判定空氣鉆井井壁穩(wěn)定性的臨界內(nèi)聚力計算新方法
——以四川盆地東部黑樓門構(gòu)造為例

夏宏泉 王 舵 劉素君

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

空氣鉆井是一種以壓縮空氣既作為循環(huán)介質(zhì)又作為能量來破碎巖石的欠平衡鉆井技術(shù)[1]。與常規(guī)使用鉆井液來鉆井有所不同，由于空氣密度很小，空氣鉆井中井內(nèi)氣柱壓力遠(yuǎn)低于地層孔隙壓力，就會在井底形成負(fù)壓差。這樣不但能防止鉆井液中的液相和固相進(jìn)入地層，有效保護(hù)儲集層，而且還可以極大地提高機械鉆速[2]。

盡管空氣鉆井具有明顯的優(yōu)越性，然而由于諸多條件的限制，使其在現(xiàn)場應(yīng)用中很難把握。如何選取適當(dāng)?shù)木螌嵤┛諝忏@井是新鉆井首先要解決的問題。四川盆地川東地區(qū)油氣資源儲量豐富，其上部陸相地層為高陡構(gòu)造[3-4]，地表出露上三疊統(tǒng)須家河組，從上到下發(fā)育有三疊系、二疊系、泥盆系、志留系、奧陶系和寒武系，砂泥巖互層發(fā)育[3]，硬度大、研磨性強、可鉆性差，而且存在著多套壓力體系，漏層多[5]，導(dǎo)致機械鉆速低和鉆井周期長[6]。目前川東地區(qū)多口井已經(jīng)采用了空氣鉆井技術(shù)[3]。川東黑樓門構(gòu)造[3,7]的樓探1井實鉆使用了鉆井液鉆井，但鑒于空氣鉆井的緊迫性以及工區(qū)的地質(zhì)情況，需要對該井520～7 265 m井段進(jìn)行空氣鉆井的地層適應(yīng)性分析，以便為鉆新井推薦出適合空氣鉆井的地質(zhì)層段。

為此，從傳統(tǒng)的地層坍塌壓力計算模型出發(fā)，建立了判定空氣鉆井井壁穩(wěn)定性的臨界內(nèi)聚力計算模型，旨在推薦與優(yōu)選適合空氣鉆井的井段，以期為該區(qū)乃至整個四川盆地實施空氣鉆井提供決策依據(jù)。

1 空氣鉆井的適應(yīng)性條件

1.1 空氣鉆井的地層要求

1.1.1 不明顯出水的堅硬地層[8-9]

在堅硬地層中，采用空氣鉆井可以大幅度地提高機械鉆速。由于地層水能使黏土顆粒凝結(jié)膨脹，容易造成環(huán)空堵塞及卡鉆事故。如果地層出水量小于5 m3/h，可加大氣量排水；如果出水量大于5 m3/h，建議采用霧化鉆井方法；當(dāng)出水量超過7.9 m3/h時，應(yīng)立即停止空氣鉆井，需轉(zhuǎn)為鉆井液鉆井。

1.1.2 不明顯出氣的地層[8]。

若氣測全烴含量連續(xù)介于3%～5%時，應(yīng)立即停止空氣鉆井，這可能引起井下燃爆或有井控風(fēng)險；若檢測到有毒氣體H2S濃度大于30 g/cm3，應(yīng)立即停止空氣鉆井[10]。

1.1.3 嚴(yán)重漏失地層

在這些地層常規(guī)鉆井方式難以實施，這時就可以考慮采用空氣鉆井方式。

1.1.4 地層壓力低且分布規(guī)律清楚的地層[8]

空氣鉆井的靜氣柱壓力極小，不太適合于破碎性（包括弱膠結(jié)）不穩(wěn)定地層、異常地應(yīng)力不穩(wěn)定地層，較高的地層壓力會加重井控設(shè)備的負(fù)擔(dān)[11]。此外，如果不清楚地層壓力的分布規(guī)律，空氣鉆井施工的安全性就難以得到保證。

