牛似成

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定北區(qū)塊盒1水平井鉆井復(fù)雜機(jī)理實(shí)驗(yàn)分析

牛似成

（中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006）

定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層水平井鉆井過(guò)程中發(fā)生井漏、井壁失穩(wěn)等現(xiàn)象，通過(guò)漏失情況分析、巖心觀察及室內(nèi)巖心裂縫可視化實(shí)驗(yàn)分析得出，和尚溝組、劉家溝組和石千峰組上部發(fā)育層理及微裂縫，且隨著井內(nèi)液注壓力增大，微裂縫張開度越大，漏失越嚴(yán)重。巖石礦物組分分析及理化性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖黏土礦物含量均在30%以上，多含伊利石、伊/蒙混層和高嶺石；劉家溝組和石千峰組泥巖經(jīng)鉆井液浸泡后，巖石強(qiáng)度下降明顯，易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)；石盒子組硬脆性泥巖變化不明顯，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，易受井內(nèi)波動(dòng)壓力影響， 發(fā)生井壁坍塌。定北區(qū)塊鉆井復(fù)雜機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究可為針對(duì)性措施的制定提供技術(shù)依據(jù)。

定北區(qū)塊；水平井；井壁失穩(wěn)；鉆井液漏失

定北區(qū)塊地處鄂爾多斯盆地西部，橫跨天環(huán)向斜和伊陜斜坡兩個(gè)構(gòu)造單元，已探明具有較好開發(fā)價(jià)值的下石盒子組盒1層，埋深3 600~3 900 m、地溫梯度2.95~3.12℃/100 m[1]。2014–2015年，定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層實(shí)施8口水平井，發(fā)生井漏、井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況，造成單井損失時(shí)間25天左右。井漏多發(fā)生在和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部，井壁失穩(wěn)則多發(fā)生在石盒子組，復(fù)雜機(jī)理尚不明確。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用成像測(cè)井、取心觀察、巖心室內(nèi)測(cè)試等方法分析此類復(fù)雜情況[2–8]。針對(duì)定北區(qū)塊水平井復(fù)雜情況，本文通過(guò)井況分析、巖心觀察及室內(nèi)裂縫可視化實(shí)驗(yàn)等手段分析漏失機(jī)理，同時(shí)通過(guò)易失穩(wěn)地層巖石礦物組分及理化性能分析明確井壁失穩(wěn)機(jī)理。

1 盒1儲(chǔ)層水平井漏失機(jī)理分析

定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層多口水平井在和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部發(fā)生漏失，統(tǒng)計(jì)分析了鉆進(jìn)漏失層鉆井液密度、漏失時(shí)鉆井液密度及漏失發(fā)生過(guò)程等。和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部在低密度鉆井液（1.05~1.10 g/cm3）下易發(fā)生滲漏，隨著鉆井液密度的增加，滲漏逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒月┦Щ蚴Х敌月┦АＳ纱伺袛嗪蜕袦辖M、劉家溝組及石千峰組上部地層破漏壓力較低，高密度鉆井液下易壓漏地層，造成惡性漏失或失返性漏失。通過(guò)觀察和尚溝組、劉家溝組取心結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其局部發(fā)育一定程度裂縫。對(duì)劉家溝組、石千峰組巖心的電鏡掃描結(jié)果表明，劉家溝組、石千峰組泥巖層理面較發(fā)育、含溶蝕孔洞和裂縫。綜合上述分析結(jié)果，和尚溝組、劉家溝組、石千峰組層理及裂縫發(fā)育且破漏壓力較低是造成該段地層低密度鉆井液下滲漏、高密度鉆井液下壓漏的主要原因。

借鑒硬脆性泥頁(yè)巖微裂縫封堵可視化模擬實(shí)驗(yàn)及裂縫性儲(chǔ)層可視化實(shí)驗(yàn)方法[9–12]，采用室內(nèi)裂縫可視化模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)劉家溝組、石千峰組層理及裂縫在地層打開過(guò)程中的變化過(guò)程進(jìn)行分析研究。打開劉家溝組、石千峰組后，在井內(nèi)鉆井液和地層流體壓差作用下，鉆井液進(jìn)入層理裂縫中，引起層理裂縫內(nèi)流體壓力變化，使得裂縫的有效應(yīng)力減小，裂縫發(fā)生變形，引起裂縫開啟和膨脹，裂縫寬度及滲透率隨之增加。室內(nèi)裂縫可視化實(shí)驗(yàn)即是通過(guò)測(cè)量裂縫寬度和裂縫滲透率來(lái)分析層理裂縫在地層打開過(guò)程中的變化過(guò)程，裂縫寬度可通過(guò)實(shí)際測(cè)量確定，裂縫滲透率通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算求得。

f=×/A （1）

f= 8.33×1062f（2）

式中:f為裂縫孔隙度（又稱裂縫性系數(shù)），小數(shù)；為裂縫寬度，mm；為裂縫總長(zhǎng)度，mm；為裂縫巖樣的滲濾面積，mm2；f為裂縫滲透率，μm2。

室內(nèi)裂縫可視化實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變劉家溝組、石千峰組巖心的圍壓來(lái)模擬地層的打開過(guò)程，根據(jù)劉家溝組、石千峰組垂深2 000 m左右確定圍壓變化范圍在0~20 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2，可以明顯看出裂縫隨圍壓增大而增大。

