樊明皓，湯超，藍(lán)天宇，郝以順

(1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000)

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地質(zhì)與礦產(chǎn)

群庫恰克地區(qū)井壁失穩(wěn)影響因素的研究

樊明皓1，湯超2，藍(lán)天宇1，郝以順1

(1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000)

群庫恰克地區(qū)鉆井復(fù)雜事件統(tǒng)計表明，群6、群601及群7井中共發(fā)生各類復(fù)雜事件129次，嚴(yán)重影響了鉆井工程安全和工程進(jìn)度。對此問題，通過分析失穩(wěn)井段巖石礦物組分與巖石理化的情況并結(jié)合實際鉆探中遇到的問題，研究了井壁失穩(wěn)的主要影響因素，并分析了鉆井液在鉆探過程中所起的作用及其重要性，為該地區(qū)井壁穩(wěn)定技術(shù)的研究提供了合理的依據(jù)。

井壁穩(wěn)定性；鉆井液；影響因素；井壁穩(wěn)定技術(shù)；群庫恰克

1 概況

1.1 區(qū)塊概況

群庫恰克構(gòu)造帶位于塔里木盆地西南坳陷麥蓋提斜坡西段，是麥蓋提斜坡的一個次級構(gòu)造單元，其東部與巴楚斷隆相接。麥蓋提斜坡西段海西期發(fā)育群庫恰克和西克爾南2個近EW走向、SN排列的古構(gòu)造帶；由于新近系以來西昆侖山向北強烈的擠壓以及南天山向南強烈的逆沖推覆作用，使得喀什凹陷和葉城凹陷急劇沉降，巴楚斷隆劇烈隆升；更新世后期群庫恰克和西克爾南2個古構(gòu)造發(fā)生翹傾，西翼沉降、東翼抬升，形成與古構(gòu)造相反的現(xiàn)今構(gòu)造格局(圖1)。

1—一極構(gòu)造帶；2—二級構(gòu)造帶；3—研究區(qū)范圍；4—工業(yè)油流；5—低產(chǎn)油流井；6—油氣顯示井；7—干井；8—野外露頭圖1 群庫恰克地區(qū)構(gòu)造位置圖

1.2 區(qū)塊鉆井復(fù)雜事件統(tǒng)計與分析

群庫恰克地區(qū)地層情況復(fù)雜，在鉆井過程中會鉆遇到軟泥頁巖、鹽膏層復(fù)雜井段，造成卡鉆、遇阻等復(fù)雜事件的發(fā)生，筆者對群6井、群601井及群7井所發(fā)生的鉆井復(fù)雜事件進(jìn)行了分類統(tǒng)計，群6井共計49次，群601井共計38次，群7井共計42次，上述3口井發(fā)生各類鉆井復(fù)雜事件共計129次,其中又以群6井最具代表性[1]。

群6井共發(fā)生各類鉆井復(fù)雜事件49次，上提鉆具遇卡和下鉆遇阻，即卡鉆，在群6井鉆井過程中共發(fā)生34次，占群6井鉆井復(fù)雜事件總次數(shù)的69.4%；發(fā)生嚴(yán)重鉆井事故(鉆具落井、鉆井井漏)8次，占群6井鉆井復(fù)雜事件總次數(shù)的16.3%[2]。

鉆井復(fù)雜事件發(fā)生的井段集中在3000～6000m井段，在此井段內(nèi)，經(jīng)歷了褐色細(xì)砂巖，砂質(zhì)泥巖、泥巖互層、巨厚石膏夾白云巖、泥巖等復(fù)雜巖層，共計發(fā)生各類鉆井復(fù)雜事件45次，占總次數(shù)的91.8%。巖性復(fù)雜，巨厚層白色石膏夾淺灰色泥巖及膏質(zhì)泥巖，膏質(zhì)泥巖表現(xiàn)為“軟泥巖”特征，易發(fā)生蠕變卡鉆；石炭系含礫狀砂巖、灰?guī)r，志留系含石英砂巖，可鉆性差。從地層N2a-D，發(fā)生多次鉆井復(fù)雜事件，其中以N2a和D層位居多，分別占鉆井復(fù)雜事件總次數(shù)的36.7%和22.4%[3]。

