李文哲，于興川，賴 燕，劉厚彬，文 雯，張 震，吳申尭

(1.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 榆林 719000；5.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

0 引 言

四川長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井過程中鉆井液漏失頻發(fā)是阻礙頁(yè)巖氣效益化開發(fā)的重要原因之一[1-5]。合理確定漏失壓力，探明漏失力學(xué)機(jī)理及漏失性質(zhì)是提高鉆井液防漏失效率及成功率的關(guān)鍵[6-12]。對(duì)于鉆井液漏失機(jī)理及漏失壓力的研究，王仁廣等[13-15]從漏失壓力模型的角度進(jìn)行了研究，建立了壓裂性漏失、裂縫擴(kuò)展性漏失、大型裂縫溶洞性漏失的漏失壓力模型。譚建忠等[16-17]從鉆井液漏失發(fā)生的必要條件角度進(jìn)行研究，明確了鉆井液漏失發(fā)生的誘因及過程，并提出了防漏措施。王貴等[6，18-20]對(duì)鉆井液漏失機(jī)理進(jìn)行了研究，基于巖石斷裂力學(xué)、漏失力學(xué)等理論明確了鉆井液漏失機(jī)理，并提出了具體的堵漏思路。為提高長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣開發(fā)效益，基于單井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與三維地震解釋數(shù)據(jù)，建立了長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣地層裂縫、地應(yīng)力及地層壓力展布模型，研究鉆井液漏失與三者之間的響應(yīng)關(guān)系，探究長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖地層鉆井液漏失機(jī)理以及主要影響因素。研究成果將對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井過程中的防漏堵漏提供技術(shù)支持。

1 長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失分布規(guī)律

長(zhǎng)寧區(qū)塊位于四川盆地南部，整體構(gòu)造呈中間低四周高的趨勢(shì)。長(zhǎng)寧背斜構(gòu)造位于四川盆地的川南褶皺帶與婁山斷褶帶的交界部位，因此，形成了具多組構(gòu)造形跡的復(fù)雜組合。工區(qū)北鄰蓮花寺老翁場(chǎng)構(gòu)造，南接柏楊林-大寨背斜構(gòu)造，西為賈村溪構(gòu)造，東隔鳳凰山向斜與高木頂構(gòu)造相望。長(zhǎng)寧背斜核部出露寒武系、志留系地層，兩翼為二疊系、三疊系地層。選取長(zhǎng)寧區(qū)塊內(nèi)不同井區(qū)具有代表性的共20口井，分別從平面和縱向2個(gè)角度對(duì)該區(qū)塊的鉆井液漏失分布規(guī)律進(jìn)行分析。

(1)鉆井液漏失平面分布規(guī)律分析。統(tǒng)計(jì)分析了長(zhǎng)寧區(qū)塊3個(gè)井區(qū)鉆井液漏失情況(表1)。

表1 長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失情況平面分布統(tǒng)計(jì)

由表1可知：長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失平面分布與地質(zhì)構(gòu)造有密切聯(lián)系，構(gòu)造高部位鉆井液漏失井次高于構(gòu)造中心低部位，位于構(gòu)造高部位的寧216井區(qū)鉆井液漏失比例為69%，位于構(gòu)造低部位的寧201井區(qū)和寧209井區(qū)鉆井液漏失比例明顯低于寧216井區(qū)，分別為11%和20%?？傮w上來看，長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失呈現(xiàn)中間低、四周高的平面分布規(guī)律。

(2)鉆井液漏失縱向分布規(guī)律分析。對(duì)3個(gè)井區(qū)的鉆井液漏失情況按照地層進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(表2)。

表2 長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失情況縱向分布統(tǒng)計(jì)

由表2可知：鉆井液漏失情況在縱向上主要發(fā)生在茅口組和龍馬溪組地層；鉆井液在縱向上的漏失情況，寧216井區(qū)也比寧201井區(qū)和寧209井區(qū)嚴(yán)重。

