延長(zhǎng)氣田鉆井井徑擴(kuò)大率影響因素分析

許永華，毛亞軍，白杰，劉谷雨，龐方言，孫淵珍

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司油氣勘探公司采氣一廠，陜西 延長(zhǎng) 717100）

延長(zhǎng)氣田整體構(gòu)造位置屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，從前期勘探井及后期的開(kāi)發(fā)井鉆進(jìn)過(guò)程來(lái)看，鉆遇部分地層較易發(fā)生復(fù)雜情況，突出表現(xiàn)為井壁失穩(wěn)引起的井漏、井壁坍塌及坍塌掉塊造成的井徑擴(kuò)大率超標(biāo)等。統(tǒng)計(jì)顯示，2016 年延長(zhǎng)氣田區(qū)域有203 口井發(fā)生失返型漏失，占鉆井總數(shù)的66.7%，延長(zhǎng)組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組平均井徑擴(kuò)大率20%，石千峰組、石盒子組平均井徑擴(kuò)大率30%～40%，山西組、太原組井徑擴(kuò)大率較小。但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示[1-2]，井眼實(shí)際擴(kuò)大率遠(yuǎn)超平均井徑擴(kuò)大率，部分可達(dá)70%～80%，且不是少數(shù)。近兩年，隨著對(duì)整個(gè)區(qū)塊地層的逐步認(rèn)識(shí)及鉆井技術(shù)的進(jìn)步，井下復(fù)雜情況發(fā)生率不斷下降。本文著重研究了井下復(fù)雜問(wèn)題更為突出的石千峰組石盒子組，分別從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，鉆井液密度與井徑擴(kuò)大率的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 井壁坍塌潛在因素

由圖1 可知，現(xiàn)場(chǎng)獲得聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得出：實(shí)測(cè)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)明顯偏離聲波時(shí)差趨勢(shì)線。造成該結(jié)果往往有兩個(gè)原因：1）地層孔隙較為發(fā)育，可能為異常高壓地層；2）地層裂縫較為發(fā)育，隨著鉆井過(guò)程中鉆井液濾液的浸入，近井地帶地層巖石強(qiáng)度降低。從該區(qū)域歷年鉆井情況及地層壓力剖面分析，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常高壓地層。因此判斷，地層普遍發(fā)育的微裂縫是造成聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)偏離趨勢(shì)線的主要因素。

圖1 延X(jué)X 井聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)獲得的其他密度測(cè)井與電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)也表明，自石千峰組中下部地層至石盒子組底部，都有明顯的裂縫發(fā)育。結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在壓力作用下巖石內(nèi)部的微裂縫逐漸積聚，形成大的貫通裂縫，可能是導(dǎo)致巖石失去承載能力的重要原因之一；巖石在三軸應(yīng)力條件下，巖石峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變小于1%，遠(yuǎn)小于3%，這說(shuō)明巖石的脆性極大[3-4]。

2 鉆井液密度與井徑擴(kuò)大率

當(dāng)井壁的崩落尺寸很窄，增長(zhǎng)時(shí)加深而不會(huì)加寬，相對(duì)較少的破碎巖石落入井內(nèi)時(shí)，井徑不會(huì)發(fā)生顯著的變化。因此，穩(wěn)定的井眼允許鉆井過(guò)程中出現(xiàn)一定程度的井壁崩落，但尺寸較大的崩落會(huì)導(dǎo)致井壁周?chē)鷰r石對(duì)應(yīng)力缺少足夠的支撐而產(chǎn)生沖刷。經(jīng)驗(yàn)證明[5]，直井崩落寬度上限大約為90°，但在大斜度井及水平井中要低很多，水平井大約為30°。

2.1 井壁破壞判定準(zhǔn)則

井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力過(guò)低通常是導(dǎo)致井壁坍塌的主要原因，過(guò)低的液柱壓力不能支撐井壁，導(dǎo)致井周應(yīng)力巖石所受的剪切應(yīng)力超過(guò)地層巖石的抗剪切強(qiáng)度，發(fā)生剪切破壞而發(fā)生坍塌。通常用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則判斷巖石是否發(fā)生剪切破壞，當(dāng)主應(yīng)力與圍壓滿(mǎn)足以下條件時(shí)，巖石便達(dá)到了破壞的臨界條件：

