碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性研究

蒲軍宏，張 成，馬金凱，王 軍，雷 剛

（1.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部，四川達(dá)州635000；2.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120）

碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性研究

蒲軍宏*1，張 成2，馬金凱2，王 軍2，雷 剛2

（1.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部，四川達(dá)州635000；2.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司，重慶401120）

四川盆地地層巖性以碳酸鹽巖為主，夾有泥質(zhì)薄層和石膏層，井漏、井噴、卡鉆等鉆井事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了油氣資源的正常開采和開發(fā)。碳酸鹽巖與傳統(tǒng)的泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性情況有所區(qū)別，針對(duì)這些問題，開展了重點(diǎn)井J1井和J2井工區(qū)復(fù)雜巖性地層的鉆井工程及地質(zhì)特征研究，通過對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)、鉆井復(fù)雜情況、水利參數(shù)等進(jìn)行研究及對(duì)比，找出了事故發(fā)生的原因，并針對(duì)該地區(qū)及重點(diǎn)井段提出了相應(yīng)的處理措施，為工程方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為同區(qū)塊以后優(yōu)質(zhì)、安全、高效和低成本鉆井創(chuàng)造先決條件。

碳酸鹽巖；井壁穩(wěn)定；巖石力學(xué)參數(shù)；水利參數(shù)

1 概述

通常井壁穩(wěn)定問題的研究較多地注重于砂泥巖地層，然而在碳酸鹽巖地層中，井壁穩(wěn)定也普遍存在。由于在碳酸鹽巖地層中其泥質(zhì)含量相對(duì)較少，因此在研究該類地層時(shí)，可以不考慮泥頁巖水化的問題，應(yīng)該主要考慮其力學(xué)因素[1-2]。就目前研究現(xiàn)狀而言，國內(nèi)外有許多專家學(xué)者致力于這方面的研究，但是井壁穩(wěn)定仍然是鉆井工程的難題之一。國外許多研究者通過研究井下地應(yīng)力來對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[3-7]。國內(nèi)石油大學(xué)陳勉等人[8-11]，開展了地層壓力預(yù)測(cè)、井眼周圍應(yīng)力場(chǎng)、井壁巖石的坍塌破裂壓力預(yù)測(cè)模式、巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)井計(jì)算模型等方面的研究工作，取得了較大的成果。然而，對(duì)于碳酸鹽巖地層而言，目前國內(nèi)外的研究尚未形成規(guī)范化，其主要存在的難度在于碳酸鹽巖地層的3個(gè)地層壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)難度較大。因此本文通過對(duì)南帕斯區(qū)塊的復(fù)雜層段進(jìn)行井壁穩(wěn)定性研究，并對(duì)2口井進(jìn)行了重點(diǎn)比較，從而提出了相關(guān)處理措施，為同區(qū)塊以后優(yōu)質(zhì)、安全、高效和低成本鉆井創(chuàng)造先決條件。

2 三壓力剖面的建立

J1和J2兩口臨井相距較近，鉆井過程中遇到的問題存在一定的異同，根據(jù)測(cè)井資料和鉆井參數(shù)，對(duì)這兩口井進(jìn)行了重點(diǎn)對(duì)比。其井徑變化如圖1所示。由于該區(qū)塊主要以碳酸鹽巖為主，因此其三壓力計(jì)算公式與常規(guī)泥頁巖計(jì)算有所區(qū)別，其具體計(jì)算方法如下[12]：