2 鉆井液漏失機(jī)理

深層脆性頁(yè)巖常見的鉆井液漏失機(jī)理有以下幾種類型[21-25]。

(1) 壓裂性漏失。當(dāng)井筒內(nèi)壓力超過地層的破裂壓力時(shí)，在地層內(nèi)產(chǎn)生裂縫性漏失通道[26]。因此，對(duì)于壓裂性漏失，漏失壓力與地層破裂壓力相同，該類漏失的漏失壓力預(yù)測(cè)模型為：

pf1=3σh-σH+St-αpp

(1)

式中：pf1為破裂壓力，MPa；σH為最大水平主地應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主地應(yīng)力，MPa；St為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)；pp為地層壓力，MPa。

(2) 閉合裂縫擴(kuò)展性漏失。井筒的有效液柱壓力大于裂縫閉合壓力及裂縫末端抗張強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致裂縫張開、擴(kuò)展延伸產(chǎn)生鉆井液漏失[27]。該類漏失的漏失壓力預(yù)測(cè)模型為：

(2)

式中：p1為漏失壓力MPa；ω0為無井筒正壓差時(shí)的裂縫寬度，mm；A、a為待定系數(shù)；ωc為裂縫動(dòng)態(tài)寬度，mm。

(3) 壓差性漏失。微裂縫和孔洞可作為天然氣的滲流通道，同時(shí)也可作為鉆井液侵入的通道[28-29]。正壓差下鉆井液進(jìn)入孔隙、天然裂縫與溶洞通道產(chǎn)生鉆井液漏失。該類漏失的漏失壓力預(yù)測(cè)模型為：

p1=pp+Δp

(3)

式中：Δp為鉆井液在裂縫內(nèi)部流動(dòng)的壓力損耗，MPa。

從以上3種鉆井液漏失模型可以看出，鉆井液漏失情況主要受地應(yīng)力、地層壓力以及裂縫的影響，地應(yīng)力對(duì)壓裂性漏失與閉合裂縫擴(kuò)展性漏失具有重要影響，地層裂縫為閉合裂縫擴(kuò)展性漏失與壓差性漏失提供了漏失通道與先天條件，而地層壓力則是壓差性漏失的主要判斷依據(jù)。

3 長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失主要影響因素分析

3.1 長(zhǎng)寧區(qū)塊裂縫三維展布規(guī)律研究

裂縫是導(dǎo)致鉆井液漏失的一個(gè)重要原因[30]，因此，預(yù)測(cè)長(zhǎng)寧區(qū)塊裂縫的三維展布規(guī)律，對(duì)探究鉆井液漏失具有重要意義。利用長(zhǎng)寧區(qū)塊已有地震數(shù)據(jù)體，采用螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行裂縫的追蹤預(yù)測(cè)。裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1(一個(gè)色塊代表一個(gè)裂縫)所示。

圖1 長(zhǎng)寧區(qū)塊裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果

由圖1可知：長(zhǎng)寧區(qū)塊裂縫較為發(fā)育，區(qū)塊四周裂縫發(fā)育程度較區(qū)塊中心要高；寧216井區(qū)裂縫密度明顯高于寧201井區(qū)和寧209井區(qū)，這可能是導(dǎo)致寧216井區(qū)鉆井液漏失相對(duì)嚴(yán)重的重要因素之一。

3.2 地應(yīng)力及地層壓力預(yù)測(cè)

地應(yīng)力、地層壓力與鉆井液漏失的關(guān)系同樣密切，從頁(yè)巖地層常見的鉆井液漏失機(jī)理可以看出：地應(yīng)力的大小可以決定地層破裂壓力，從而確定井壁是否被壓裂、閉合縫是否張開；天然裂縫是否發(fā)生鉆井液漏失則與地層壓力有關(guān)。

利用地震解釋數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型，利用單井地應(yīng)力、地層壓力數(shù)據(jù)，基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，通過井間插值法建立地應(yīng)力與地層壓力模型。

3.2.1 地應(yīng)力預(yù)測(cè)