1.3 區(qū)塊鉆井液使用情況

由表1可以看出，在群庫恰克區(qū)塊所鉆井中，一開井段使用的鉆井液為聚合物般土體系，二開后開始使用聚合物鉆井液和KCl-聚磺鉆井液。KCl-聚磺鉆井液與普通鉆井液相比，加進(jìn)了抑制粘土分散的K+，它能進(jìn)入粘土晶層之間，抑制粘土和頁巖的水化膨脹作用，改善井眼穩(wěn)定性。另外，聚磺鉀鹽鉆井液有較好的穩(wěn)定性，長時間靜止后性能無大的變化，而且可改善泥餅質(zhì)量，保護(hù)油氣層，進(jìn)而降低鉆井液成本[2，3]。

表1 群601井鉆井液使用情況

2 失穩(wěn)井段巖石礦物組分與巖石理化

2.1 失穩(wěn)井段巖石膨脹性分析

群6井失穩(wěn)井段巖石線性膨脹量實驗方法按SY/T5613—2000(泥頁巖理化性能試驗方法)，各井段巖石不同評價時間的線性膨脹量見圖2。由圖2可以看出，群6井失穩(wěn)井段巖石線膨脹率較低，在5.57%～18.35%之間，屬不易膨脹泥頁巖地層，巖石的最大膨脹量在2.5mm以下。圖2表明，由于各井段巖石粘土礦物種類和含量的影響，各井段達(dá)到膨脹平衡的時間也不相同，如4300～4600m及4700～4750m這中間的7個井段1h后膨脹基本達(dá)到平衡，而剩余的4600～4650m等3個時間點膨脹量差異較大，達(dá)到膨脹平衡的時間較長[1]。

為進(jìn)一步探尋泥頁巖膨脹的影響因素，研究考察了粘土礦物種類和含量、井深及巖石中可溶性鹽對泥頁巖膨脹量的影響。

圖2 群6井失穩(wěn)井段巖石線膨脹量

2.1.1 粘土礦物種類和含量對巖石膨脹量的影響

群6井失穩(wěn)井段多為泥頁巖層，泥頁巖中粘土礦物種類和含量是影響泥頁巖膨脹量的主要因素，由于所分析的群6井失穩(wěn)井段蒙脫石缺失，故粘土礦物對泥頁巖的膨脹率影響表現(xiàn)在伊蒙間層的含量上。圖3表明，伊/蒙間層對泥頁巖線膨脹率的影響非直線性影響，即隨著伊/蒙間層相對含量的增大，泥頁巖線膨脹率并非直線型增大或降低，而成折線型，這主要是由于巖石粘土礦物中的伊利石、綠泥石也對巖石的膨脹產(chǎn)生影響，是一個綜合作用的結(jié)果。伊/蒙間層相對含量較大，伊利石、綠泥石相對含量也較大的井段，其線膨脹率也較大。

圖3 群6井失穩(wěn)井段粘土礦物伊/蒙間層對線膨脹率的影響

2.1.2 井深對巖石膨脹量的影響

群6井失穩(wěn)井段不同井深巖石2h和16h線性膨脹率見圖4。圖4中泥頁巖膨脹率整體呈下降趨勢，但在4700～4750m井段出現(xiàn)異常，線膨脹率較上一井段增大，這主要因為在此井段伊/蒙間層相對含量最高，為46%，同其他因素相比，伊/蒙間層對膨脹率影響起主要作用。

圖4 群6井失穩(wěn)井段2h和16h巖石線膨脹率

2.1.3 可溶性鹽對巖石膨脹量的影響

圖5 群6井失穩(wěn)井段可溶性鹽含量對巖石線膨脹率的影響

可溶性鹽含量對巖石線膨脹率的影響見圖5。由圖5可以看出，隨著巖石可溶性鹽含量的增大，巖石線膨脹率整體也隨之增大。同時，對比巖石2h和16h線膨脹率隨可溶性鹽含量變化的趨勢可以發(fā)現(xiàn)，可溶性鹽含量對初始線膨脹率較大，但隨著鹽的溶解，由于鹽的抑制作用，膨脹率會出現(xiàn)下降，這也就是圖5中16h線膨脹率變化出現(xiàn)折點的原因[4-10]。