2.1 地層壓力計(jì)算模型

碳酸鹽巖地層壓力預(yù)測(cè)模型為：

式中：Pe——有效應(yīng)力，g/cm3；

Vp——縱波速度，km/s；

Ev——體積彈性模量，MPa；

a1、a2、a3、a4——回歸系數(shù)。

在a1、a2、a3、a4確定的情況下，已知聲波測(cè)井速度的情況下，通過上式可以計(jì)算出有效應(yīng)力Pe，然后由下式計(jì)算孔隙壓力。

通過以上理論分析可得出：進(jìn)入碳酸鹽巖層段，縱波速度、橫波速度和體積彈性模量的值都會(huì)明顯的增大，體現(xiàn)出典型的碳酸鹽巖特性。隨著深度的增加，有效應(yīng)力也會(huì)隨之增大，聲波速度也會(huì)增大；對(duì)碳酸鹽巖這類強(qiáng)剛性的巖石，固相骨架相對(duì)于流體來說不可壓縮，骨架的體積彈性模量遠(yuǎn)大于流體的體積彈性模量，根據(jù)Biot波動(dòng)方程，得出縱波速度是關(guān)于骨架體積彈性模量的函數(shù)，孔隙流體對(duì)聲波速度的影響可以忽略。

2.2 坍塌壓力和漏失壓力的計(jì)算模型

聲波測(cè)井可以求得地層的強(qiáng)度參數(shù)C0、φ值，若假設(shè)地層的破裂服從庫侖準(zhǔn)則（對(duì)硬脆性泥頁巖,該準(zhǔn)則比較適用），則根據(jù)井壁中的力學(xué)分析可以得到井壁坍塌時(shí)的鉆井液密度：

圖1 J1井和J2井井徑變化的關(guān)系

H——井深，m；

ρi——鉆井液密度，g/cm3；

C0——巖石的粘聚力，MPa；

η——非線性修正系數(shù)；

σH、σh——水平地應(yīng)力，MPa。

因此只要根據(jù)聲波測(cè)井、γ測(cè)井及密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)再利用下面公式求得C0、φ值后，代入上式即可得井壁坍塌時(shí)的鉆井液密度，亦即可作出井壁坍塌時(shí)的壓力剖面曲線。

式中：A——與巖石性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；

μd——靜態(tài)泊松比；

m、n、a、b——取決于巖性的常數(shù)；

μso——單軸靜態(tài)泊松比；

Pc——圍壓。

3 重點(diǎn)井對(duì)比情況分析

由于工區(qū)鉆井過程中出現(xiàn)多處漏失，而且部分層段發(fā)生全部漏失，因此屬于易漏地層。

現(xiàn)場(chǎng)工程設(shè)計(jì)常常用坍塌壓力梯度、孔隙壓力梯度與破裂壓力梯度構(gòu)成可用鉆井液密度區(qū)間，從而形成安全鉆井液密度窗口。這三條曲線構(gòu)成的安全窗口并不能完全預(yù)防相應(yīng)的井下復(fù)雜事故，尤其是井漏事故的發(fā)生。漏失壓力梯度作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的物理量，應(yīng)該引起足夠的重視，并將其加入到安全鉆井液密度窗口分析中去，成為井下事故分析的第四條曲線，或是替代破裂壓力曲線。一般漏失壓力都明顯小于破裂壓力，在漏失壓力和破裂壓力之間存在一個(gè)漏失區(qū)間，因此使用坍塌壓力梯度、孔隙壓力梯度和漏失壓力梯度確定安全密度窗口更加合理。

從所繪制的三壓力剖面圖（圖2所示）可看出J1井坍塌壓力剖面變化過于陡峭，而泥漿密度在2320～2400m時(shí)存在多個(gè)數(shù)值，這不論是在理論上還是對(duì)比工程情況均是不合理的。在中部與上部井段坍塌非常嚴(yán)重，但是泥漿密度幾乎都高于且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于坍塌壓力，按此則應(yīng)該為此段地層會(huì)很穩(wěn)定不易發(fā)生坍塌，但根據(jù)井徑曲線顯示此段地層井眼擴(kuò)徑非常明顯，這嚴(yán)重與實(shí)際情況存在較大的偏差。而J2井泥漿密度全程均大幅高于坍塌壓力，但是根據(jù)報(bào)告中井徑曲線可知在上部與下部井段均存在不同成都的垮塌，這也嚴(yán)重與實(shí)際情況不服。