1.1.5 ? 444.5 mm以下尺寸井眼

在這以上的大尺寸井眼，空氣需求量大而不適用空氣鉆井。

1.2 空氣鉆井技術(shù)的局限性

1.2.1 井壁穩(wěn)定性問題[11-12]

在井眼鉆開前，圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，鉆開后圍巖應(yīng)力會發(fā)生重分布。在常規(guī)欠平衡鉆進(jìn)過程中，井內(nèi)的鉆井液壓力可以對井壁產(chǎn)生一個支撐作用，而使用空氣鉆進(jìn)則沒有這種支護(hù)作用。井壁周圍巖石是否穩(wěn)定取決于地應(yīng)力的狀態(tài)、巖石本身的力學(xué)參數(shù)、實際地層壓力和井眼的形狀等因素。

1.2.2 地層水的侵入問題

在空氣鉆井時，如果地層出水量超過了空氣的攜帶能力，地層流體就會和巖屑在鉆頭處產(chǎn)生泥餅，導(dǎo)致鉆頭形成泥包而降低機械鉆速[11]。如果在井筒內(nèi)形成泥環(huán)可能會造成卡鉆，大量地層流體的侵入會使得井底流動壓力急速升高，降低了氣體流動速度和氣體攜巖能力，若發(fā)現(xiàn)不及時就會進(jìn)一步引起卡鉆等其他井下復(fù)雜事故的發(fā)生。當(dāng)有水敏性地層（如泥頁巖地層）時，地層產(chǎn)水會使水敏性地層中的黏土礦物會發(fā)生水化膨脹，產(chǎn)生水化應(yīng)力，造成其自身巖石力學(xué)參數(shù)以及井壁圍巖應(yīng)力的改變，影響井壁的穩(wěn)定性[8,13]。產(chǎn)水地層也會發(fā)生流固耦合作用，改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，影響井壁的穩(wěn)定性。地層流體侵入量過大時，就需要轉(zhuǎn)換鉆井方式，使用攜水效果更好的霧化欠平衡鉆井或泡沫平衡鉆井[14]。

2 空氣鉆井井壁穩(wěn)定性分析

2.1 空氣鉆井井壁穩(wěn)定性判定模型的建立

基于摩爾—庫侖強度準(zhǔn)則[2,15-16]，并考慮鉆井井眼圍巖的巖性和滲透性，可得到井壁周圍不同巖性和滲透性地層的坍塌壓力的計算模型[17]為如下所述。

1）儲層及其他滲透性巖層（δ=1、φ＞2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

2）泥頁巖和致密巖層（δ=0、0.5%≤φ≤2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

3）泥頁巖和致密巖層（δ=0、0.5＜φ、ppg≤1.0 MPa/100 m）：

式中δ表示巖石滲透系數(shù)，泥頁巖和致密巖層取0，儲層及其他滲透性巖層取1；φ表示巖石孔隙度；ppg表示孔隙壓力梯度，MPa/100 m；BP表示坍塌壓力，MPa；η表示應(yīng)力非線性修正系數(shù)，一般取0.95，無量綱；σH、σh分別表示最大、最小水平主應(yīng)力，MPa；C表示巖石內(nèi)聚力，MPa；K表示計算巖石內(nèi)摩擦力的中間變量，無量綱；pp表示孔隙壓力，MPa；α表示有效應(yīng)力系數(shù)；ξ表示包含有效應(yīng)力系數(shù)和泊松比的關(guān)系系數(shù)；φ表示巖石內(nèi)摩擦角，（°）；μ表示巖石泊松比，無量綱。

但是對于空氣鉆井這種非常規(guī)欠平衡鉆井來說，井筒中沒有液柱壓力[18]，即液柱壓力近似等于零。此時，井眼周圍巖石的力學(xué)環(huán)境已不同于有鉆井液的力學(xué)環(huán)境，井壁的穩(wěn)定性主要取決于地層巖石內(nèi)聚力的變化。空氣鉆井地層坍塌壓力近似于零，如果坍塌壓力為零，即令BP=0，此時可對式（1）、式（2）和式（3）進(jìn)行變形，推導(dǎo)出C值，這個C值即為用來平衡地層應(yīng)力的巖石內(nèi)聚力，實質(zhì)上就是巖石內(nèi)聚力的臨界值（C'）。則判定空氣鉆井井壁穩(wěn)定性的C'計算模型如下所述。

