準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前構(gòu)造帶鉆井提速研究

朱忠喜，劉穎彪，路宗羽，熊旭東

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100；2.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)受北天山山體隆起造成的擠壓和滑脫作用，形成了大量逆沖推覆體斷層和推覆體褶皺，構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈。該地區(qū)地層自上而下發(fā)育第四系、新近系（獨(dú)山子組、塔西河組和沙灣組）、古近系（安集海河組、紫泥泉子組）、白堊系及侏羅系。塔西河組、沙灣組、安集海河組和紫泥泉子組地層中，泥巖層段的黏土礦物含量較高，且地層微裂縫充填物基本為蒙脫石（極易發(fā)生水化分散或變形），鉆井過程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)。塔西河組地層易破碎，鉆井時(shí)易發(fā)生井壁崩落、井漏；沙灣組砂巖層段地層滲透性好，鉆井過程中易粘卡。這些問題嚴(yán)重影響了該地區(qū)鉆井速度的提高。目前國內(nèi)外對山前構(gòu)造應(yīng)力引起的井壁失穩(wěn)問題研究較多，但是從巖石理化特性分析井壁失穩(wěn)機(jī)理的研究還很少見。為此，筆者從山前構(gòu)造地應(yīng)力和泥頁巖理化特性入手，分析了鉆井過程中井壁失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理，并在鉆井液體系、鉆井施工方式、提高地層承壓能力等方面給出了相應(yīng)的技術(shù)對策。

1 逆沖推覆體斷層和褶皺的地應(yīng)力特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性源于燕山與喜馬拉雅多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)合，普遍存在逆沖推覆斷層和褶皺帶，其三向應(yīng)力分布為[1］：

式中：σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；σV為垂向主應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa。

在山前構(gòu)造帶附近鉆直井時(shí)，大部分井下故障都是由地應(yīng)力引起的。一般情況下只做粗略計(jì)算，國內(nèi)外常以兩向水平主應(yīng)力差作為衡量地應(yīng)力產(chǎn)生井下故障嚴(yán)重程度的評判指標(biāo)[2］，二者之差可用下式計(jì)算。

式中：R為與斷面摩擦系數(shù)相關(guān)的系數(shù)，與巖石礦物組成和含水量有關(guān)；δ為中間主應(yīng)力計(jì)算系數(shù)，δ＝0～1.0；ρ為上覆巖層平均密度，g／cm3；g為重力加速度，m／s2；z為埋藏深度，m；λ為地層流體壓力與上覆巖層壓力之比，近似取0.4。

根據(jù)該地區(qū)西5井3 000～3 500m井段塔西河組和沙灣組上部地層的測井資料，分析該地區(qū)的地應(yīng)力關(guān)系滿足式（1），水平主應(yīng)力當(dāng)量密度之差達(dá)到1.0g／cm3以上，該井段實(shí)鉆過程中多次發(fā)生井壁垮塌、井漏、阻卡等井下故障。

2 泥巖的巖石力學(xué)特性

塔西河組、安集海河組和紫泥泉子組地層中發(fā)育有大段泥巖或膏泥巖，其黏土礦物含量較高，以伊／蒙混層為主。當(dāng)泥巖和膏巖含水時(shí)，具有較強(qiáng)的流變性，即當(dāng)外載恒定時(shí)巖石發(fā)生持續(xù)變形[3-4］。鉆井時(shí)，在地應(yīng)力不發(fā)生變化的情況下，井眼在一定鉆井液液柱壓力與地應(yīng)力差作用下，會(huì)發(fā)生持續(xù)變形。

2.1 流變性地層的井壁穩(wěn)定性

流變性地層主要分流變性流體和流變性固體兩種類型[5-6］。

埋藏深或高溫下的鹽巖、軟泥巖屬流變性流體。當(dāng)鉆井液密度較低時(shí)，井眼會(huì)一直縮徑變形，直至井眼閉合?？s徑值與時(shí)間成正比，鉆井過程中主要表現(xiàn)為卡鉆頭，即鉆進(jìn)時(shí)卡鉆頭或剛鉆過井段上提鉆頭即遇卡。提高鉆井液密度及勤劃眼或倒劃眼可維持鉆進(jìn)，但起完鉆后再下鉆會(huì)遇阻。

