火成巖地層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

趙洪山，王宗鋼

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）

火成巖地層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

趙洪山*，王宗鋼

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）

準(zhǔn)噶爾盆地深部石炭系地層具有較大的勘探潛力。前期鉆探實(shí)踐表明，石炭系火成巖地層厚度大、巖石堅(jiān)硬、可鉆性極差，導(dǎo)致了該層段鉆進(jìn)過(guò)程中機(jī)械鉆速低、鉆井周期較長(zhǎng)。利用烏參1井的火成巖地層取芯巖樣，開展了巖芯室內(nèi)準(zhǔn)三軸圍壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)，表明40MPa圍壓下火成巖巖石失效表現(xiàn)為脆性斷裂；根據(jù)摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論，通過(guò)對(duì)氣體鉆井發(fā)生井壁失穩(wěn)時(shí)的最大正應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并與上覆地層壓力比較，提出了準(zhǔn)噶爾盆地火成巖地層氣體鉆井的井壁穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析方法，并據(jù)此得到了準(zhǔn)噶爾盆地埋深小于6110m的石炭系火成巖地層均可以嘗試氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用的結(jié)論。研究成果為實(shí)施氣體鉆井解決石炭系深探井火成巖井段的鉆井提速瓶頸問(wèn)題提供了理論依據(jù)。

氣體鉆井；井壁穩(wěn)定；斷裂準(zhǔn)則；火成巖；巖芯實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)噶爾盆地深部石炭系地層勘探潛力較大，尤其是近年來(lái)在石炭系地層中發(fā)現(xiàn)了石西油氣田、滴西氣田等多個(gè)油氣田，中石化為此部署了烏參1井、紅1等多口深探井。根據(jù)前期已鉆資料分析，石炭系地層主要以火成巖為主，火成巖厚度大、巖石堅(jiān)硬、可鉆性極差，從而導(dǎo)致了該層段鉆進(jìn)過(guò)程中機(jī)械鉆速低、鉆井周期較長(zhǎng)。位于盆地北緣區(qū)塊的烏參1井自井深4286m進(jìn)入石炭系巴山組至井深6323.6m完鉆，采用傳統(tǒng)泥漿鉆井方式，先后應(yīng)用了“高效牙輪+螺桿”復(fù)合鉆井、“孕鑲鉆頭+高速螺桿”復(fù)合鉆井、水力脈沖射流發(fā)生器配合貝克休斯高效鉆頭等多種新型提速技術(shù)，均沒(méi)有起到顯著提速效果，平均機(jī)械鉆速僅0.72m/h，鉆井周期高達(dá)239d，占到全井鉆井周期的一半以上。

在相同地層條件下，由于氣體鉆井鉆頭壽命和機(jī)械鉆速較常規(guī)泥漿鉆進(jìn)均有大幅度提高[1-3]，因此探索石炭系火成巖地層實(shí)施氣體鉆井的可行性將有助于解決西部新區(qū)石炭系深探井的鉆井提速瓶頸問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，氣體鉆井的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題是限制其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的最主要原因[4-6]。利用烏參1井火成巖地層取芯巖樣，通過(guò)開展井壁圍巖力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)氣體鉆井在準(zhǔn)噶爾盆地火成巖地層的適用性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，對(duì)于今后準(zhǔn)噶爾盆地火成巖地層的優(yōu)快鉆井具有重要指導(dǎo)意義。

1 火成巖巖芯室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)噶爾盆地火成巖廣泛分布于盆地北緣、哈密等地區(qū)的二疊系和石炭系地層中。如圖1所示為烏參1井石炭系火成巖巖芯，取芯井段4265.01～4265.63m。可知火成巖巖石呈灰黑色，主要由碎屑物及火山灰填隙物組成；巖石致密堅(jiān)硬、凝灰結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，牙輪鉆頭可鉆性極值高達(dá)7.82～8.38，硬度最高2900MPa；局部發(fā)育裂縫，被白色方解石充填，裂縫寬度1～10mm，與下部地層呈漸變接觸。