1）儲層及其他滲透性巖層（δ=1、φ＞2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

2）泥頁巖和致密巖層（δ=0、0.5%≤φ≤2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

3）泥頁巖和致密巖層（δ=0、0.5＜φ、ppg≤1.0 MPa/100 m）：

式中C'表示巖石臨界內(nèi)聚力，MPa。

于是，可給出井眼周圍巖石發(fā)生剪切破壞時井壁穩(wěn)定的判斷準(zhǔn)則：當(dāng)C＞C'時，井壁穩(wěn)定、適合空氣鉆；當(dāng)C＜C'時，井壁失穩(wěn)、不利于空氣鉆。結(jié)合巖石力學(xué)實驗數(shù)據(jù)，利用伽馬、密度和縱橫波時差測井曲線，逐點計算已鉆井段鉆井地質(zhì)剖面的巖石內(nèi)聚力（C）與臨界內(nèi)聚力（C'），相互比較就可判斷哪一井段適用于空氣鉆井。

2.2 模型主要參數(shù)的計算方法

2.2.1 地層孔隙壓力

由改進(jìn)后的變指數(shù)伊頓法求得，其計算公式為：

式中：σν表示上覆巖層壓力，MPa；pwn表示靜水柱壓力，MPa；Δtcn表示基于聲波時差法的正常壓實趨勢線而求得的縱波時差值，μs/ft（1 ft=30.48 cm，下同）；Δtc表示巖石的縱波時差，μs/ft；T914表示變伊頓壓實指數(shù)，取值范圍介于0.2～1.5，無量綱。

2.2.2 巖石泊松比

式中Δts表示巖石橫波時差，μs/ft。

當(dāng)某井段未測橫波時差曲線時，可根據(jù)GR和Δtc構(gòu)建的橫波時差公式來計算一條連續(xù)的Δts曲線，即

式中GR表示巖石自然伽馬測井值，API。

2.2.3 巖石內(nèi)聚力

可由密度、聲波和自然伽馬測井資料根據(jù)Brules研究的公式來計算內(nèi)聚力，即

式中ρ表示巖石密度，g/cm3；vc表示巖石縱波速度（時差的倒數(shù)），ft/μs；Vcl表示泥質(zhì)含量，無量綱。

2.2.4 有效應(yīng)力系數(shù)

式中Cr、Cb分別表示巖石骨架的體積壓縮系數(shù)、巖石體積壓縮系數(shù)，無量綱； ρs表示巖石骨架的密度，g/cm3；vmc、vms分別表示巖石骨架的縱波、橫波速度（時差的倒數(shù)），ft/μs。

2.2.5 最大、最小水平主應(yīng)力

式中E表示楊氏模量，MPa；εH、εh分別表示沿水平最大、最小主應(yīng)力方向的應(yīng)變，一般取0.000 5、0.000 2。

3 應(yīng)用實例分析

基于上述方法和模型及計算程序，處理單井測井?dāng)?shù)據(jù)，解釋油氣水層[19]并計算巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力和地層三壓力及安全鉆井液密度窗口，建立巖石內(nèi)聚力和臨界內(nèi)聚力剖面，通過比較巖石內(nèi)聚力、臨界內(nèi)聚力與地層坍塌壓力變化特征來判定適合空氣鉆井的井段。以川東地區(qū)黑樓門構(gòu)造樓探1井520～7 265 m井段實鉆情況為例，進(jìn)行應(yīng)用分析。

圖1為樓探1井的聲波時差、中子、電阻率測井值交會得到儲層含流體性質(zhì)識別圖版，可以看出：①全井段儲層含流體性質(zhì)有4種類別，氣層、含氣層和差氣層及氣水同層，整體趨勢符合電阻率由大到小的排列順序；②特征參數(shù)lgRt=3.0為臨界點，當(dāng)lgRt＞3.0時為氣層、含氣層，當(dāng)lgRt≤3.0時為差氣層、氣水同層；③特征參數(shù)lg(AC/CNL)=1.65為臨界點，當(dāng)lg(AC/CNL)＞1.65時為氣層，當(dāng)lg(AC/CNL)≤1.65時為含氣層、差氣層和氣水同層。

