基于數(shù)據(jù)分析的隨鉆井壁穩(wěn)定技術(shù)研究與應(yīng)用

摘 要：為分析某3井在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到大量井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致兩次卡鉆事故的問(wèn)題，以井壁失穩(wěn)與卡鉆機(jī)理分析為目標(biāo)，通過(guò)鄰井資料審核，對(duì)測(cè)井、鉆井等資料的適用性和完整性進(jìn)行檢查，基于數(shù)據(jù)情況建立一維巖石力學(xué)模型，得到該區(qū)域東營(yíng)組存在明顯超壓，最大孔隙壓力為1.4～1.5 g/cm3，建立一套基于有限量歷史數(shù)據(jù)資源且工程可操作的井壁穩(wěn)定分析方法。以此指導(dǎo)鉆井作業(yè)，減少?gòu)?fù)雜情況及事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：歷史數(shù)據(jù)；井壁穩(wěn)定；工程可操作；分析方法；數(shù)據(jù)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0091-04

Abstract： In order to analyze the problems of two sticking accidents caused by a large number of sidewall instability encountered in a certain 3 well during drilling， aiming at wellbore instability and sticking mechanism analysis， through the examination of adjacent well data， the applicability and integrity of logging and drilling data are checked， an one-dimensional rock mechanics model is established based on the data， and it is found that there is obvious overpressure in Dongying formation in this area， and the maximum pore pressure is 1.4～1.5 g/cm3. A set of workable sidewall stability analysis method based on limited historical data resources is established. In order to guide drilling operations and reduce the occurrence of complex situations and accidents.

Keywords： historical data; wellbore stability; engineering operation; analysis method; data analysis

井壁穩(wěn)定工作是近年來(lái)各石油院校和油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)單位研究的主要內(nèi)容，旨在解決鉆完井過(guò)程中出現(xiàn)的井塌、鉆井液適用性、壓裂等作業(yè)的問(wèn)題。雖然在理論研究層面取得了較多的進(jìn)展，各類(lèi)研究分析模型和機(jī)理認(rèn)識(shí)不斷深入，但真正在鉆井隨鉆過(guò)程中能夠快速轉(zhuǎn)化應(yīng)用，提供積極指導(dǎo)的方案較少，主要原因是研究層面所考慮的邊界條件在數(shù)量和質(zhì)量上在實(shí)際工程中均有較大的局限性。因?yàn)閷?shí)際工程中所擁有的相關(guān)數(shù)據(jù)量是極少的，即便有些已經(jīng)有的數(shù)據(jù)在質(zhì)量方面仍需進(jìn)一步篩選。海洋某3井設(shè)計(jì)井深5 000多米，在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)兩次卡鉆的惡性事故，由于該井為一口調(diào)整井，所在區(qū)塊已有5口歷史井，因此開(kāi)展了基于有限數(shù)據(jù)量的井壁穩(wěn)定分析工作，以指導(dǎo)某3井的鉆井工程任務(wù)。

1 歷史井分析與數(shù)據(jù)篩查

1.1 數(shù)據(jù)的審核

作為研究的第一步，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)審核。其目的是了解已有數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足巖石力學(xué)分析和井壁穩(wěn)定分析的需要。經(jīng)過(guò)對(duì)所提供的數(shù)據(jù)資料（表1）進(jìn)行審核后得到：

1）有5口已鉆歷史井（1井、2井、A2井、A5井和A6井），有部分井段的聲波縱波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和井徑數(shù)據(jù)，有4口井（除1井外）有密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

2）除1井和2井外，其他井均有鉆井工程日志及隨鉆巖屑錄井剖面。

3）五系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室?guī)r心實(shí)驗(yàn)資料。

4）某3井在側(cè)鉆后的第二個(gè)井眼段3 635～4 610 m開(kāi)展了套管內(nèi)偶極聲波及密度測(cè)井。

1.2 研究目標(biāo)井的選擇

根據(jù)所在井區(qū)歷史5口井和事故井某3井之間的靶點(diǎn)距離位置關(guān)系，選擇1井、2井、A5井和A6井為關(guān)鍵研究鄰井，構(gòu)建巖石力學(xué)模型，并開(kāi)展井壁穩(wěn)定分析驗(yàn)證一維模型，隨后把模型映射到事故井A3井原井眼、側(cè)鉆后第一井眼和側(cè)鉆后第二井眼，開(kāi)展井壁穩(wěn)定分析及井壁破壞機(jī)理分析。