2.2 失穩(wěn)井段巖石分散性分析

群6井失穩(wěn)井段巖石線性頁巖回收率實驗方法按SY/T5613-2000(泥頁巖理化性能試驗方法)，各井段泥頁巖回收率變化見圖6。綜合分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，粘土礦物中伊利石、綠泥石、高嶺石相對含量對地層巖石的分散性影響較大。巖石粘土礦物以伊利石、綠泥石為主的地層，成巖程度低，分散性較強，泥頁巖回收率低，如4350～4400m,4450～4500m,4650～4700m等幾個井段，泥頁巖回收率在10%以下；巖石粘土礦物以伊利石、高嶺石、綠泥石為主的地層，成巖性較好，分散性相對減弱，泥頁巖回收率也相對較高，如4500～4550m井段，泥頁巖回收率為52%，其正是此類性質(zhì)的地層，伊利石、高嶺石、綠泥石三者的相對含量分別為36%，15%和35%。說明群庫恰克地區(qū)地層具有易水化分散的特點。

圖6 群6井失穩(wěn)井段頁巖回收率

2.3 失穩(wěn)井段巖石比表面積和比親水量概況

群6井失穩(wěn)井段巖石比表面積和比親水量測定結(jié)果見圖7和圖8?？梢钥闯觯孩偃?井失穩(wěn)井段各巖樣的比親水量、比表面積各不相同。比表面積與比親水量之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，多數(shù)情況下，比表面積大的巖樣，其比親水量也較大；②在部分井段，其比表面積大，比親水量卻不很高，如4600～4650m，4750～4800m井段，此類地層往往容易引發(fā)地層膨脹縮徑，造成井壁不穩(wěn)定；③含鹽、膏泥頁巖地層的比親水量很高，如4500～4500m井段，這類地層井壁穩(wěn)定性問題較復(fù)雜，測試結(jié)果及分析也與實際情況相符[3，5]。

圖7 群6井失穩(wěn)井段巖石比表面積

圖8 群6井失穩(wěn)井段巖石比親水量

綜合以上分析結(jié)果，群6井失穩(wěn)井段地層特點為：存在不易膨脹強分散的砂巖與泥頁巖互層、中等分散的砂巖與泥頁巖互層和大段鹽膏層，這也是群庫恰克地區(qū)地層的共有特性。為防止鉆井過程中井壁失穩(wěn)，應(yīng)重點加強針對泥頁巖地層和鹽膏層的防塌鉆井液技術(shù)和工藝研究。

3 井壁失穩(wěn)的影響因素

3.1 地質(zhì)因素

沉積巖中最常見的是砂巖、礫巖、泥頁巖、石灰?guī)r等，由于沉積環(huán)境、礦物組分、埋藏時間、膠結(jié)程度、壓實程度不同而各具特性。未膠結(jié)或膠結(jié)不好的砂巖、礫巖容易發(fā)生坍塌。同時，在井眼形成之后，由于其濾失量大，鉆井過程中鉆井液在井壁上形成一層厚厚的濾餅，而造成井眼縮徑[2，6]。對于泥頁巖、鹽水層及石膏巖層等地層，由于粘土礦物含量的不同，也容易發(fā)生井塌和縮徑等復(fù)雜事件。

3.2 力學(xué)因素

鉆井液等流體在井眼中的流動，井眼內(nèi)靜流體壓力和地層壓力之間的低壓或超壓關(guān)系易引起頁巖剝落和斷裂，造成井壁失穩(wěn)。井壁失穩(wěn)力學(xué)因素與鉆井液密度密切相關(guān)，井壁失穩(wěn)主要由2方面的力學(xué)原因引起：①鉆井液密度過低，鉆井液液柱壓力難以支撐力學(xué)不穩(wěn)定的地層，導(dǎo)致井壁周圍巖石的應(yīng)力大于巖石本身的強度而產(chǎn)生剪切破壞作用，對于脆性地層會發(fā)生坍塌掉塊，使井徑擴大，對于塑性地層則向井眼內(nèi)發(fā)生塑性變性，造成縮徑；②鉆井液液柱壓力高于地層孔隙應(yīng)力，驅(qū)使鉆井液進(jìn)入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng),使井眼附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁巖強度降低。后一方面的原因已被石油鉆井界公認(rèn)為主要的井壁失穩(wěn)原因[7，11]。

3.3 化學(xué)因素

鉆井液性能是井壁失穩(wěn)的主要化學(xué)影響因素，而鉆井液密度是調(diào)節(jié)井內(nèi)液柱壓力確保安全快速鉆井的關(guān)鍵因素，由此形成的井內(nèi)液柱壓力必須與各井段的地層壓力相平衡，鉆井液密度過大或過小，會引起卡、塌、漏、噴等各種井下復(fù)雜問題。鉆井液的濾失量大，容易引起水敏性頁巖層膨脹，造成井徑縮小甚至井壁垮塌，并會損害油氣層。如果濾餅較厚，又比較疏松，容易阻卡鉆具，甚至發(fā)生卡鉆事故。