圖1 石炭系巴塔瑪依內(nèi)山組“糖葫蘆”狀火成巖巖芯

氣體鉆井施工時(shí)，井壁附近的巖石應(yīng)力狀態(tài)為三向受壓狀態(tài)[7-8]，包括上覆巖層壓力σ1，井筒徑向壓力σ3，地應(yīng)力在井周產(chǎn)生的切向應(yīng)力σ2，沒(méi)有剪切應(yīng)力或者剪切應(yīng)力可以忽略不計(jì)。另外根據(jù)烏參1井等多口井測(cè)井資料分析，盆地內(nèi)上覆巖層壓力最大，切向地應(yīng)力為中間主應(yīng)力，井筒內(nèi)壓力最小。上述3個(gè)應(yīng)力大小滿足關(guān)系式：

將烏參1井火成巖巖芯制作成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形巖石試件，開展了室內(nèi)準(zhǔn)三軸圍壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)期間圍壓值p分別取40MPa和5MPa，實(shí)驗(yàn)前后的巖石試件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖2、3所示。由圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)期間隨著施加應(yīng)變的逐漸增加，兩種圍壓狀態(tài)下火成巖巖石的真實(shí)差應(yīng)力首先呈直線增加，表明巖石處于彈性變形階段，其彈性模量近似為125GPa；一旦超過(guò)真實(shí)差應(yīng)力峰值，試樣則迅速失效（見圖2b）；并且當(dāng)圍壓40MPa時(shí)，該巖石的真實(shí)差應(yīng)力峰值為σe1=240MPa，此時(shí)的應(yīng)變?yōu)?.003，當(dāng)圍壓5MPa時(shí)，真實(shí)差應(yīng)力的峰值為σe2=170MPa，出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)變?yōu)?.0015，表明火成巖的抗壓強(qiáng)度比較大，較大圍壓下巖石的失效形式表現(xiàn)為脆性斷裂。

圖2 準(zhǔn)三軸圍壓實(shí)驗(yàn)前后的巖石試樣

圖3 圍壓下火成巖的力學(xué)性質(zhì)變化

2 氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析

根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火成巖的力學(xué)性質(zhì)較為簡(jiǎn)單，在較大圍壓（40MPa）下仍然保持脆性斷裂的性質(zhì)，彈性模量等基本力學(xué)性質(zhì)并沒(méi)有發(fā)生重大改變，故在討論其強(qiáng)度失效時(shí)可以采取摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論進(jìn)行判斷[9]。

圖4為利用摩爾—庫(kù)倫理論求解的火成巖最大正應(yīng)力示意圖。如圖所示，假設(shè)已知該巖石的2個(gè)應(yīng)力狀態(tài)a和狀態(tài)b，知道其最大主應(yīng)力σa1、σb1和最小主應(yīng)力σa3、σb3，即可作出該巖石的2個(gè)摩爾圓。做兩圓的公切線，則不論巖石處于任何受力狀態(tài)，只要相應(yīng)摩爾圓在該直線以下，巖石即保持穩(wěn)定不失效，否則將會(huì)發(fā)生破壞。

圖4 烏參1井石炭系火成巖摩爾圓示意圖

在得到石炭系火成巖巖樣的摩爾圓包絡(luò)線之后，根據(jù)前面分析，已知?dú)怏w鉆井期間井筒壓力為最小主應(yīng)力值σc3（近似為0MPa），則通過(guò)繪制與包絡(luò)線相切的圓，即可得到當(dāng)巖石達(dá)到斷裂極限時(shí)的最大主應(yīng)力σc1。

