沙灣凹陷西斜坡砂礫巖地層井壁失穩(wěn)機理及復雜處理

劉占魁，田林海，吳 波，段文博，吳家坤，溫春明

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009）

沙灣凹陷屬準噶爾盆地中央坳陷的二級構(gòu)造單元，西鄰紅車斷裂帶，南面為北天山山前沖斷帶的霍瑪吐背斜帶，北鄰中拐凸起。前期，勘探主要集中在沙灣凹陷周緣凸起帶和斷裂帶，近年來圍繞大面積成藏模式，由凸起帶向斜坡區(qū)、在沙灣凹陷西斜坡針對二疊系和三疊系扇三角洲前緣相帶展開了勘探并取得一系列重大突破。然而，該區(qū)鉆井仍有亟待解決的難題，比如，在砂礫巖層段鉆進，鉆進過程中扭矩以及泵壓等各項參數(shù)沒有明顯異常，振動篩返出巖屑正?；蚺紶栆姅?shù)量不等的掉塊，當接完單根(或立柱)或者短起下上提一段距離后卻出現(xiàn)掛卡、開泵憋壓、進而卡鉆，部分情況下轉(zhuǎn)化為惡性卡鉆、處理耗時長。鉆井現(xiàn)場有時將發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因歸結(jié)為坍塌壓力高、液柱壓力不足以穩(wěn)定井壁、導致井眼失穩(wěn)；基于此判斷，處理復雜期間、或者隨后的鉆進過程中不斷提高密度，但有時卻并未完全奏效。因此，砂礫巖地層井壁失穩(wěn)造成復雜多發(fā)的難題仍需深入分析。

1 砂礫巖地層井壁失穩(wěn)的部分地質(zhì)因素

測井曲線顯示，三疊系百口泉組和二疊系上烏爾禾組井徑不規(guī)則、井徑擴大率大，?215.9mm井眼最大井徑達到?431mm、甚至測不出。井壁失穩(wěn)主要集中于三疊系百口泉組和二疊系上烏爾禾組。

1.1 主要巖性特征及影響

沙灣凹陷西斜坡百口泉組主要巖性為泥巖、中砂巖、粉砂巖、砂礫巖。二疊系上烏爾禾組主要發(fā)育扇三角洲沉積體系，扇三角洲前緣巖性為砂礫巖、細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，礫石分選較好，磨圓較好，泥質(zhì)含量低，物性整體較好。巖性垂向分布與所處西斜坡地理位置有關(guān)。以ST-2井及CP-24井為例：ST-2井百口泉組上部連續(xù)發(fā)育大套砂礫巖，下部砂礫巖與泥巖或砂泥巖互層，底部砂礫巖層段間夾薄層泥巖。上烏爾禾組砂礫巖與泥巖、砂泥巖互層，少有發(fā)育連續(xù)整套砂礫巖。CP-24井上烏爾禾組砂礫巖發(fā)育夾薄層泥巖，下部砂礫巖、粉砂巖，夾含礫泥巖。ST-2井百口泉組上部大套砂礫巖井段井徑相對規(guī)則，中下部開始井徑迅速擴大，至百口泉組底部砂礫巖夾薄層泥巖處井徑擴大率達到全井最大值，形成俗稱“大肚子”。上烏爾禾組普遍表現(xiàn)出井徑不規(guī)則、擴大率大，井徑擴大率與百口泉組中段相似。CP-24井與ST-2井相似，在上烏爾禾組底部砂礫巖夾薄層泥巖處井徑擴大率達到全井最大值。此外，井徑擴大率大的褐色泥巖井段機械鉆速低，PDC鉆頭鉆進速度極慢也是影響井徑擴大率的因素之一。觀察巖芯，百口泉組及上烏爾禾組巖芯在地面上普遍有相似現(xiàn)象，受粒間砂礫巖泥質(zhì)充填膠結(jié)強度低的影響，砂礫巖受外力作用極易斷裂散塌，泥巖巖芯強度低、清水清洗后隨著放置時間增長，干后受力易分散開裂。

1.2 地層強度及影響

以ST-2井及CP-24井為例，砂礫巖井段的巖石密度較低，中子孔隙度較高。在ST-2井百口泉底部砂礫巖夾薄層泥巖井段、CP-24井上烏爾禾組底部砂礫巖夾薄層泥巖井段表現(xiàn)明顯。孔隙為鉆井液濾液進入地層提供了客觀條件。受疏松影響，地層強度相對低可鉆性相對較好。由于地層坍塌壓力與地層強度密切相關(guān)，所以，當井壁巖石所受到的應(yīng)力超過巖石強度時易引起地層坍塌。