沖洗井底巖屑并把它帶到地面，這是鉆井液的重要功能。鉆井液流變性則是影響這些功能的重要因素。鉆井過程中對井眼凈化、攜帶巖屑和性能處理都是通過鉆井液的流變性來實現(xiàn)的。針對地層巖性的特點，使用合適的防塌鉆井液體系是影響井壁穩(wěn)定的一個重要因素[8]。為了防塌，鉆井液中常使用防塌劑(抑制劑)，但是各種防塌劑的作用機理和適用范圍各不相同，需要根據(jù)地層發(fā)育情況和地層巖性特點來選擇和使用鉆井液防塌劑。

3.4 鉆具組合的影響

為保持井眼垂直或穩(wěn)斜鉆進(jìn)，下部鉆具往往采用剛性組合，如果鉆挺直徑太大、扶正起器過多，下部鉆具與井眼之間的間隙太小，起下鉆時容易產(chǎn)生激動，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

3.5 壓力激動影響

鉆進(jìn)過程中，如開泵過猛，下鉆速度過快，易形成壓力激動，使瞬間的井內(nèi)壓力大于地層破裂壓力而壓裂地層，造成鉆井井漏[4，12]。另外，在有鉆頭泥包或扶正器泥包的情況下，起鉆速度過大，也會產(chǎn)生相當(dāng)大的抽吸力，導(dǎo)致井內(nèi)壓力低于地層坍塌應(yīng)力，促使地層過早地發(fā)生坍塌造成井壁失穩(wěn)。

4 結(jié)語

井壁失穩(wěn)歸根到底還是巖石的力學(xué)失穩(wěn)，即巖石的強度低于相應(yīng)的應(yīng)力而造成巖石的結(jié)構(gòu)破壞。從上面的研究可以得出塔里木油田群庫恰克地區(qū)失穩(wěn)井段地層巖石弱膨脹，易水化分散或溶解，回收率低，含有易污染鉆井液的鹽膏地層，比親水量大，易發(fā)生掉塊、垮塌和縮徑等井下復(fù)雜事故。在群庫恰克地區(qū)的鉆探過程中，所采用的實際鉆井液與設(shè)計鉆井液之間的性能有一定的差異，這是導(dǎo)致井下發(fā)生各種復(fù)雜事故的原因之一，工程措施不當(dāng)?shù)纫蛩卮沃?。因此，?yīng)針對群庫恰克地區(qū)地層巖性的特點，篩選和研制合適的防塌鉆井液處理劑及體系，提高鉆井液的抑制性，增強鉆井液的造壁性和封堵能力，優(yōu)選鉆井液流型與流變參數(shù)，以滿足安全、快速鉆井的要求。

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Study on Influence Factors of Sidewall Instability in Qunkuqiake Area

FAN Minghao1，TANG Chao2，LAN Tianyu1，HAO Yishun1

(1.College of Earth Science, Guilin University of Technology，Guangxi Guilin 541006，China； 2. Tarim Oilfield Brand Company of Petro China，Xinjiang Ku’erle 841000， China)

Statistics of drilling complex events indicated that all kinds of complex events totally happened 129 times in group 6, group 601 and group 7 wells, and seriously affected safety and progress of drilling engineering in Qunkuqiake area. In this paper, through analyzing rock mineral composition and physical and chemical conditions of the rock, combining with practical problems encountered in drilling，main influencing factors of sidewall instability, the function and importance of drilling fluid in the drilling process have been analyzed. It will provide a reasonable basis for the research of sidewall stability in this area.

Sidewall stability; drilling fluid; influence factor; sidewall stability technique; Qunkuqiake area

2016-06-13；

2016-08-22；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

樊明皓(1990—)，男，湖北紅安人，在讀碩士研究生，地質(zhì)資源專業(yè)；E-mail:1263490484@qq.com

TE21

A

樊明皓，湯超，藍(lán)天宇，等.群庫恰克地區(qū)井壁失穩(wěn)影響因素的研究[J].山東國土資源，2016,32(11)：7-11.FAN Minghao，TANG Chao ，LAN Tianyu，etc.Study on Influence Factors of Sidewall Instability in Qunkuqiake Area[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(11)：7-11.