由本井的測井解釋結(jié)論可知，520～1 910 m發(fā)育含氣層，1 910～3 432 m發(fā)育差氣層，3 432～4 345 m發(fā)育氣層，4 345～6 690 m發(fā)育差氣層，6 690～7 265 m發(fā)育氣水同層。綜合考慮樓探1井實鉆情況（表1）、巖性和井眼尺寸（表2）以及這5個井段的儲層所含流體性質(zhì)，并根據(jù)適合空氣鉆井的地層要求和井壁穩(wěn)定性的臨界內(nèi)聚力計算值大小，便可優(yōu)選出適合空氣鉆井的井段。

圖1 樓探1井儲層含流體性質(zhì)的測井識別圖版

表1 520～7 265 m井段實鉆情況表

520～1 910 m（雷口坡組—嘉二段）發(fā)育含氣層，由表1實鉆情況可知氣侵現(xiàn)象較為嚴(yán)重，實際施工時液面上升5%印證了這一點，全烴含量介于3%～5%，屬于明顯出氣地層；由表2可知該段屬碳酸鹽巖地層，質(zhì)地堅硬，空氣破巖效率高，但實際井眼尺寸為444.5 mm，屬于大尺寸井眼，空氣需求量大，因此綜合判斷不符合空氣鉆井的條件，故該段不可使用空氣鉆井。利用空氣鉆井井壁穩(wěn)定性的巖石臨界內(nèi)聚力計算模型對該層段井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析，如表3第1井段所示，該段坍塌壓力、內(nèi)聚力和臨界內(nèi)聚力都在增大。孔隙壓力梯度介于0.99～1.03 MPa/100 m，地層壓力正常，但內(nèi)聚力由21.63 MPa增大至43.91 MPa，臨界內(nèi)聚力由31.75 MPa增大至60.77 MPa，可以看出內(nèi)聚力明顯小于臨界內(nèi)聚力，即C＜C'，判斷為井壁失穩(wěn)，綜合可知該層段應(yīng)采用鉆井液鉆進(jìn)。這與實鉆情況一致。

表2 520～7 265 m井段巖性及井眼尺寸表

圖2 1 910～3 432 m井段巖石力學(xué)參數(shù)測井解釋成果圖

1 910～3 432 m（嘉二段—韓家店組）發(fā)育差氣層段，由表1實鉆情況可知，雖有輕微氣侵，但全烴含量遠(yuǎn)低于3%，可視為不出氣地層，可以使用空氣鉆井；圖2中理想鉆井液密度介于1.53～1.72 g/cm3，實際鉆井過程中使用1.41～1.42 g/cm3的聚磺鉆井液已經(jīng)導(dǎo)致井漏，地層漏失壓力較低（21.8～44.5 MPa），可以使用空氣鉆井；由表2可知該段總體屬碳酸鹽巖地層，空氣破巖效率高，實際井眼尺寸為333.4 mm，不屬于大尺寸井眼，空氣需求量一般，可以使用空氣鉆井，即1 910～3 432 m符合空氣鉆井的條件，故可預(yù)選出該層段適合空氣鉆井。對該層段井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析，如圖2和表3第2井段所示，孔隙壓力梯度介于1.29～1.53 MPa/100 m，雖屬異常地層壓力范圍，但整體壓力比較穩(wěn)定，坍塌壓力一直在增大，內(nèi)聚力先減小后增大，但基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而臨界內(nèi)聚力總體呈現(xiàn)減小趨勢。內(nèi)聚力穩(wěn)定在34 MPa左右，臨界內(nèi)聚力由29.95 MPa降低至16.42 MPa，可以看出此段巖石內(nèi)聚力明顯大于臨界內(nèi)聚力，即C＞C'，判斷為井壁穩(wěn)定，再結(jié)合預(yù)選結(jié)果，認(rèn)為該層段適合采用空氣鉆井。