長(zhǎng)寧區(qū)塊最小水平主地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果見圖2。由圖2可知：長(zhǎng)寧區(qū)塊地應(yīng)力的大小與地質(zhì)構(gòu)造、地層埋深密切相關(guān)；構(gòu)造向斜低部位地層埋藏深，地應(yīng)力大，向南、北方向地應(yīng)力有減小趨勢(shì)，位于構(gòu)造向斜部位的寧201、寧209井區(qū)的地應(yīng)力要高于位于背斜部位的寧216井區(qū)。

圖2 長(zhǎng)寧區(qū)塊最小水平主應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2.2 地層壓力預(yù)測(cè)

長(zhǎng)寧區(qū)塊地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果見圖3(ρp為當(dāng)量鉆井液密度)。由圖3可知：地層壓力的預(yù)測(cè)結(jié)果在展布規(guī)律上與地應(yīng)力大致相同，構(gòu)造中心向斜部位地層壓力要高于構(gòu)造背斜部位，即寧201、寧209井區(qū)的地層壓力要高于寧216井區(qū)。

圖3 長(zhǎng)寧區(qū)塊地層壓力模型預(yù)測(cè)結(jié)果

利用實(shí)測(cè)的龍馬溪組地層壓力數(shù)據(jù)驗(yàn)證地層壓力預(yù)測(cè)的可靠性(表3)。由表3可知：地層壓力預(yù)測(cè)值的平均準(zhǔn)確率為91.7%，具有較高的可信度。

表3 長(zhǎng)寧區(qū)塊實(shí)測(cè)地層壓力與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 鉆井液漏失與主控因素響應(yīng)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)了20口井的鉆井液漏失情況，將其與裂縫、地應(yīng)力場(chǎng)及地層壓力場(chǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果疊合，以此分別探究裂縫、地應(yīng)力和地層壓力與鉆井液漏失的響應(yīng)關(guān)系(圖4～6，圖中紅色柱子代表鉆井液漏失次數(shù))。

4.1 裂縫發(fā)育與鉆井液漏失響應(yīng)關(guān)系

鉆井液漏失情況與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果疊合圖見圖4。由圖4可知：鉆井液漏失情況與預(yù)測(cè)的裂縫展布情況有著較好的響應(yīng)關(guān)系；寧216井區(qū)裂縫密度高于寧201井區(qū)和寧209井區(qū)，裂縫分布錯(cuò)綜復(fù)雜，寧216井區(qū)的鉆井液漏失發(fā)生次數(shù)也相應(yīng)高于寧201井區(qū)和寧209井區(qū)。由此可見，裂縫發(fā)育程度是導(dǎo)致長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失平面分布不均的重要原因之一。

圖4 長(zhǎng)寧區(qū)塊裂縫分布與鉆井液漏失疊合圖

4.2 地應(yīng)力與鉆井液漏失響應(yīng)關(guān)系

鉆井液漏失情況與地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果疊合圖見圖5。由圖5可知：地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井液漏失情況響應(yīng)關(guān)系較好，地應(yīng)力高的部位鉆井液漏失次數(shù)要少于地應(yīng)力低的部位。構(gòu)造高部位地層埋藏淺，地應(yīng)力較低，裂縫開啟、延伸和井壁破裂壓力的閾值均較低，導(dǎo)致鉆井液漏失頻發(fā)；構(gòu)造低部位地層埋藏深，地應(yīng)力較大，裂縫開啟、延伸和井壁破裂壓力的閾值均較高，鉆井液漏失不易發(fā)生。由此可見，長(zhǎng)寧區(qū)塊地應(yīng)力的分布規(guī)律與鉆井液漏失同樣關(guān)系密切，響應(yīng)度高。

4.3 地層壓力與鉆井液漏失響應(yīng)關(guān)系

鉆井液漏失情況與地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果疊合圖見圖6。由圖6可知：地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井液漏失情況響應(yīng)關(guān)系較好，鉆井液漏失頻發(fā)的寧216井區(qū)地層壓力較低，鉆井液漏失次數(shù)較少的寧209井區(qū)地層壓力較高?？梢婇L(zhǎng)寧區(qū)塊地層壓力的分布規(guī)律同樣是影響鉆井液漏失的因素之一。

