G 構(gòu)造深部地層井壁穩(wěn)定研究

何陽(yáng)子，邱 康，熊振宇，李 乾

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

西湖凹陷位于東海陸架盆地浙東坳陷帶中部,自西往東分為西部斜坡帶、中央洼陷反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東部陡坡斷階帶。G 構(gòu)造位于中央反轉(zhuǎn)帶，是在走滑應(yīng)力場(chǎng)背景下形成的背斜，呈北東向展布。該構(gòu)造鉆井過(guò)程中鉆遇地層從上至下依次為：東海群、三潭組、柳浪組、玉泉組、龍井組、花港組和平湖組。目前，西湖凹陷G 構(gòu)造已鉆探井平均井深達(dá)4548 m，屬于深井范疇，平均鉆井周期58 天?；ǜ劢M以下深部地層鉆遇異常壓力，頻繁發(fā)生井壁垮塌、漏失等復(fù)雜情況，嚴(yán)重影響了鉆井安全和鉆井時(shí)效。本文通過(guò)對(duì)西湖凹陷已鉆井的壓力特征進(jìn)行分析，開(kāi)展鉆后井壁穩(wěn)定性分析，為后續(xù)安全，高效開(kāi)發(fā)提供合理建議。

1 深部地層孔隙壓力特征

根據(jù)現(xiàn)有研究資料[1-6]，西湖凹陷異常高壓主要分布在3 300～3 800 m 的花港組深部地層，異常高壓主要由快速沉積造成的欠壓實(shí)作用和有機(jī)質(zhì)生烴作用造成。對(duì)西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶北部DST 測(cè)試的已鉆井地層孔隙壓力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1），深部花港組下段至平湖組存在異常高壓，壓力系數(shù)最高達(dá)1.57。

由于DST 測(cè)試獲得實(shí)測(cè)點(diǎn)較少，難以反映地層孔隙壓力的縱向分布特征。通過(guò)對(duì)鉆后聲波測(cè)井資料的解釋，可以獲得地層孔隙壓力隨井深變化的壓力剖面。基于伊頓法對(duì)西湖凹陷深部地層已鉆井進(jìn)行地層孔隙壓力計(jì)算，圖1 為計(jì)算獲得的地層孔隙壓力剖面，與實(shí)測(cè)地層孔隙壓力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果與實(shí)測(cè)地層孔隙壓力基本一致。

表1 西湖凹陷實(shí)測(cè)地層孔隙壓力系數(shù)表

圖1 G 構(gòu)造探井地層孔隙壓力剖面

通過(guò)對(duì)已鉆井地層孔隙壓力進(jìn)行鉆后壓力解釋，G 構(gòu)造地層孔隙壓力縱向特征具有一致性，即龍井組以上地層屬于常壓地層，壓力系數(shù)小于1.1。地層孔隙壓力在進(jìn)入花港組后地層孔隙壓力開(kāi)始抬升，地層孔隙壓力當(dāng)量密度在1.03～1.30 g/cm3之間，整體規(guī)律隨井深增加而增加。

2 已鉆探井鉆井情況

根據(jù)對(duì)G 構(gòu)造已鉆探井的工況統(tǒng)計(jì)，已鉆4口探井共計(jì)發(fā)生遇阻90 次，劃眼22 次，倒劃眼24 次，漏失3 次。鉆進(jìn)過(guò)程中遇阻主要發(fā)生在龍井組、花港組地層，井漏發(fā)生在花港組下部地層。鉆遇花港組地層時(shí)間井壁出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)徑現(xiàn)象，部分井花港組下部地層井徑擴(kuò)徑率超過(guò)40%，返出大量泥巖掉塊。井徑擴(kuò)大情況見(jiàn)圖2。

以G2 井為例，在龍井組1 831～2 303.31 m、2 418～2 530 m、2 351～2 796 m 遇 阻12 次，劃眼848.43 m，倒劃眼918 m?；ǜ劢M3 078～3 262 m、3 408～3 508 m 遇 阻16 次。3 700～4 000 m 發(fā)生卡儀器兩次。3 580～4 244.9 m 發(fā)生井漏三次，累計(jì)漏失鉆井液30 m3。處理鉆井過(guò)程中井下復(fù)雜情況共計(jì)損失52.25 h。

圖2 G 構(gòu)造探井井徑擴(kuò)大率及復(fù)雜情況

3 G 構(gòu)造井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

G 構(gòu)造深部地層受泥巖的欠壓實(shí)作用和生烴作用，地層發(fā)育高壓。花港組砂泥巖地層含有水敏性礦物成分，易發(fā)生水化膨脹，鉆井過(guò)程中頻繁發(fā)生遇阻、井漏、井垮等井下復(fù)雜情況。G 構(gòu)造深部地層井壁失穩(wěn)的主要原因如下。

花港組異常高壓影響地層井壁穩(wěn)定性。由于地層孔隙壓力直接影響井周應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫ι?，井壁剪切和張性破壞加劇。地層坍塌壓力是指地層發(fā)生剪切破壞時(shí)的臨界壓力，鉆井過(guò)程中保持井壁處于力學(xué)穩(wěn)定的必要條件是鉆井液液柱壓力高于地層坍塌壓力，且小于地層破裂壓力。當(dāng)鉆井液液柱壓力低于地層坍塌壓力，井壁巖石發(fā)生剪切破壞，井壁發(fā)生力學(xué)失穩(wěn)引起垮塌[7-8]，造成遇阻、卡鉆等井下復(fù)雜情況。研究井區(qū)G1、G2、G4 井鉆遇花港組深部地層時(shí)，未及時(shí)調(diào)整鉆井液比重，鉆井液液柱壓力不能平衡地層坍塌壓力造成井壁失穩(wěn)。

