超深井安全提速提產(chǎn)地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)

胥志雄 張 輝 尹國(guó)慶 徐 珂 王海應(yīng) 王志民 劉新宇 董 仁 周建平

1.中國(guó)石油塔里木油田公司 2.中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院 3.中國(guó)石油塔里木油田公司工程技術(shù)處

0 引言

庫(kù)車坳陷位于塔里木盆地北緣，勘探面積超2.6×104km2，目前天然氣探明儲(chǔ)量已超1×1012m3，建成天然氣產(chǎn)能規(guī)模約150×108m3/a，已成為國(guó)內(nèi)大型陸相超深碎屑巖天然氣生產(chǎn)基地[1-2]。目前該區(qū)鉆井最深已超過8 200 m，鉆完井工程不僅面臨強(qiáng)研磨裂縫性砂巖儲(chǔ)層，還需要應(yīng)對(duì)兼具高陡強(qiáng)擠壓構(gòu)造、特殊巖體、復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)屬性等因素疊加帶來的復(fù)雜工況，導(dǎo)致鉆井周期長(zhǎng)，單井自然產(chǎn)能較低[3-5]，因此每口氣井的安全提速和有效提產(chǎn)是超深復(fù)雜天然氣效益勘探開發(fā)的關(guān)鍵。

目前對(duì)超深層巖石性質(zhì)和力學(xué)行為認(rèn)識(shí)有限，且其巖石力學(xué)本構(gòu)關(guān)系可能與淺層有較大差異?？傮w而言，超深層地質(zhì)力學(xué)研究較石油工程實(shí)踐活動(dòng)略有滯后，在地殼深部由于高溫、高壓和高應(yīng)力作用，常常積累了高強(qiáng)度能量，導(dǎo)致超深層資源開采中重大災(zāi)害性安全事故風(fēng)險(xiǎn)較高[6-8]。超深層由于壓實(shí)作用強(qiáng)烈，基質(zhì)孔隙度和滲流能力極低，天然裂縫是改善儲(chǔ)層品質(zhì)的關(guān)鍵，但其也加劇了超深油氣藏的復(fù)雜性，加之受強(qiáng)地應(yīng)力各向異性的影響，儲(chǔ)層改造機(jī)理復(fù)雜，單井提產(chǎn)挑戰(zhàn)較大[9-11]。

由于常規(guī)油氣勘探開發(fā)中地質(zhì)研究與工程實(shí)施之間在技術(shù)上被“條塊化”分割，管理上屬于“接力式”并行[12]，因此對(duì)一些特殊地質(zhì)條件引起的井涌、井塌、井漏、高抗鉆及難壓裂等問題研究不夠深入，內(nèi)在地質(zhì)主控因素和地質(zhì)力學(xué)機(jī)理不清[5,13-14]，導(dǎo)致工程方案設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化缺乏科學(xué)依據(jù)。在深層復(fù)雜地質(zhì)條件下油氣井鉆井中，地質(zhì)力學(xué)屬性是影響鉆井井軌道優(yōu)化[15-16]、可鉆性評(píng)估[17]、井壁穩(wěn)定性[18-19]、完井防砂控砂[20]和儲(chǔ)層改造[9,21]等方面的關(guān)鍵參數(shù)。因此地質(zhì)力學(xué)在地質(zhì)工程一體化中起橋梁作用，以確保地質(zhì)認(rèn)識(shí)和工程技術(shù)無縫銜接，切實(shí)解決工程難題。以庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶典型氣藏為例，剖析了以地質(zhì)力學(xué)為橋梁的超深井地質(zhì)工程一體化技術(shù)流程，闡述了其在庫(kù)車坳陷超深井安全鉆井和單井提產(chǎn)中的實(shí)踐效果，為中國(guó)西部復(fù)雜超深探區(qū)快速建井和效益開發(fā)提供了可借鑒的一體化關(guān)鍵技術(shù)。

1 地質(zhì)背景與提速提產(chǎn)難點(diǎn)