綜合以上響應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證結(jié)果可知，裂縫發(fā)育情況和地應(yīng)力、地層壓力分布是長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失的重要影響因素。鉆井液失情況嚴(yán)重的位置通常裂縫發(fā)育、地應(yīng)力和地層壓力??；反之，裂縫發(fā)育程度低、地應(yīng)力和地層壓力大的位置鉆井液漏失次數(shù)通常相對(duì)較少。

圖5 長(zhǎng)寧區(qū)塊地應(yīng)力場(chǎng)與鉆井液漏失疊合圖

圖6 長(zhǎng)寧區(qū)塊地層壓力場(chǎng)與鉆井液漏失疊合圖

5 鉆井液漏失防控措施

基于上文研究結(jié)果，結(jié)合長(zhǎng)寧區(qū)塊裂縫發(fā)育情況、地應(yīng)力與地層壓力分布規(guī)律，提出以下鉆井液漏失防控措施。

(1) 構(gòu)造高部位裂縫發(fā)育，鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)高，結(jié)合裂縫發(fā)育情況，科學(xué)合理部署井位，優(yōu)化設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可做到有效預(yù)防。

(2) 地應(yīng)力影響閉合裂縫擴(kuò)展性漏失的臨界壓力，結(jié)合長(zhǎng)寧區(qū)塊地應(yīng)力分布特征，明確閉合裂縫的開啟臨界壓力與裂縫延伸臨界壓力，為確定龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井液密度窗口上限值提供科學(xué)依據(jù)，有效控制鉆井液密度低于最小水平地應(yīng)力，降低閉合裂縫擴(kuò)展性漏失發(fā)生概率。

(3) 對(duì)于溶洞及張開型裂縫，主要發(fā)生壓差性鉆井液漏失，壓差性鉆井液漏失與地層壓力密切相關(guān)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪組地層壓力分布特征，可為不同構(gòu)造位置、不同井區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖地層鉆井液密度窗口下限值的確定提供依據(jù)，采用精細(xì)控壓鉆井與近平衡鉆井技術(shù)，可有效降低壓差性鉆井液漏失發(fā)生概率。

6 結(jié) 論

(1) 長(zhǎng)寧區(qū)塊深層頁(yè)巖鉆井液漏失情況突出，在平面上及縱向上分布范圍較廣，涵蓋多個(gè)井區(qū)及地層，長(zhǎng)寧區(qū)塊鉆井液漏失頻發(fā)與裂縫、地應(yīng)力以及地層壓力均具有較高響應(yīng)關(guān)系。

(2) 張開型裂縫的壓差性漏失與裂縫發(fā)育、地層壓力相關(guān)。長(zhǎng)寧區(qū)塊構(gòu)造低部位，地層埋藏深、裂縫發(fā)育程度低，地層壓力高，且漏失臨界壓力高，因此，構(gòu)造低部位壓差性漏失情況不突出；區(qū)塊構(gòu)造高部位，地層埋藏淺，裂縫發(fā)育程度高，地層壓力低，且漏失臨界壓力低，因此，構(gòu)造高部位壓差性漏失情況嚴(yán)重。

(3) 閉合裂縫擴(kuò)展性漏失與地應(yīng)力相關(guān)。長(zhǎng)寧區(qū)塊構(gòu)造低部位地層埋藏深，地應(yīng)力高，閉合裂縫張開與延伸難度大，閉合裂縫擴(kuò)展性漏失發(fā)生困難，鉆井液漏失情況不突出；構(gòu)造高部位地層埋藏淺，地應(yīng)力低，閉合裂縫張開與延伸相對(duì)容易，因此，構(gòu)造高部位閉合裂縫擴(kuò)展性漏失情況嚴(yán)重。