圖1 劉家溝組巖心裂縫隨圍壓變化圖譜

圖2 石千峰組巖心裂縫隨圍壓變化圖譜

通過(guò)測(cè)量劉家溝組、石千峰組巖心裂縫寬度并計(jì)算裂縫滲透率，繪制出裂縫寬度、裂縫滲透率隨圍壓的變化曲線，分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可看出，劉家溝組、石千峰組巖心裂縫隨著圍壓減小，裂縫寬度及裂縫滲透率均大幅增加，即在劉家溝組、石千峰組被打開過(guò)程中，裂縫誘導(dǎo)展開，且隨著井內(nèi)液注壓力增加，微裂縫張開度越大。

圖3 劉家溝組裂縫寬度、滲透率與圍壓關(guān)系

圖4 石千峰組裂縫寬度、滲透率與圍壓關(guān)系

2 盒1儲(chǔ)層水平井井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

定北區(qū)塊多口水平井在石盒子組發(fā)生井壁失穩(wěn)，造成遇阻或卡鉆，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析遇阻或卡鉆發(fā)生層位、鉆井液密度等，初步明確了井壁失穩(wěn)的發(fā)生原因，見表1。LP10H和LP11H井長(zhǎng)時(shí)間堵漏造成泥巖井壁失穩(wěn)，LP12H、LP14H、LP15H、LP13H、LP16H和LP17H井均在二開或三開完鉆后，在泥巖段發(fā)生遇阻或卡鉆。石盒子組在鉆進(jìn)過(guò)程中采用高密度鉆井液，一定程度上抑制了井壁垮塌，但長(zhǎng)時(shí)間浸泡后仍會(huì)發(fā)生膨脹或掉塊。

分析失穩(wěn)地層巖石礦物組分及理化性能是明確井壁失穩(wěn)機(jī)理的常用方法[13–16]，劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖的礦物組分分析結(jié)果表明，劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖黏土礦物含量30%以上，黏土礦物以伊利石、伊/蒙混層及高嶺石為主，易發(fā)生分散運(yùn)移、水化膨脹等[4]，見表2。采用等溫平衡吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定劉家溝組、石千峰組和石盒子組泥巖吸水膨脹能力，等溫平衡吸附實(shí)驗(yàn)以不同飽和鹽溶液標(biāo)定相對(duì)濕度，得到了不同層位泥巖在一系列相對(duì)濕度下的等溫平衡吸附量，見表3。石千峰組和石盒子組泥巖等溫吸附量略高于劉家溝組，即吸水膨脹能力稍強(qiáng)[4]。

采用巖石三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)定劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖經(jīng)鉆井液浸泡后的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并由此計(jì)算出巖石抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等參數(shù)；測(cè)試圍壓根據(jù)地層埋深而定，測(cè)定結(jié)果見表4。由表4可看出，石千峰組泥巖浸泡后巖石強(qiáng)度參數(shù)變化最大，其次為劉家溝組泥巖，浸泡前后巖石強(qiáng)度參數(shù)變化最小的是石盒子組，這與泥巖黏土礦物組分和等溫吸附結(jié)果相對(duì)應(yīng)。易水化伊/蒙混層含量由高至低依次為劉家溝組、石千峰組和石盒子組，劉家溝組、石千峰組易水化膨脹造成掉塊，石盒子組泥巖偏向硬脆性，施工過(guò)程中易受應(yīng)力變化產(chǎn)生掉塊造成鉆具遇阻或卡鉆[7]，多口水平井在通井劃眼過(guò)程中因波動(dòng)壓力大誘發(fā)井內(nèi)掉塊遇阻。

表1 定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層水平井井壁失穩(wěn)情況統(tǒng)計(jì)

表2 各層位泥巖全巖性及黏土礦物分析

表3 不同層位泥巖在不同飽和鹽溶液下的等溫平衡吸附量 %

表4 不同層位泥巖經(jīng)鉆井液浸泡前后的巖石強(qiáng)度參數(shù)

3 水平井井漏、井塌相關(guān)性分析

以上分析結(jié)果表明，和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部地層層理及裂縫發(fā)育且破漏壓力較低，劉家溝組、石千峰組泥巖易水化，石盒子組泥巖易受應(yīng)力變化發(fā)生掉塊、地層坍塌，壓力較低。定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層水平井實(shí)鉆過(guò)程中，直井段穿越和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部，斜井段穿越石千峰組及石盒子組；直井段打開和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部；后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)采用較低的鉆井液密度和低波動(dòng)壓力，以有效防漏；斜井段鉆進(jìn)石千峰組及石盒子組，需要鉆井液具有較高的密度和抑制性，以防井壁坍塌，由此造成斜井段鉆井液密度窗口窄，井內(nèi)液注壓力控制不當(dāng)或波動(dòng)壓力過(guò)大，即誘發(fā)井漏或井壁失穩(wěn)。

4 結(jié)論及建議

（1）定北區(qū)塊直井段和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部層理及裂縫易誘導(dǎo)張開造成漏失，斜井段石盒子組泥巖坍塌壓力較高，安全鉆井液密度較窄，井內(nèi)液注壓力控制不當(dāng)或波動(dòng)壓力過(guò)大會(huì)誘發(fā)井漏或井壁失穩(wěn)。

（2）建議針對(duì)定北區(qū)塊“上漏下塌”復(fù)雜特征，采用先進(jìn)防漏技術(shù)封堵和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部，斜井段提升鉆井液封堵性和抑制性，以有效防止井壁坍塌。

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編輯：張 凡

1673–8217（2017）05–0106–04

TE25

A

2016–11–15

牛似成，1987年生，2012年獲中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣井工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事鉆完井優(yōu)化設(shè)計(jì)、油氣井流體力學(xué)等方面的研究工作。

“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“低豐度致密低滲油氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”（2016ZX05048）。