克拉蘇構(gòu)造帶所處的庫(kù)車坳陷北與南天山斷裂褶皺帶以逆沖斷層相接，南為塔北隆起（圖1），庫(kù)車坳陷地表地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)均非常復(fù)雜[22-23]，在強(qiáng)擠壓應(yīng)力作用下沿深部滑脫層形成一系列褶皺、褶皺相關(guān)斷層及突發(fā)構(gòu)造。由此帶來諸多鉆完井工程問題：①山巒起伏地表給井點(diǎn)選址和地面工程帶來困難；②淺層的“屋脊?fàn)睢睂?dǎo)致地層高陡（地層傾角局部高達(dá)70°）且斷裂發(fā)育，極易引起井壁失穩(wěn)造成鉆井復(fù)雜事故，另外淺部沉積的巨厚礫石層（最厚4 500 m），可鉆性差，是制約鉆井效率的最大難題之一；③塑性地層的泥巖、膏鹽、鹽巖互層交互，厚度變化大（數(shù)百米至4 000 m），鉆井過程中物理作用和化學(xué)作用造成井筒環(huán)境復(fù)雜，垮塌、漏失、溢流問題并存，鉆井難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高；④鹽下地層高度疊置，斷裂發(fā)育，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高，另一方面鹽下儲(chǔ)層埋深大（最深超8 200 m）帶來的“高溫度、高壓力、高應(yīng)力”極端條件更加劇了井控安全風(fēng)險(xiǎn)和儲(chǔ)層改造的難度。

圖1 研究工區(qū)位置、構(gòu)造、巖性分布圖

以克拉蘇構(gòu)造帶西部的博孜3號(hào)構(gòu)造為例（圖1），南部受克深斷裂控制，北部受三級(jí)斷裂阿瓦4號(hào)構(gòu)造南斷裂、博孜15號(hào)構(gòu)造南斷裂和博孜17號(hào)構(gòu)造南斷裂控制。地層為正常層序，鹽上地層為西域組至古近系蘇維依組，發(fā)育巨厚礫石層，實(shí)鉆最大厚度達(dá)4 800 m，礫石層地層強(qiáng)度低、局部出現(xiàn)反轉(zhuǎn)型應(yīng)力場(chǎng)，井壁崩落掉塊嚴(yán)重，可鉆性較差，為7～10級(jí)，屬于高抗鉆地層[24]，且由于成巖性不同[25]，淺層未成巖礫石地層鉆進(jìn)中漏失嚴(yán)重，堵漏難度大。鹽上地層中，新近系吉迪克組至古近系蘇維依組高含泥質(zhì)，其中黏土礦物含量中蒙脫石占7.0%～10.3%，實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為水化作用強(qiáng)，實(shí)鉆顯示垮塌掉塊、卡鉆和鉆頭泥包現(xiàn)象嚴(yán)重。古近系庫(kù)姆格列木群為復(fù)合鹽層，巖性以鹽巖、石膏、白云巖和泥巖夾層為主，埋深最深達(dá)6 300 m，實(shí)際鉆井分析，地層蠕變性強(qiáng)[26-27]，且鹽間夾雜的白云巖、粉砂巖地層存在孔隙流體，易漏失，局部存在高壓鹽水，井控風(fēng)險(xiǎn)高。鹽下地層為裂縫性砂巖地層，局部夾雜粉砂質(zhì)泥巖和礫巖，實(shí)鉆顯示地層研磨性強(qiáng)，鉆進(jìn)中漏失與遇阻同存，漏轉(zhuǎn)噴風(fēng)險(xiǎn)極高；且儲(chǔ)層致密，有效儲(chǔ)層平均孔隙度為6.92%，平均滲透率為0.267 mD，應(yīng)力場(chǎng)與天然裂縫分布非均質(zhì)性強(qiáng)，壓裂方案參數(shù)優(yōu)化及壓裂施工難度大，改造增產(chǎn)效果有待進(jìn)一步提高。

2 地質(zhì)工程一體化技術(shù)路線

經(jīng)過大量的深層巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、地質(zhì)力學(xué)建模研究和鉆完井工程實(shí)踐，提出地質(zhì)—地質(zhì)力學(xué)—工程一體化的研究與實(shí)踐技術(shù)路線，分為四步，如圖2所示。

圖2 超深井地質(zhì)工程一體化技術(shù)路線圖

第1步：建立鉆完井工程需求與復(fù)雜地質(zhì)因素之間的關(guān)聯(lián)性。分析超深井安全提速提產(chǎn)各工程環(huán)節(jié)的需求——①井控安全、②井壁穩(wěn)定、③井眼軌道優(yōu)選、④提速、⑤壓裂改造、⑥出砂防治；以及以上工程需求對(duì)應(yīng)的復(fù)雜地質(zhì)因素——①?gòu)?fù)雜構(gòu)造、②高抗鉆地層、③高蠕變地層、④多弱面地層、⑤斷裂、⑥裂縫、⑦高壓、⑧復(fù)雜巖石力學(xué)、⑨高地應(yīng)力；即明確可能帶來工程復(fù)雜和困難的地質(zhì)條件，以便開展針對(duì)性的地質(zhì)建模和地質(zhì)力學(xué)研究。