坍塌壓力剖面的建立跟孔隙壓力的大小有著直接的關(guān)系，這表明孔隙壓力的求取方法在理論上是不科學(xué)的，所以可能存在著較大程度的偏差。因而根據(jù)孔隙壓力所求出的坍塌壓力也會(huì)存在影響。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井徑曲線的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)三壓力剖面很難從理論上解釋坍塌的原因，甚至和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相違背。這是因?yàn)樘鷫毫蛶r石力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比等）、鉆井液體系、鉆井參數(shù)等都是息息相關(guān)的，而許多參數(shù)都是在不斷變化的。從下面對(duì)比圖中可以看出，在大部分井底泵壓和排量增大時(shí)，泥漿對(duì)井壁的沖刷作用增強(qiáng)，使得井壁巖石強(qiáng)度降低，更容易坍塌掉塊。

進(jìn)一步分析2口井的泵壓和排量的變化，即鉆井參數(shù)的影響結(jié)果，如圖3和4所示。J1井16″井段，上部由于鉆頭尺寸變化，泵壓和排量逐漸增加過程中井壁坍塌較為嚴(yán)重，當(dāng)泵壓和排量分別穩(wěn)定在15MPa和3350L/min以后，井徑坍塌現(xiàn)象減少；J2井17-1/2″井段泵壓和排量先降低后升高，在泵壓和排量減低時(shí)，出現(xiàn)了縮徑現(xiàn)象，泵壓達(dá)到20MPa，排量3600L/min后井壁相對(duì)安全。

在12-1/4″井段，J1井泵壓和排量分別為15MPa和2800L/min左右，J2井泵壓和排量分別在22MPa和2550L/min左右，J1井泵壓低于J2井，但排量高于J2井，而且J1井在鉆井過程中鉆桿在井筒內(nèi)劇烈震蕩，故造成了十分嚴(yán)重的井徑擴(kuò)大，J2井相對(duì)較為安全。

8-1/2″井段，地層中有較多粘土和石膏夾層，容易坍塌，在該井段兩口井的排量分別在1000L/min和1300L/min左右，泵壓接近10MPa，2口井的坍塌可能與地層巖性關(guān)系較為密切。

圖2 J1井和J2井三壓力剖面變化的關(guān)系

圖3 J1井和J2井泵壓變化與井徑變化的關(guān)系

4 工程建議及結(jié)論

針對(duì)碳酸鹽巖地層，在充分認(rèn)識(shí)工區(qū)井壁失穩(wěn)影響因素和失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，并結(jié)合施工實(shí)際情況，提出以下井壁穩(wěn)定技術(shù)建議：

（1）在鉆遇易漏失地層的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)部分和全部的鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)，漏失嚴(yán)重。這類地層主要以石灰?guī)r和白云巖為主，多為裂縫或膠結(jié)差的破碎地層，以及鉆井之后井壁發(fā)生破碎型掉塊坍塌而并不太膨脹的地層，這類地層主要包括層理、裂隙發(fā)育的硬脆性地層以及高地應(yīng)力地層。所以，造成鉆井液漏失可能因?yàn)榇祟惖貙恿芽p或膠結(jié)差所導(dǎo)致的，也可能是因鉆井液比重超過了巖石的抗壓強(qiáng)度而造成地層壓裂。

（2）根據(jù)已建立的地層孔隙壓力、坍塌壓力和漏失壓力3個(gè)剖面，在油氣鉆井中選用稍高于地層孔隙壓力的鉆井泥漿密下限值，以平衡井周的應(yīng)力分布。

（3）鉆井液密度值是否合理是衡量鉆井過程中井壁是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一，完善和建立研究區(qū)塊的地層破裂壓力剖面、地層孔隙壓力剖面及地層坍塌壓力剖面，由此確定合理的鉆井液密度，進(jìn)而使鉆井過程有一定的預(yù)見性，對(duì)提高鉆井速度、安全鉆井十分重要。

圖4 J1井和J2井排量變化與井徑變化的關(guān)系

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P634.1

A

1004-5716(2015)12-0025-04

2014-12-18

2015-01-06

蒲軍宏（1983-），男（漢族），四川南充人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工程相關(guān)研究工作。