式中：C 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；

2.2 井徑擴(kuò)大率計(jì)算模型

圖2 中，O 為井眼中心，AB 段表示鉆頭尺寸下的井眼直徑，CD 段表示井徑擴(kuò)大后的實(shí)際井眼尺寸。井徑擴(kuò)大率通常用下式表征：

式中：K 為井徑擴(kuò)大率，%；DAB為鉆頭直井，mm；DCD為井眼擴(kuò)大后橢圓的直井，mm。

已知延長(zhǎng)氣田某井石千峰組地層深度2100米，鉆頭直徑0.2159mm。巖石內(nèi)摩擦角39°，泊松比0.3，巖石黏聚力9MPa，孔隙壓力16.5MPa，上覆巖層壓力51MPa，最大水平地應(yīng)力44.2MPa，最小水平主應(yīng)力33.8MPa。依據(jù)以上數(shù)據(jù)，求解了不同井斜角情況下井壁周?chē)畲笾鲬?yīng)力與最小主應(yīng)力，當(dāng)井壁某一深度處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力滿(mǎn)足式（1）時(shí)，井壁發(fā)生破壞。再利用式（2）得出井徑擴(kuò)大率。

圖2 井眼擴(kuò)大前后示意圖

分析了井斜角0-90°情況下，不同鉆井液密度條件下石千峰組地層井徑的擴(kuò)大情況。

分別計(jì)算了不同鉆井液密度下，沿最大及最小水平地應(yīng)力方位鉆井時(shí)的井徑擴(kuò)大率情況如圖3 和圖4。

圖3 最大地應(yīng)力方位鉆井

圖4 最小地應(yīng)力方位鉆井

計(jì)算結(jié)果表明，沿著最大地應(yīng)力方位鉆進(jìn)時(shí)，隨著井斜角的增大井徑擴(kuò)大率逐漸增大，需要適當(dāng)提高鉆井液密度來(lái)控制井壁的失穩(wěn)狀況；沿著最小地應(yīng)力方位鉆進(jìn)時(shí)，隨著井斜角的增大井徑擴(kuò)大率表現(xiàn)為先降低后增大。同等鉆井液密度條件下，沿最大地應(yīng)力方位鉆進(jìn)時(shí)井徑擴(kuò)大率比沿最小地應(yīng)力方位約大10%～20%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，石千峰組與石盒子組平均井徑擴(kuò)大率均高于30%，石千峰組井徑擴(kuò)大率相對(duì)于石盒子組更為嚴(yán)重。因此，合理的控制鉆井液密度對(duì)于維護(hù)井徑十分重要。

3 鉆井液性能對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

天然氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況是，為了保護(hù)油氣儲(chǔ)層，實(shí)鉆鉆井液密度小于設(shè)計(jì)密度。大部分井壁坍塌發(fā)生在起下鉆或停止循環(huán)時(shí)，此時(shí)作用在地層的壓力僅為鉆井液靜液柱壓力，且鉆井液濾液的長(zhǎng)時(shí)間浸泡，近井地帶地層強(qiáng)度進(jìn)一步下降，井壁更容易發(fā)生坍塌。

延長(zhǎng)氣田鉆進(jìn)過(guò)程中，主要難點(diǎn)是地層微裂縫發(fā)育的劉家溝組、石千峰組至石盒子組地層，井壁垮塌及井漏，泥頁(yè)巖易水化膨脹及進(jìn)入油氣層后的儲(chǔ)層保護(hù)等難題。石千峰組與石盒子組泥巖中黏土礦物（以伊蒙混合與高嶺石為主）含量為65%～86%，且微裂縫發(fā)育，長(zhǎng)時(shí)間浸泡下泥巖水化膨脹，巖石強(qiáng)度降低，井壁坍塌壓力增大。

強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵胺基鉆井液與KCL 型聚磺鉆井液體系在延長(zhǎng)氣田定向井與水平井開(kāi)發(fā)過(guò)程中取得了良好的使用效果。良好的流變性、低濾失性、強(qiáng)抑制性及具有一定的封堵性能。特別對(duì)于劉家溝組、石千峰組漏失性及黏土礦物含量較高的地層，能有效封堵漏失層，減少井壁坍塌的概率，縮短鉆井周期，提高開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益[6-7]。

4 結(jié)論

1）地層微裂縫發(fā)育且脆性強(qiáng)是地質(zhì)因素，井壁長(zhǎng)時(shí)間浸泡及鉆井液密度低造成井壁坍塌井徑擴(kuò)大率超標(biāo)是工程因素；

2）在允許一定程度上的井徑擴(kuò)大率下，可以適當(dāng)降低鉆井液密度，既滿(mǎn)足井身質(zhì)量要求，又能滿(mǎn)足儲(chǔ)層保護(hù)的要求；

3）良好的鉆井液體系對(duì)于維護(hù)井壁穩(wěn)定十分重要。