大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)分析及研究

謝志濤，劉 斌，武少一，楊 鵬，陽中華，李 斌

(1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.長江大學油氣鉆采工程湖北省重點實驗室；3.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院；4.中國石化河南油田分公司油氣技術處；5.中國石油長慶油田分公司第二采油技術服務處；6.中國石油青海油田分公司采油二廠)

大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)分析及研究

謝志濤1,2，劉 斌3，武少一4，楊 鵬1,2，陽中華5，李 斌6

(1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.長江大學油氣鉆采工程湖北省重點實驗室；3.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院；4.中國石化河南油田分公司油氣技術處；5.中國石油長慶油田分公司第二采油技術服務處；6.中國石油青海油田分公司采油二廠)

分析了大北-克深區(qū)塊鉆井過程中發(fā)生的主要復雜情況及層位，從物理、化學因素研究了該區(qū)塊井壁失穩(wěn)的機理，研究結果表明，黏土礦物含量和伊蒙混層所占比例較高以及巖石微裂縫發(fā)育是井壁失穩(wěn)的主要原因。為此，計算出了地層坍塌壓力，同時根據(jù)巖石力學理論確定了破裂壓力，進而確定了該區(qū)塊的安全泥漿密度窗口。研究結果在DB-10井獲得了較好的應用效果，大大減少了井徑擴大和阻卡問題的發(fā)生。

大北-克深區(qū)塊；井壁穩(wěn)定；泥漿密度窗口

大北-克深區(qū)塊位于庫車坳陷克-依構造帶東部的卡拉蘇構造帶。為了解大北-克深區(qū)帶鉆井過程中的主要復雜情況，收集了大北-克深區(qū)帶大北1井、大北2井等20余口井的鉆完井和井史等資料，并對該地區(qū)鉆井過程中的各類復雜情況和鉆井事故進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊鉆進過程中井壁穩(wěn)定性較差，導致復雜情況較多，嚴重影響了鉆井作業(yè)時間和鉆進效率。本文對該區(qū)塊井壁失穩(wěn)機理展開研究分析，同時根據(jù)測井資料和經(jīng)驗公式確定了該區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力。

1 井壁失穩(wěn)機理分析[1-4]

根據(jù)大北-克深各層位復雜情況，繪制了該區(qū)塊各層位出現(xiàn)復雜情況頻數(shù)分布圖(圖1)。從中可以看出，復雜情況出現(xiàn)的主要層位在庫車組、庫姆格列木組和巴什基奇克組，其主要復雜情況是阻卡和井漏。

圖1 大北-克深區(qū)帶各層位復雜情況頻數(shù)統(tǒng)計

1.1 地層礦物X射線衍射分析

為了研究大北-克深區(qū)塊的深部地層的礦物組成，對深部巖樣進行了礦物X射線衍射定量分析和黏土礦物X-衍射分析，結果表明：深部地層中黏土礦物含量為10%～50%。黏土礦物中伊蒙混層含量為40%～60%，伊利石和綠泥石的含量為20%～30%，深部地層中的水敏性黏土礦物含量較大，使得地層極易水化膨脹，導致井壁失穩(wěn)。

1.2 巖樣掃描電鏡分析

對大北-克深區(qū)塊巖樣電鏡分析結果表明：深部地層的泥頁巖局部表面微細孔隙較發(fā)育，部分相互連通；深部地層的泥頁巖微裂縫比較發(fā)育，外來流體的侵入，導致表面水化引發(fā)了井壁失穩(wěn)。

1.3 鑄體薄片分析

對薄片圖像分析結果表明，該井段巖石成分以泥晶白云石為主，具紋層構造，晶間孔少，內未見可測孔隙；可見一定數(shù)量微裂縫，其中部分被泥質充填，順層理分布。

1.4 地層失穩(wěn)機理分析

通過X射線衍射、掃描電鏡以及鑄體薄片分析可以確定大北-克深區(qū)塊的失穩(wěn)機理是：黏土礦物含量高，部分地層甚至達到50%，其中伊蒙混層、伊利石和綠泥石所占比例較高，部分層位含有易溶解變形的鹽膏層，易于水化。其黏土礦物組成呈多樣性和非均勻性，使得地層巖石水化后局部應力失衡、坍塌掉塊；深部地層巖石中微裂縫較為發(fā)育，孔隙部分發(fā)育，給水分子浸入巖石提供了通道，水分子與巖層接觸發(fā)生水化作用，致使巖層發(fā)生水化膨脹和分散，尤其是微裂縫發(fā)育，使得水分子更容易進入巖層內部，導致水化作用更加強烈，從而造成井壁失穩(wěn)問題發(fā)生[5-7]。

2 地層坍塌壓力和破裂壓力的確定

井壁失穩(wěn)的判定準則是比較井壁應力與強度。井壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)在以下兩個方面：泥漿密度太大時，就會發(fā)生拉伸破壞，導致地層壓破；泥漿密度太小時，就會發(fā)生剪切破壞，導致地層坍塌或縮徑。因而，在現(xiàn)場實鉆過程中，需要確定一個合適的泥漿密度窗口來確保鉆井作業(yè)的順利完成，其上限為破裂壓力Pf，下限為坍塌壓力Pc。