表3 520～7 265 m井段測井解釋的巖石力學(xué)參數(shù)及空氣鉆適應(yīng)性分析結(jié)果表

3 432～4 345 m（韓家店組—龍馬溪組）發(fā)育氣層段，由表1實鉆情況可知，氣侵現(xiàn)象嚴(yán)重，全烴含量連續(xù)大于38%，且顯示持續(xù)10 min，全烴高達(dá)81.8%，屬于明顯出氣地層；由表2可知該段屬砂泥巖地層，較為疏松，空氣破巖效率較低，實際井眼尺寸在井段3 432～3 934 m為333.4 mm、3 934～4 345 m為241.3 mm，均不屬于大尺寸井眼，空氣需求量一般，因此綜合判斷不符合空氣鉆井的條件，故認(rèn)為該層段不可使用空氣鉆井。對該層段進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析，如表3第3井段所示，坍塌壓力略有增加，但總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，臨界內(nèi)聚力減小、內(nèi)聚力增大?？紫秹毫μ荻冉橛?.48～1.57 MPa/100 m，地層壓力整體偏高，壓差卡鉆風(fēng)險增大，內(nèi)聚力由22.12 MPa增加至36.13 MPa，臨界內(nèi)聚力由37.93 MPa降低至14.68 MPa，可以看出內(nèi)聚力還是明顯小于臨界內(nèi)聚力，即C＜C'，判斷為井壁失穩(wěn)。綜合考慮認(rèn)為該層段應(yīng)使用鉆井液鉆井，這與實鉆情況一致。

圖3 4 345～5 644 m井段巖石力學(xué)參數(shù)測井解釋成果圖

4 345～6 690 m（龍馬溪組—高臺組）發(fā)育差氣層段，由表1實鉆情況可知雖有輕微氣侵和水侵，但全烴含量只有2.68%、小于3.00%，可視為不出氣地層，地層出水量遠(yuǎn)小于5 m3/h，可以使用空氣鉆井；由表2可知該段屬堅硬碳酸鹽巖地層，空氣破巖效率高，實際井眼尺寸在井段4 345～5 644 m為241.3 mm、5 644～6 690 m為190.5 mm，均不屬于大尺寸井眼，空氣需求量一般，可以使用空氣鉆井；如圖3、4所示，理想鉆井液密度介于1.42～1.82 g/cm3，實際鉆井過程中使用的1.71 g/cm3普通水基鉆井液導(dǎo)致井漏，地層漏失壓力較低為37.4～45.9 MPa，可以使用空氣鉆井，即4 345～6 690 m符合空氣鉆井的條件，故可預(yù)選出該層段適合空氣鉆井。對該層段進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析，如圖3、4和表3第4井段所示，孔隙壓力梯度介于1.35～1.51 MPa/100 m，雖屬異常地層壓力范圍，但整體壓力比較穩(wěn)定，坍塌壓力、內(nèi)聚力和臨界內(nèi)聚力一直在增大。內(nèi)聚力由27.43 MPa增大至49.55 MPa，臨界內(nèi)聚力由21.96 MPa增加至38.78 MPa，可以看出巖石內(nèi)聚力大于臨界內(nèi)聚力，即C＞C'，判斷為井壁穩(wěn)定，再結(jié)合預(yù)選結(jié)果，認(rèn)為該層段可以使用空氣鉆井。