1.3 縱向孔隙壓力變化趨勢

沙灣凹陷西斜坡區(qū)地層孔隙壓力橫向上隨地理位置有所差別，縱向上總體表現(xiàn)出侏羅系以上地層壓力為正常壓力，地層壓力系數(shù)1.05～1.10。進入三疊系地層壓力逐步抬升、三疊系百口泉組至上烏爾禾組存在異常高壓，地層壓力系數(shù)1.35～1.78。夏子街組至佳木禾組地層壓力有所回落，地層壓力系數(shù)1.35～1.65。地層的坍塌壓力隨著孔隙壓力的增加而增大(但破裂壓力的增長速度小于坍塌壓力，因此隨著孔隙壓力的增加，安全鉆進的泥漿密度范圍變小)，地層壓力的異常升高導致地層坍塌壓力也相應(yīng)變化，成為百口泉組及上烏爾禾組井壁易失穩(wěn)的其中一個因素。

2 井壁失穩(wěn)力學因素分析

2.1 井筒波動壓力影響

百口泉組及上烏爾禾組地層不存在受構(gòu)造運動導致的大量裂縫，泥巖地層的滲流作用相對小，僅在表面存在水化應(yīng)力，依靠液柱壓力平衡地層坍塌壓力是保持井眼穩(wěn)定的必要條件。但是，百口泉組及上烏爾禾組地層發(fā)育的砂礫巖夾泥巖使問題復雜化。使用水基鉆井液條件下，濾液進入膠結(jié)疏松的砂礫巖，導致附近產(chǎn)生較強的應(yīng)力，加強了使顆粒間裂縫張開的趨勢。鉆進過程中返出掉塊時，現(xiàn)場往往提高鉆井液密度，提高鉆井液密度會暫時有利于井眼穩(wěn)定，隨時間推移，鉆井液濾液不斷進入后、井壁附近的地層孔隙壓力隨之升高，這時受井內(nèi)波動壓力等影響，會加劇井眼不穩(wěn)定。

鉆井工況不同，鉆井液對井壁施加的力是變化的。停止循環(huán)時作用在井壁上的力為靜液柱壓力。正常循環(huán)時除靜液柱壓力外井壁還受到附加的環(huán)空壓耗的作用，接單根或接立柱停泵后，環(huán)空壓耗消失。起下鉆時產(chǎn)生激動壓力和抽吸壓力。起鉆產(chǎn)生的抽汲壓力降低了鉆井液當量密度，對井壁支撐力降低。下鉆產(chǎn)生的激動壓力增加了鉆井液當量密度，井壁受到加載作用。此外，開泵和停泵操作也對井壁產(chǎn)生影響。鉆井過程中井壁反復承受加載和卸載過程，加劇了井壁失穩(wěn)的趨勢。國內(nèi)外基于瞬態(tài)波動壓力和穩(wěn)態(tài)波動壓力計算方法對井內(nèi)波動壓力進行了深入研究。關(guān)于泥漿泵開泵和停泵產(chǎn)生的壓力變化規(guī)律研究相對較少[1]。但是，鉆井開泵、特別是停泵的速度卻對井壁產(chǎn)生著非常重要的作用。受開泵和停泵影響，流體由之前的穩(wěn)定流狀態(tài)過渡到不穩(wěn)定流狀態(tài)，環(huán)空流速、流量以及環(huán)空壓耗發(fā)生變化。開泵和停泵產(chǎn)生的壓力變化規(guī)律可用質(zhì)量守恒和動量定律描述：

式中：Q——流量；

A——截面積；

p——壓力；

s——深度；

t——時間；

為了建立科學的、系統(tǒng)地實現(xiàn)對國家脆弱性的綜合分析模型，本文從自然因素、環(huán)境因素和社會因素選擇了50個指標來衡量國家的脆弱性，由于指標過多，會增加計算的復雜度，因此文章采用PCA(主成分分析)方法先對指標進行降維，