大部分鹽巖、富含水的泥巖屬流變性固體，其蠕變速率隨時(shí)間而變小，經(jīng)較長時(shí)間后蠕變停止。對鉆井的影響與流變性流體相似，僅嚴(yán)重程度有所差異。鉆進(jìn)過程中勤劃眼和短起下鉆，適當(dāng)擴(kuò)大井徑可維持鉆進(jìn)。邊鉆進(jìn)邊擴(kuò)眼，在一定起下鉆時(shí)間內(nèi)的縮徑不會(huì)導(dǎo)致卡鉆頭。同一裸眼段在縮徑段用較大尺寸的鉆頭，縮徑段以下用較小尺寸的鉆頭，這樣起下較小尺寸的鉆頭就不會(huì)遇阻卡。

2.2 蠕變速率的影響因素

2.2.1 傾斜地層中流變性巖石蠕變速率

在鉆進(jìn)高陡構(gòu)造流變性地層時(shí)，沿地層傾向的蠕變速率可表示為[2］：

式中：s為面積蠕變速率，相當(dāng)于井眼面積的縮小率；c為巖石凝聚力，MPa；h為蠕變地層厚度，m；ηT為蠕變地層的黏性系數(shù)，它是絕對溫度T的函數(shù)，反映巖體易蠕變的程度；α為地層傾角，（°）。

由式（3）可知，蠕變速率與蠕變地層厚度的平方成正比，這是鉆進(jìn)厚鹽層（如安集海河組）時(shí)縮徑嚴(yán)重的主要原因之一；地層傾角對蠕變速率的影響也較大，在高陡構(gòu)造鉆進(jìn)膏泥巖或其他軟泥巖時(shí)，縮徑速率很高。

2.2.2 水平地應(yīng)力對蠕變速率的影響

兩向水平地應(yīng)力差對蠕變速率的影響可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式[6-7］計(jì)算。

式中：ε為蠕變率；A，Ep和n為與巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；R為氣體常數(shù)，R＝3.145kJ／（mol·K）。

根據(jù)西5井的測井?dāng)?shù)據(jù)，對該井鉆遇地層的塑性力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演，計(jì)算了井深3 200m附近地層的蠕變速率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 西5井塔西河組地層蠕變模擬Fig.1 Simulation of formation creep in Well Xi 5for Taxihe group

由圖1可知，該井井深3 200m附近縮徑嚴(yán)重，尤其在最初15h內(nèi)縮徑速度較快，與現(xiàn)場實(shí)鉆情況吻合。

2.3 井壁巖石崩落掉塊機(jī)理

井眼崩落掉塊與地層巖石的連續(xù)性有直接關(guān)系，不同巖性組合所呈現(xiàn)出的巖石崩落掉塊形式不同。當(dāng)巖體為連續(xù)介質(zhì)時(shí)，井眼長軸方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，短軸方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向（見圖2a），井壁破壞機(jī)理為屈服破壞。當(dāng)巖體為破碎性介質(zhì)時(shí)，井眼長軸方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向，短軸方向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向（見圖2b），與連續(xù)性巖體呈現(xiàn)的應(yīng)力方向正好相差90°，井壁破壞機(jī)理為節(jié)理、斷層面滑移及崩落。當(dāng)巖體為破碎性介質(zhì)時(shí)，在最大水平主應(yīng)力方向，井壁周向應(yīng)力較小，甚至為張應(yīng)力，不合適的鉆井液配方會(huì)加劇該方向的崩落[7］。

圖2 兩類巖體的橢圓井眼方向Fig.2 Elliptical hole direction of two types of rocks

分析西5井塔西河組及其以淺部分地層認(rèn)為，受地應(yīng)力影響可形成破碎性巖體，致使井眼崩落掉塊。其玫瑰圖長軸沿最大水平地應(yīng)力方向，見圖3。

圖3 西5井井眼崩落掉塊玫瑰圖Fig.3 Rose diagram of borehole sloughing for Well Xi 5

2.4 塔西河組及安集海河組上部地層泥巖特性

已鉆井塔西河組、安集海河組地層的礦物組分及理化特性資料見表1。另外，對該地區(qū)獨(dú)深1井安集海河組、西4井安集海河組、西5井塔西河組的泥頁巖進(jìn)行了膨脹試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

表1 塔西河組和安集海河組地層巖礦分析Table 1 Rock and mineral analysis of Taxihe groups and Anjihaihe groups in southern Junggar Basin