圖4 5 644～6 690 m井段巖石力學(xué)參數(shù)測井解釋成果圖

6 690～7 265 m（高臺組—筇竹寺組）發(fā)育氣水同層段，由表1實鉆情況可知氣侵和水侵均很嚴(yán)重，屬于明顯出水、出氣地層，由表2可知該段屬碳酸鹽巖、砂泥巖和煤層膠結(jié)地層，空氣不適合破碎分布不清楚的地層，尤其是弱膠結(jié)、膠結(jié)地層，實際井眼尺寸為190.5 mm，不屬于大尺寸井眼，空氣需求量一般，因此綜合判斷不符合空氣鉆井的條件，即該層段不可使用空氣鉆井。對該段進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析，如表3第5井段所示，孔隙壓力梯度在1.55 MPa/100 m左右，為異常地層壓力，整體比較穩(wěn)定，坍塌壓力在增大，內(nèi)聚力和臨界內(nèi)聚力趨于穩(wěn)定。但內(nèi)聚力穩(wěn)定在45 MPa左右、臨界內(nèi)聚力在穩(wěn)定在60 MPa左右。顯然內(nèi)聚力明顯小于臨界內(nèi)聚力，即C＜C'，判斷井壁失穩(wěn)，再結(jié)合預(yù)選結(jié)果，認(rèn)為該層段應(yīng)使用鉆井液鉆井，這與實鉆情況一致。

另外，位于川東崗嶺—黑樓門剪切斷裂帶[20]上的老君1井[21]和普光4-2井[22]，實際采用空氣鉆井提速的井段也是上部陸相地層。老君1井為川東斷褶帶老君山西北向構(gòu)造的一口預(yù)探井，實際完鉆井深6 494 m。利用井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析軟件預(yù)測了空氣鉆井地層井壁的穩(wěn)定性，在上部陸相地層762.0～3 253.7 m，即上沙溪廟組—自流井組實施了空氣鉆井。其累計進(jìn)尺2 491.70 m,鉆井總時間為21.33 d,累計純鉆進(jìn)時間219.08 h,平均機械鉆速11.37 m/h，共使用鉆頭5只,平均單只鉆頭進(jìn)尺498.34 m,與設(shè)計相比,鉆井周期縮短11 d,節(jié)約鉆頭25只。而普光4-2井是普光氣田的一口開發(fā)井，實際完鉆井深6 222.99 m，在上部陸相地層（千佛崖組3 089 m以上），即上沙溪廟組—千佛崖組實施了空氣鉆井，根據(jù)實鉆情況可知，地層出水量較小，且基本不含天然氣和硫化氫，適宜于空氣鉆井?？諝忏@結(jié)果顯示普光4-2井第二次開鉆?314.1 mm井眼從上沙溪廟組到千佛崖組的平均機械鉆速達(dá)到13.91 m/h,大幅度提高了機械鉆速,縮短了鉆井周期。

樓探1井所處的黑樓門構(gòu)造與老君1井和普光4-2井皆屬川東崗嶺—黑樓門剪切斷裂帶，且均為上部陸相地層，3口井全井段地層特征雖有差異，但總體來看老君1井和普光4-2井實施空氣鉆井的井段均為地層壓力正常且分布規(guī)律清楚的地層，地層巖性自沙溪廟組—千佛崖組分布大厚度的碳酸鹽巖，質(zhì)地堅硬，空氣破巖效率十分理想，出水出氣量較小。這兩口井實施空氣鉆井的井段特點與樓探1井優(yōu)選出的井段特點是高度一致的，由上述兩口井能夠印證樓探1井給出的采用空氣鉆井的井段是合理的。

4 結(jié)論

1） 空氣鉆作為非常規(guī)欠平衡鉆井新技術(shù)，有其優(yōu)越性和局限性，需要綜合利用實鉆資料、測井資料和地質(zhì)資料等進(jìn)行不同井段的地層適應(yīng)性分析。

2）根據(jù)空氣鉆井的地層適應(yīng)性分析，推薦出了樓探1井適合空氣鉆井的井段，分別是嘉二段—韓家店組的1 910～3 432 m、龍馬溪組—高臺組的4 345～6 690 m。其余井段520～1 910 m、3 432～4 345 m、6 690～7 265 m鉆井方式均應(yīng)為鉆井液鉆進(jìn)。

3）依據(jù)所建立的判定空氣鉆井井壁穩(wěn)定性模型，通過測井曲線對單井巖石力學(xué)剖面的計算分析，能夠較準(zhǔn)確地給出適合空氣鉆井的地質(zhì)層段，可為該區(qū)乃至四川盆地實施空氣鉆井提供重要參考。