花港組地層巖石以泥巖、粉沙質(zhì)泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖不等厚互層為主，夾雜若干煤層。根據(jù)花港組泥巖地層巖樣礦物組分分析（表2），花港組地層巖石主要含有的礦物成分以石英、長(zhǎng)石、黏土礦物為主。其中石英長(zhǎng)石等脆性礦物含量較高，占49.5%～76%。黏土礦物含量占19.2%～56.5%。地層巖石礦物組分分析如表2 所示，可以看出花港組泥巖雖然黏土礦物總體含量不高，但黏土礦物中易水化膨脹的伊利石、伊蒙混層含量高，因此該地區(qū)的泥巖具有較強(qiáng)的水化特性。當(dāng)井筒中鉆井液濾液進(jìn)入井壁地層，會(huì)引起地層中黏土礦物水化膨脹，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

表2 花港組地層巖石黏土礦物組分分析結(jié)果

4 G2 井井壁穩(wěn)定鉆后分析

根據(jù)巖石力學(xué)原理，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到巖石力學(xué)參數(shù)、地層孔隙壓力、地應(yīng)力。選取莫爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則建立巖石坍塌，破裂壓力計(jì)算模型，從而得到安全鉆井液密度窗口[9-10]。結(jié)合實(shí)際鉆井過(guò)程中使用的鉆井液密度及發(fā)生的復(fù)雜情況，對(duì)G2 井進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析。

通過(guò)對(duì)G2 井鉆后三壓力剖面（圖3）分析，可以看出龍井組地層井徑較為規(guī)則，擴(kuò)徑率低于10%。龍井組地層處于常壓狀態(tài)，地層孔隙壓力當(dāng)量密度為0.91～1.10 g/cm3，地層坍塌壓力當(dāng)量密度為0.97～1.20 g/cm3，實(shí)際使用鉆井液密度高于坍塌壓力，井壁保持穩(wěn)定。進(jìn)入花港組后，隨深度增加，地層孔隙壓力開(kāi)始抬升，地層坍塌壓力升高，安全鉆井液密度窗口變窄?；ǜ劢M地層孔隙壓力升高至1.06～1.35 g/cm3，坍塌壓力為1.14～1.44 g/cm3。進(jìn)入花港組地層后沒(méi)有及時(shí)加重鉆井液密度，導(dǎo)致井徑擴(kuò)徑明顯，3 555～3 753 m、3 958～4 085 m 井段擴(kuò)徑率超過(guò)了50%，井壁發(fā)生垮塌引起了遇阻、卡鉆等復(fù)雜情況。

對(duì)G2 井3691～4248 m 井段的巖心及巖屑進(jìn)行X 衍射分析，全巖礦物分析結(jié)果如圖4 所示，含有的礦物成分以石英、長(zhǎng)石、黏土礦物為主，還含有少量的方解石，白云石。黏土礦物含量在4.9%～25.8%，黏土礦物的含量如圖4 所示，3 811～4 010 m 井段黏土礦物中伊蒙混層含量較多，為19%～54%，G2 井主要使用水基鉆井液，泥巖中黏土礦物吸水引起的泥巖水化膨脹是造成井壁發(fā)生坍塌的原因之一。

為實(shí)現(xiàn)在西湖凹陷后續(xù)鉆井作業(yè)中的安全高效鉆進(jìn)，建議開(kāi)展地層壓力預(yù)測(cè)研究，預(yù)測(cè)地層三壓力剖面；確定較為準(zhǔn)確的鉆井液安全密度窗口，鉆遇高壓地層時(shí)，及時(shí)提高鉆井液密度；調(diào)整鉆井液性能，采用油基鉆井液，減少花港組泥巖水化。

圖3 NB22-1-2 井鉆后三壓力剖面

圖4 G2 井黏土礦物成分

5 應(yīng)用實(shí)例

2019 年在相鄰W 構(gòu)造鉆探2 口探井W3、W4 井，在鉆前開(kāi)展了井壁穩(wěn)定研究，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆井液安全密度窗口，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，在花港組地層采用Mo-Drill 油基鉆井液體系。在鉆井過(guò)程中未發(fā)生明顯井壁失穩(wěn)情況，鉆井周期較G 構(gòu)造探井明顯縮短（表3），大幅降低了作業(yè)成本。

表3 G 構(gòu)造探井與W 構(gòu)造探井鉆井指標(biāo)對(duì)比

6 結(jié)論與建議

（1）由于快速沉積造成的欠壓實(shí)作用和生烴作用，G 構(gòu)造花港組地層發(fā)育異常高壓，最高地層壓力系數(shù)1.41。通過(guò)對(duì)已鉆探井的井壁穩(wěn)定性分析，造成G 構(gòu)造深部地層井壁失穩(wěn)的主要原因是：由于深部地層異常高壓造成的地層坍塌壓力升高，導(dǎo)致鉆井液安全密度變窄，由于沒(méi)有及時(shí)調(diào)整鉆井液密度造成了井壁力學(xué)失穩(wěn)?；ǜ劢M泥巖黏土礦物中伊蒙混層含量高，使用水基鉆井液易引起泥巖水化膨脹導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，形成掉塊。

（2）通過(guò)對(duì)G 構(gòu)造井壁失穩(wěn)原因分析，采取相應(yīng)井壁失穩(wěn)對(duì)策。在相鄰探井鉆井過(guò)程中開(kāi)展鉆前井壁穩(wěn)定研究，確定鉆井液安全密度窗口，及時(shí)調(diào)整鉆井液密度。在花港組地層采用油基鉆井液體系，取得了較好的應(yīng)用效果。大幅縮短了鉆井周期，有效解決了西湖凹陷深部地層井壁失穩(wěn)問(wèn)題。