由表1和圖4可知，塔里河組和安集海河組上部地層中，黏土含量較高，且以伊／蒙混層為主；泥頁巖遇水膨脹速度非?？?，膨脹率較高，具有強(qiáng)水敏性。

對安4井、西4井和西5井的巖樣進(jìn)行了清水滾動(dòng)回收試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，塔西河組、安集海河組地層的巖心滾動(dòng)回收率較低，最低只有3.00%，說明該地層巖石水化分散性強(qiáng)，分散速度快，鉆井過程中容易出現(xiàn)縮徑卡鉆現(xiàn)象。

圖4 頁巖膨脹試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of shale swelling experiment

表2 巖心滾動(dòng)回收率試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of core rolling recovery experiment

3 提速技術(shù)對策

3.1 增強(qiáng)長裸眼井段局部承壓能力

山前構(gòu)造帶地層水平地應(yīng)力差較大，巖石破碎性較強(qiáng)，因此地層存在微裂隙，地層水平方向滲透率差異大，地層承壓能力低，易發(fā)生井漏。鉆井過程中，特別是長裸眼段鉆進(jìn)中，需要強(qiáng)化地層的承壓能力，降低發(fā)生井漏的概率。目前，國內(nèi)外增強(qiáng)地層局部承壓能力的技術(shù)主要有試壓堵漏和膨脹管補(bǔ)貼兩種：1）試壓堵漏，對可疑漏層試壓，若發(fā)生漏失，則擠入堵漏劑，可顯著提高地層承壓能力；2）膨脹管補(bǔ)貼，下入帶暫時(shí)密封的可膨脹管，同時(shí)注水泥，也可提高地層承壓能力。

3.2 提高鉆井液的抑制性和封堵能力

在高陡構(gòu)造地層中，存在膏泥巖或其他軟泥巖時(shí)，巖石蠕變速率較高，井眼縮徑較快，且當(dāng)?shù)貙又兴粜缘V物含量較高時(shí)水化分散性強(qiáng)，在鉆井過程中加強(qiáng)鉆井液的抑制性和封堵能力是減小井眼縮徑的重要手段。為提高鉆井液的封堵能力，可以加入瀝青材料，但應(yīng)嚴(yán)格控制其加量、軟化點(diǎn)和細(xì)度。要提高鉆井液的抑制性，可以加入聚合醇，使鉆井液及濾液在裂縫或節(jié)理面上吸附，并使裂縫面產(chǎn)生潤濕反轉(zhuǎn)，裂縫面由親水變?yōu)橛H油，從而阻止水的進(jìn)一步深入，避免造成泥頁巖水化膨脹等情況[8-9］。在對多種鉆井液體系進(jìn)行室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為鉀鈣基聚磺鉆井液、有機(jī)鹽（聚合醇）鉆井液和PRT鉆井液適合于準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)復(fù)雜地層鉆井。

3.3 降低破碎性地層動(dòng)力失穩(wěn)概率

動(dòng)力失穩(wěn)指井內(nèi)壓力激動(dòng)和鉆柱碰撞、拖曳造成的掉塊坍塌。緩解井壁動(dòng)力失穩(wěn)的措施有：1）采用雙中心PDC鉆頭，鉆進(jìn)過程中不需要?jiǎng)澭?，不進(jìn)行短起下鉆；2）采用柔性方式開或停鉆井泵，先開轉(zhuǎn)盤后開鉆井泵；3）下部鉆柱不加穩(wěn)定器，控制起下鉆速度，保持起下鉆速度均勻、平穩(wěn)，不能過快；4）調(diào)整鉆井液性能，實(shí)現(xiàn)環(huán)空高返速，但避免出現(xiàn)紊流，以減輕對井壁的沖刷、減小井筒壓力波動(dòng)。

3.4 復(fù)雜地層選用隨鉆擴(kuò)眼鉆頭

選用隨鉆擴(kuò)眼鉆頭，對縮徑、掉塊坍塌和具有厚泥餅的砂巖井段有利，有利于防阻卡。在安集海河組巨厚鹽層進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼，使鉆出的井眼稍大于鉆頭尺寸，可以避免起下鉆阻卡，還能增大環(huán)空間隙。大環(huán)空間隙可以減少壓力激動(dòng)引起的井塌、井漏及抽汲引起的溢流，也有利于下套管和提高固井質(zhì)量。常規(guī)井身結(jié)構(gòu)下使用的隨鉆擴(kuò)眼鉆頭有φ244.5mm×342.9mm、φ215.9mm×250.8mm 和φ152.4mm×177.8mm。