2 一維精細(xì)建模

要進(jìn)行井壁穩(wěn)定分析，需要建立力學(xué)模型，但限于實(shí)際工程資料量的限制，一維模型是可操作的。第一步是進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析評(píng)估以了解已有數(shù)據(jù)的可靠性，然后對(duì)統(tǒng)計(jì)可靠數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，對(duì)現(xiàn)有井出現(xiàn)的與巖石力學(xué)有關(guān)的鉆井事故進(jìn)行識(shí)別和分析，利于理論的破壞機(jī)理分析，也為模型提供標(biāo)定數(shù)據(jù)[1-4]。隨后利用已有數(shù)據(jù)確定巖石力學(xué)相關(guān)參數(shù)，包括彈性模量、上覆巖石壓力、孔隙壓力、巖石強(qiáng)度、應(yīng)力方向、最大和最小水平主應(yīng)力。在所有巖石力學(xué)參數(shù)確定后，可進(jìn)行井壁穩(wěn)定分析[5-7]。

2.1 井史分析及鉆井復(fù)雜統(tǒng)計(jì)分析

鉆井過(guò)程中可能出現(xiàn)許多類(lèi)型的鉆井事故，這些鉆井事故可能源于不同的起因。在這些不同的鉆井事故中，許多可能與巖石力學(xué)有關(guān)，例如井涌、井眼縮徑、井壁坍塌、遇阻/遇卡、卡鉆及泥漿漏失等[8-10]。通過(guò)對(duì)1井和2井的鉆井復(fù)雜情況梳理，可以看出鉆井復(fù)雜情況較為相似，主要復(fù)雜情況包括：遇阻/遇卡，漏失，鉆頭泥包-對(duì)應(yīng)于低機(jī)械鉆速，井壁崩落-對(duì)應(yīng)于循環(huán)出大量掉塊。對(duì)A5和A6井鉆井復(fù)雜分析，得出A6所遇到的復(fù)雜情況明顯多于A5井，特別在東二下段有大量的遇卡遇阻。某3井在上部12-1/4″井眼的復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：在鉆井過(guò)程中或在起下鉆過(guò)程中觀察到大量泥巖掉塊返出，表明有明顯的井壁崩落，也可能有潛在的井壁清潔問(wèn)題。在起下鉆過(guò)程中，頻繁遇阻遇卡，導(dǎo)致持續(xù)劃眼。在起下鉆過(guò)程中巖屑封堵導(dǎo)致憋泵、憋扭矩及泥漿漏失。

為了揭示遇阻遇卡產(chǎn)生的原因，將鉆井復(fù)雜情況深度地圖和測(cè)井曲線聯(lián)系，得到遇阻遇卡出現(xiàn)的深度并不是隨機(jī)的，深度和低伽馬和高電阻率巖層深度有較好的一致性。這可以認(rèn)為可能是和砂泥巖互層巖性相關(guān)，因?yàn)樵谠搶游汇@井通過(guò)砂泥巖互層地層時(shí)，砂巖層膠結(jié)較好，可鉆性較差，測(cè)井顯示砂巖層相對(duì)于相鄰泥巖層沒(méi)有擴(kuò)徑或者擴(kuò)徑量較少，形成導(dǎo)致鉆具組合上下時(shí)遇阻和遇卡的臺(tái)階。