通過(guò)理論推導(dǎo)也可以得到σc1的表達(dá)式：

應(yīng)力狀態(tài)a和b的摩爾圓半徑分別為：

包絡(luò)線與X軸夾角為：

根據(jù)式（2）～（5），則有σc1表達(dá)式為：

另外，根據(jù)巖芯的準(zhǔn)三軸圍壓實(shí)驗(yàn)條件可知：

因此，狀態(tài)a和狀態(tài)b的最大、最小主應(yīng)力分別為：

分別將狀態(tài)a和狀態(tài)b的最大主應(yīng)力σa1、σb1以及最小主應(yīng)力σa3、σb3代入式（6），從而可得氣體鉆井期間（即 σc3=0MPa時(shí)）巖石的最大失效壓應(yīng)力為σc1=165MPa，因此只要?dú)怏w鉆井期間的上覆地層壓力值滿足σ1＜σc1，井壁將不會(huì)垮塌[11-12]。

已知準(zhǔn)噶爾盆地火成巖地層巖石密度為（2.1～2.7）×103kg/m3，按保守值2.7×103kg/m3計(jì)算，則根據(jù)上覆巖層壓力ρgH＜σc1（H為地層垂深），可得：

因此可以得出，準(zhǔn)噶爾盆地埋深小于6110m的石炭系火成巖地層均可以嘗試氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

滴北1井是新疆油田部署在準(zhǔn)噶爾盆地陸梁隆起滴北凸起3個(gè)泉5號(hào)背斜的一口預(yù)探直井，設(shè)計(jì)井深4500m，三開?216mm井眼鉆遇石炭系巴塔瑪依內(nèi)山組，巖性主要為凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂礫巖。為提高三開井段機(jī)械鉆速，加快該區(qū)塊的勘探步伐，在三開井段試驗(yàn)了空氣鉆井，空氣鉆進(jìn)井段3365～3924.56m，進(jìn)尺559.56m，平均機(jī)械鉆速5.26m/h，是同尺寸井眼使用鉆井液鉆井機(jī)械鉆速（1.23m/h）的4.28倍?？諝忏@井在該井的成功實(shí)施，提高了機(jī)械鉆速，降低了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本，同時(shí)探索出了深部石炭系火成巖地層的提速工藝，為準(zhǔn)噶爾盆地推廣應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論及建議

（1）準(zhǔn)噶爾盆地火成巖地層致密堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度大，40MPa圍壓下巖石失效表現(xiàn)為脆性斷裂，可以采取摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論進(jìn)行火成巖失效判斷；

（2）首先根據(jù)巖芯室內(nèi)準(zhǔn)三軸圍壓實(shí)驗(yàn)確定出氣體鉆井狀態(tài)下巖石的最大失效主應(yīng)力，然后與上覆地層壓力比較，提出了適合準(zhǔn)噶爾盆地火成巖氣體鉆井的井壁穩(wěn)定性分析方法，并據(jù)此得到了準(zhǔn)噶爾盆地埋深小于6110m的石炭系火成巖地層均可以嘗試氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用的結(jié)論；

（3）為了更精確地預(yù)測(cè)氣體鉆井期間巖石的井壁穩(wěn)定性，達(dá)到指導(dǎo)氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工的目的，建議參考相關(guān)地質(zhì)資料和測(cè)井資料，繼續(xù)開展巖石全應(yīng)力—應(yīng)變曲線和峰后力學(xué)特性以及考慮巖石缺陷和應(yīng)力集中的裂紋擴(kuò)展等方面理論與實(shí)驗(yàn)研究。

[1]祝效華，劉少胡，童華.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣體鉆井防沉屑工具性能的影響[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，34(6)：56-59.

[2]祝效華，劉少胡，童華.氣體鉆井鉆桿沖蝕規(guī)律研究[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31(6)：1013-1017.

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[9]陳勉，金衍.石油工程巖石力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

TE242.6

A

1004-5716(2015)12-0093-03

2014-12-15

2015-01-15

趙洪山（1980-），男（漢族），河南開封人，工程師，現(xiàn)從事油氣井管柱力學(xué)方面的研究工作。