ρ——鉆井液密度；

g——重力加速度；

z——垂深；

C——壓力波傳播速度；

pf——壓耗。

開泵速度越快，流動狀態(tài)變化也越快，相應(yīng)產(chǎn)生的波動壓力也就越大。同時，瞬時開泵時，壓力波動以阻尼振動的形式傳遞，井底波動壓力瞬間達到一個很高的數(shù)值，受管壁摩擦作用波動壓力逐漸衰弱，最后達到一個較為穩(wěn)定的數(shù)值，直至消失。

2.2 鉆具機械干擾影響

鉆進過程中，鉆具不僅存在縱向和橫向振動，而且還有扭轉(zhuǎn)振動，扭轉(zhuǎn)振動造成鉆具轉(zhuǎn)速變化，當鉆具突然加速旋轉(zhuǎn)時，扭矩可能突然增加，多種復雜的振動加劇了鉆具與井壁的交互作用[2]。起下鉆、短程起下鉆、接單根或接立柱前的劃眼洗井等作業(yè)環(huán)節(jié)，機械外力直接作用于井壁，機械干擾作用力直接促進了井壁失穩(wěn)。砂礫巖層段膠結(jié)差地層強度低、受鉆井液沖刷、波動壓力及鉆具機械碰撞等作用造成薄弱井段井壁失穩(wěn)、坍塌，現(xiàn)場施工往往表現(xiàn)出當完成上述動作后，鉆井液循環(huán)過了遲到時間后，振動篩上見到形狀各異的掉塊。

3 百口泉組及上烏爾禾組復雜判斷及處理

針對三疊系百口泉組及二疊系上烏爾禾組地層受多種因素影響易垮塌的特點，現(xiàn)場以超細碳酸鈣、陽離子乳化瀝青等改善泥餅質(zhì)量、強化封堵效果。使用鉀鈣基有機鹽鉆井液強化抑制性，復配銨鹽等降低濾失量。工程上優(yōu)選鉆頭加快鉆進速度，優(yōu)化鉆具組合及施工參數(shù)減少機械作用對井壁的干擾。鉆具內(nèi)和環(huán)空構(gòu)成一個U型管，受慣性和環(huán)空巖屑影響，常規(guī)停泵操作接單根期間鉆具內(nèi)往往倒返鉆井液。過快的停泵速度造成環(huán)空鉆井液流動方向波動?！按蠖亲印敝袔r屑或存在的掉塊通常較難完全被清除掉，當停泵速度過快時，這些巖屑或掉塊也隨鉆井液波動狀態(tài)的迅速變化而改變其運動狀態(tài)，幾千克巖屑或掉塊就可能堵塞環(huán)空。為此，作者在現(xiàn)場要求延長停泵時間，以每5～10沖為一個臺階逐步降低泥漿泵排量減少波動壓力，降低“大肚子”中巖屑或存在的掉塊受鉆井液流動波動的影響下沉進而堵塞環(huán)空的風險。

CP-24井鉆進時扭矩、泵壓以及鉆具懸重等參數(shù)正常，鉆完立柱后停泵速度快時，上提鉆具往往出現(xiàn)不同噸位的掛卡現(xiàn)象。鉆進至4780m準備取芯，完成洗井過程后停泵速度快，上提掛卡、至4650m左右遇卡泥漿泵開不通?，F(xiàn)場判斷不是井壁垮塌而是“大肚子”中堆積的巖屑或掉塊下沉堵塞了環(huán)空，下壓鉆具45m帶堆積物下行，緩慢開泵逐步建立鉆井液循環(huán)通道后解卡。鉆進至4805m停泵準備接立柱，停泵速度快，上提掛卡、憋泵，鉆具上下活動范圍小、鉆具能轉(zhuǎn)動，由于鉆具沒有下放空間，在轉(zhuǎn)動鉆具過程中加重鉆桿母扣斷、解卡。隨后打撈筒一次撈出落魚。CP-24井4604～4612m井段取出的巖芯下部散塌，同時，完井電測資料也顯示，4550～4620m井段井徑擴大率非常大，快速停泵后，“大肚子”中少量巖屑或掉塊極易下落堵塞環(huán)空。該井兩次復雜處理后洗井過程中均沒有發(fā)現(xiàn)地層坍塌掉塊等，也表明造成井下復雜的原因不是地層坍塌。

4 結(jié)論

（1）百口泉組及上烏爾禾組井壁失穩(wěn)受多種因素影響，波動壓力和鉆具碰撞是導致垮塌的直接原因。

（2）晚停泵、緩停泵、降低停泵速度可以預防井下復雜，避免復雜處理的誤判。