某3井在8-1/2井眼的復(fù)雜情況分析。在鉆井過(guò)程中或在起下鉆過(guò)程中觀察到大量泥巖掉塊返出，表明有明顯的井壁崩落，也可能有潛在的井壁清潔問(wèn)題。在鉆井過(guò)程中觀察到了很高的背景氣、后效氣及單根氣，表明所使用的鉆井液密度（1.38～1.43 g/cm3）很可能低于地層孔隙壓力，為欠平衡鉆井。在起下鉆過(guò)程中，頻繁遇阻、遇卡，導(dǎo)致持續(xù)劃眼。在起下鉆過(guò)程中巖屑封堵導(dǎo)致憋泵、憋扭矩及泥漿漏失。在多個(gè)深度段出現(xiàn)可能由于鉆頭泥包導(dǎo)致的低達(dá)低機(jī)械鉆速，鉆速低至1 m/h。

某3井側(cè)鉆后第一井眼復(fù)雜情況分析。在鉆井過(guò)程中或在起下鉆過(guò)程中觀察到大量泥巖掉塊返出，表明有明顯的井壁崩落，也可能有潛在的井壁清潔問(wèn)題。在鉆井過(guò)程中觀察到了很高的背景氣、后效氣及單根氣，表明所使用的鉆井液密度（1.48～1.5 g/cm3）很可能低于地層孔隙壓力，為欠平衡鉆井。在起下鉆過(guò)程中，頻繁遇阻、遇卡，導(dǎo)致持續(xù)劃眼。在起下鉆過(guò)程中巖屑封堵導(dǎo)致憋泵、憋扭矩及泥漿漏失。在多個(gè)深度段出現(xiàn)可能由于鉆頭泥包導(dǎo)致的低達(dá)低機(jī)械鉆速，鉆速低至1 m/h。

通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)分析，得到某3井第二側(cè)鉆井眼和第一側(cè)鉆井眼鉆井復(fù)雜情況類(lèi)似，但復(fù)雜事件的數(shù)量和風(fēng)險(xiǎn)程度明顯降低，同時(shí)得到：在鉆井過(guò)程中的背景氣、后效氣及單根氣大幅降低，說(shuō)明鉆井液密度（1.50～1.55 g/cm3）已經(jīng)足夠平衡地層孔隙壓力。鉆進(jìn)過(guò)程相對(duì)順利，但一開(kāi)始鉆井壁就開(kāi)始失穩(wěn)。例如在5月12日開(kāi)始鉆進(jìn)，15日鉆進(jìn)到4 306 m。循環(huán)在遲到深度4 306 m及4 293 m返出掉塊，16日短起有多處卡點(diǎn)，表明所用鉆井液密度并不足夠抑制井壁崩落。

某3井原井眼和兩次側(cè)鉆所用鉆井液密度和氣測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，如圖1所示?？梢钥闯?，原井眼用1.38～1.43 g/cm3鉆井液密度，第一側(cè)鉆井眼用1.48～1.5 g/cm3均不能有效壓制背景氣、后效氣及單根氣，而第二側(cè)鉆井眼以1.50～1.55 g/cm3的鉆井液密度有效地壓制了后效氣，表明地層壓力在1.48～1.53 g/cm3之間。

2.2 巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算

對(duì)1井、2井、A2井、A5井和A6井開(kāi)展一維巖石力學(xué)建模。

1）彈性參數(shù)。根據(jù)橫縱波速度與巖石力學(xué)參數(shù)的理論關(guān)系，用聲波測(cè)井資料得到縱波和橫波時(shí)差。用密度測(cè)井得到體積密度，可計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)。

2）強(qiáng)度參數(shù)。單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度是計(jì)算井眼穩(wěn)定性的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。主要通過(guò)已有的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算。

3）地層孔隙壓力預(yù)測(cè)。主要采用伊頓法計(jì)算。通過(guò)孔隙壓力計(jì)算結(jié)果，如圖2可知，東二下段下部為超壓和常壓明確分割線。不同井孔隙壓力預(yù)測(cè)結(jié)果不同，表面區(qū)域內(nèi)存在孔隙壓力非均質(zhì)性。最大孔隙壓力系數(shù)在1.4～1.5 g/cm3之間，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致。