3.5 優(yōu)選PDC鉆頭與螺桿配合

螺桿配合PDC鉆頭鉆具組合已經(jīng)成為鉆井提速的一條重要途徑[10-12］。在深井和超深井鉆井中，該鉆具組合能夠大大減少鉆頭用量和起下鉆次數(shù)，尤其是當(dāng)?shù)貙右装l(fā)生蠕變縮徑、破碎掉塊、井漏等情況時(shí)，采用螺桿與PDC鉆頭配合的鉆具組合，提高鉆井效率非常有效。因此，在準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)鉆井時(shí)，根據(jù)該地區(qū)地層特性和PDC鉆頭使用情況，對PDC鉆頭進(jìn)行了優(yōu)選，為鉆井提速和減少井下故障提供了條件。

4 實(shí)鉆效果評價(jià)

西湖1井是準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前構(gòu)造帶上的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，實(shí)鉆井深6 268m，采用四開井身結(jié)構(gòu)，其鉆井工程設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)是根據(jù)上述分析結(jié)果及技術(shù)對策進(jìn)行的。

1）從二開井段開始，全井使用PRT有機(jī)鹽鉆井液，因其具有較強(qiáng)的抑制性和封堵能力，有效減少了井壁巖石吸水膨脹造成的井壁失穩(wěn)情況。

2）在二開井段塔西河組、沙灣組、安集海河組地層及三開井段紫泥泉子組地層鉆進(jìn)過程中，雖然阻卡井段較多，但通過逐漸提高鉆井液密度、優(yōu)化鉆井液性能、對長裸眼井段進(jìn)行試壓堵漏等措施，提高了局部漏失層的承壓能力。二開井段的鉆井液密度由1.41kg／L逐步提高到1.75kg／L，三開井段鉆井液密度由2.05kg／L逐步提高到2.09kg／L，鉆井過程較為順利，沒有出現(xiàn)井漏情況。

3）全井以螺桿＋PDC鉆頭的鉆具組合為主，平均機(jī)械鉆速達(dá)到3.00m／h，鉆井過程中以快保安全，未出現(xiàn)明顯縮徑等問題。

4）全井施工采取了緩解井壁動(dòng)力失穩(wěn)的措施，井內(nèi)未出現(xiàn)壓力激動(dòng)和鉆柱碰撞、拖曳造成的坍塌掉塊等問題。

表3為西湖1井與其他已鉆鄰井的鉆井時(shí)效對比。

表3 西湖1井與鄰井的鉆井時(shí)效對比Table 3 Comparison of drilling efficiency between Well Xihu 1and its offset wells

由表3可知，西湖1井完鉆井深最深，但鉆井周期最短。如與西5井相比，西湖1井的井深增加20.5%，但井下故障大幅減少，鉆井周期縮短11.9%，效果明顯。由此可以認(rèn)為，通過分析地層力學(xué)特性提出的鉆井提速方法和技術(shù)，能夠全面克服準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前構(gòu)造帶鉆井機(jī)械鉆速和鉆井時(shí)效偏低的問題。

5 結(jié) 論

1）準(zhǔn)噶爾盆地山前構(gòu)造帶的地應(yīng)力關(guān)系為最大水平主應(yīng)力＞垂向應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力，該應(yīng)力狀態(tài)是造成井壁垮塌和阻卡的主要原因。另外，該地區(qū)安集海河組、塔西河組、紫泥泉子組地層膏泥巖的高蠕變速率是引起井眼縮徑的重要因素。

2）安集海河組、塔西河組、紫泥泉子組地層泥巖中的黏土礦物含量高，水化分散性和膨脹性均較強(qiáng)，采用具有強(qiáng)抑制性和封堵性的PRT鉆井液，可以有效解決地層水敏性問題。

3）實(shí)施試壓堵漏技術(shù)可以提高長裸眼井段局部層位的承壓能力；對易縮徑和垮塌地層，優(yōu)選PDC鉆頭，并與螺桿鉆具配合，既可以縮短鉆井周期，又可以實(shí)現(xiàn)以快保安全的鉆井效果。

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