在巖石力學研究中，判定巖石是否發(fā)生剪切破壞常用庫倫摩爾準則，其判定條件是巖石發(fā)生剪切破壞時，其破壞面上的剪切力大于巖石內聚力與巖石破壞面的內摩擦之和，在此條件下，坍塌壓力的計算模型為：

(1)

式中：H——井深，m；ρm——鉆井液密度，g/cm3；C——巖石的黏聚力，MPa；η——應力非線性修正系數(shù)；σh1、σh2——水平方向的地應力，MPa；pp——地層壓力，MPa。

地層破裂壓力是在井內液柱壓力作用下，使得井眼某處裸露地層裂開或使得原有裂縫再次裂開的壓力，其主要原因是井內鉆井液密度過大時，井壁處的剪切力就會轉變成拉應力，拉應力超過巖石的抗拉強度所造成的。

假定井眼初始狀態(tài)是處于平面應變狀態(tài)下，依據(jù)巖石力學準則，在非均勻地應力作用條件下破裂壓力的計算模型為：

(2)

式中：Pf——破裂壓力，MPa；Q——構造應力系數(shù)；Pp——地層孔隙壓力，MPa；St——地層抗拉強度，kN/mm2；σV——上覆地層壓力，MPa；μ——泊松比；α——有效應力系數(shù)。

結合公式(1)、(2)以及大北-克深區(qū)塊實鉆資料和測井資料，可以計算出該區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力當量密度值，進而結合實鉆情況確定該區(qū)塊的安全鉆進泥漿密度窗口(表1)。

表1 各層位推薦的安全泥漿密度窗口 g/cm3

總體上，大北、克深區(qū)帶地層坍塌壓力和地層破裂壓力當量密度均呈增加趨勢，上部地層泥漿密度窗口較大，而蘇維依組下部和庫姆格列木組坍塌壓力急劇增大，泥漿密度窗口狹窄，庫姆格列木組之后泥漿密度窗口又變大，因此，建議蘇維依組下部和庫姆格列木組鉆進時，參照鄰井的安全泥漿密度窗口，選擇合適的泥漿密度和泥漿體系，預防或減輕膏鹽層縮徑引起的阻、卡復雜情況的發(fā)生。

3 應用舉例

DB-10井是在大北-克深區(qū)塊鉆進的一口評價井。在鉆進過程中，淺中部地層發(fā)生復雜情況較多，其中，阻卡次數(shù)高達41次。庫車組巖性為泥巖、砂巖，康村組巖性為層狀泥巖、粉砂巖和泥質粉砂巖。實鉆中，庫車組使用泥漿密度范圍為1.27～1.6 g/cm3,康村組使用泥漿密度范圍為1.52～1.65 g/cm3。其使用的泥漿密度都小于表1所推薦的坍塌壓力當量密度，因而在庫車組和康村組都會發(fā)生了不同程度的坍塌和井徑擴大問題。另外庫車組和康村組為脆性巖石，坍塌掉塊在井內還會導致阻卡情況的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場測井資料統(tǒng)計的結果，在兩個層位都發(fā)生了不同程度的井眼擴大。因此，在中下部地層鉆進中，按照推薦安全密度窗口，結合地層巖性，重新調配了鉆井液，其泥漿密度為1.82～1.93 g/cm3?，F(xiàn)場實鉆情況表明，在蘇維依組、庫姆格列木組和巴什基奇克組鉆進中都沒有發(fā)生阻卡情況。且測井資料顯示，井徑擴大較小，且有效地解決了該井阻卡的問題。

4 結論與建議

(1)統(tǒng)計分析了大北-克深區(qū)塊鉆井過程中主要復雜情況是阻卡和井漏，其主要層位在深部地層。

(2)大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)的內在原因主要表現(xiàn)在兩個方面，一是黏土礦物含量較高，同時黏土礦物中伊蒙混層、伊利石和綠泥石的含量較高，并含有易溶解和變形的膏巖層，易水化；二是地層裂縫較發(fā)育，一定程度上增強了水化作用，加大了井壁失穩(wěn)的幾率。

(3)根據(jù)計算模型確定了大北-克深區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力，并確定了該區(qū)塊的安全泥漿密度窗口。這些技術在DB-10井進行了應用，有效地避免了阻卡等復雜事故的發(fā)生，并控制了井徑擴大問題。

(4)建議對現(xiàn)場使用泥漿進行性能試驗，結合地層特性確定適合大北-克深區(qū)塊的泥漿體系，同時根據(jù)泥漿密度窗口選擇適合該區(qū)塊安全鉆進的泥漿密度。

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編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)01-0113-03

2014-08-15；改回日期：2014-10-10

謝志濤，1988年生，2011年畢業(yè)于長江大學石油工程學院，在讀碩士研究生，現(xiàn)主要從事油氣井工程技術研究。

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