4）地應(yīng)力。根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)研究結(jié)論最大水平主應(yīng)力方向N65°E。上覆壓力通過(guò)電纜測(cè)井密度數(shù)據(jù)積分計(jì)算得到，最小水平主應(yīng)力通過(guò)地漏試驗(yàn)計(jì)算得到，最大水平主應(yīng)力通過(guò)井眼圖像和巖石破壞模型標(biāo)定得到。

2.3 井壁穩(wěn)定分析

通過(guò)上述分析，對(duì)于某3井缺乏數(shù)據(jù)的井段，采用鄰井?dāng)?shù)據(jù)遷移的模式，最終得到井壁穩(wěn)定分析結(jié)果，如圖3所示。

1）某3井原井眼的井壁穩(wěn)定分析。井壁穩(wěn)定分析表明在4 100～4 400 m有明顯超壓及井壁崩落風(fēng)險(xiǎn)，超過(guò)一半的鉆井復(fù)雜發(fā)生在4 100～4 400 m的井段，卡鉆及落魚(yú)發(fā)生在相同井段。

2）某3井第一側(cè)鉆井眼。井壁穩(wěn)定分析表明在4 100～4 400 m有明顯超壓及井壁崩落風(fēng)險(xiǎn)，超過(guò)一半的鉆井復(fù)雜發(fā)生在4 100～4 400 m的井段，卡鉆及落魚(yú)發(fā)生在相同井段。

3）某3井第二側(cè)鉆井眼。井壁穩(wěn)定分析表明在4 100～4 400 m有明顯超壓及井壁崩落風(fēng)險(xiǎn)，超過(guò)一半的鉆井復(fù)雜發(fā)生在4 100～4 400 m的井段。

3 工程應(yīng)用建議

綜合前面井壁穩(wěn)定分析的結(jié)果可以看出，要有效地抑制井壁崩落，降低井的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，需要采用足夠的鉆井液密度來(lái)抑制井壁崩落。通過(guò)綜合分析，發(fā)現(xiàn)把鉆井液密度提高到1.6 g/cm3能夠有效抑制井壁崩落，并且低于破裂壓力梯度范圍內(nèi)。從圖3中可以看出，在采用1.6 g/cm3的鉆井液密度之后，在4 300～4 350 m超壓區(qū)仍然會(huì)稍有井壁崩落，但總體情況可控。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某3井及鄰井鉆井復(fù)雜情況和數(shù)據(jù)分析，初步建立了有限數(shù)據(jù)資源條件下工程可操作的井壁穩(wěn)定分析方法，給出了以數(shù)據(jù)為依據(jù)的工程操作鉆井液密度依據(jù)，并得到以下結(jié)論。

1）部分遇阻遇卡點(diǎn)和砂泥互層相關(guān)。這主要是在鉆井通過(guò)砂泥互層的地層時(shí)，泥巖相對(duì)軟弱而砂巖層較為堅(jiān)硬，砂巖層相對(duì)于相鄰泥巖層沒(méi)有擴(kuò)徑或擴(kuò)徑很少，形成導(dǎo)致鉆具組合上下時(shí)遇阻與遇卡的臺(tái)肩。

2）選擇恰當(dāng)?shù)你@井液密度，特別是從井段開(kāi)鉆初期就使用該密度是解決此類(lèi)鉆井挑戰(zhàn)的先決條件。

3）基于已有的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及鉆井日志結(jié)合巖石力學(xué)的方法開(kāi)展井壁穩(wěn)定分析工作是必要的，但如果要進(jìn)一步提高分析精確度，對(duì)于數(shù)量的獲取是必要的，主要包括巖心或者大尺寸掉塊巖石強(qiáng)度分析，評(píng)估層面破壞風(fēng)險(xiǎn)性，開(kāi)展時(shí)間效應(yīng)研究，評(píng)估鉆井液浸泡下時(shí)間的影響。

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第一作者簡(jiǎn)介：蔣天皓（1991-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)楹Ｑ笫豌@完井作業(yè)管理。