北-克深區(qū)塊鉆井過(guò)程中主要復(fù)雜情況是阻卡和井漏，其主要層位在深部地層。

(2)大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)的內(nèi)在原因主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是黏土礦物含量較高，同時(shí)黏土礦物中伊蒙混層、伊利石和綠泥石的含量較高，并含有易溶解和變形的膏巖層，易水化；二是地層裂縫較發(fā)育，一定程度上增強(qiáng)了水化作用，加大了井壁失穩(wěn)的幾率。

(3)根據(jù)計(jì)算模型確定了大北-克深區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力，并確定了該區(qū)塊的安全泥漿密度窗口。這些技術(shù)在DB-10井進(jìn)行了應(yīng)用，有效地避免了阻卡等復(fù)雜事故的發(fā)生，并控制了井徑擴(kuò)大問(wèn)題。

(4)建議對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用泥漿進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)合地層特性確定適合大北-克深區(qū)塊的泥漿體系，同時(shí)根據(jù)泥漿密度窗口選擇適合該區(qū)塊安全鉆進(jìn)的泥漿密度。

[1] 劉其明，趙正果，李勇，等. 百色盆地井壁失穩(wěn)機(jī)理及防塌建議[J].天然氣技術(shù)，2009,13(3)：55-56.

[2] James Lang, Shuling Li. Wellbore stability modeling and real-time surveillance for deepwater drilling to weak vedding planes and depleted reservoirs[A].SPE/IADC 139708, 2011.

[3] Ramiro J，LizLosada, Leandro R. Newsafemudweight window representations to prevent wellbore instability[A].SPE/ IADC 62800, 2000.

[4] Jincai Zhang, JeanClaude Roegiers.Borehole stability in naturally deformable fractured reservoirs - A fully coupled approach[A].SPE77355, 2002.

[5] 王志龍，楊龍龍，羅躍，等. 超深井段井壁失穩(wěn)機(jī)理研究[J].化學(xué)與生物工程，2014,31(2)：64-67.

[6] 于玲玲，孫連環(huán)，鮑洪志. 川東北地區(qū)高陡構(gòu)造井壁失穩(wěn)原因及對(duì)策[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2010,32(1)：281-283.

[7] 梁為，陳志學(xué)，孫夢(mèng)慈，等. 青西地區(qū)復(fù)雜深井鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2006,23(3):47-50.

編輯：劉洪樹(shù)

1673-8217(2015)01-0113-03

2014-08-15；改回日期：2014-10-10

謝志濤，1988年生，2011年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，在讀碩士研究生，現(xiàn)主要從事油氣井工程技術(shù)研究。

TE254

A