第2步：以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、地質(zhì)構(gòu)造格架和井震聯(lián)合的地球物理信息為基礎(chǔ)，建立不同尺度和不同維度的地質(zhì)與地質(zhì)力學(xué)模型，結(jié)合鉆完井工程信息，評(píng)價(jià)各層系三維空間的鉆井品質(zhì)和油氣藏完井品質(zhì)。根據(jù)鉆完井品質(zhì)，在鉆前井位研究階段即考慮鉆井復(fù)雜少和完井有利于改造兩個(gè)方面，優(yōu)化井位和井眼軌道。

第3步：根據(jù)鉆前井位與井軌道研究中的地質(zhì)與地質(zhì)力學(xué)信息，優(yōu)化鉆井工程設(shè)計(jì)。同時(shí)在隨鉆中根據(jù)實(shí)時(shí)鉆井與錄井信息重構(gòu)地質(zhì)力學(xué)模型，為鉆進(jìn)提供實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以應(yīng)對(duì)鉆井過程中由于構(gòu)造、地層或地質(zhì)力學(xué)參數(shù)變化引起的工程響應(yīng)。

第4步：完鉆后，首先根據(jù)井筒地質(zhì)、測(cè)井和工程信息建立一維地質(zhì)力學(xué)剖面，根據(jù)砂巖基質(zhì)、裂縫和地應(yīng)力特征評(píng)價(jià)近井筒地層可壓裂性。然后利用遠(yuǎn)探測(cè)聲波資料、井震聯(lián)合反演資料和三維地質(zhì)模型，構(gòu)造井周300 m尺度范圍三維地質(zhì)力學(xué)和可壓裂性模型[9]。最后利用上述綜合地質(zhì)與地質(zhì)力學(xué)信息優(yōu)化壓裂改造工程方案，實(shí)現(xiàn)超深油氣井安全提速提產(chǎn)。

3 超深層地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 復(fù)雜構(gòu)造三維地應(yīng)力場(chǎng)建模技術(shù)

針對(duì)克拉蘇構(gòu)造帶鹽下疊瓦狀儲(chǔ)層交錯(cuò)疊置發(fā)育的特征，本研究中采用逆向有限元法建立三維地應(yīng)力場(chǎng)模型。首先通過建立全層系地質(zhì)幾何模型，在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀、局部加密以及切割等預(yù)處理的基礎(chǔ)上，以建立滿足地應(yīng)力模擬的連續(xù)、規(guī)則層面為目標(biāo)，采用逆向有限元工程建模的思路，克服了連片地應(yīng)力建模中逆斷層與重復(fù)地層建模的技術(shù)難題，準(zhǔn)確地搭建了斷層與地層的復(fù)雜交切關(guān)系。其次，采用X—Y雙向差異迭代的方法，對(duì)部分起伏大、跨度大的長(zhǎng)條連體背斜迭代掃描，進(jìn)一步提高逆向有限元建模精度；通過有限元模型與地質(zhì)點(diǎn)云計(jì)算分析，調(diào)整局部單元的建模誤差。再次，通過在有限元模型中虛置幾何層面，靈活實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力模型網(wǎng)格細(xì)化與粗化，建立疊置推覆體地應(yīng)力網(wǎng)格連片模型。最后，結(jié)合井點(diǎn)地應(yīng)力大小、方向，確定模型的邊界載荷約束條件，實(shí)現(xiàn)大變形地質(zhì)體全層系地應(yīng)力場(chǎng)建模。

3.2 異常高壓預(yù)測(cè)技術(shù)

采用壓實(shí)趨勢(shì)法預(yù)測(cè)砂泥巖地層的孔隙壓力[28]。建立正常的趨勢(shì)線方程是進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，忽略非壓實(shí)等影響因素，認(rèn)為偏離的部分是孔隙流體壓力異常造成，發(fā)生正向偏移，則為異常高壓響應(yīng)，根據(jù)其偏離程度，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)孔隙壓力。

實(shí)際應(yīng)用中，建立井震聯(lián)合反演的孔隙壓力預(yù)測(cè)方法，該方法通過井震聯(lián)合反演，得到預(yù)測(cè)井的波阻抗值，進(jìn)而根據(jù)區(qū)域巖石物理關(guān)系，剝離出聲波曲線，采用壓實(shí)趨勢(shì)線法進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)時(shí)，采用鄰井鄰區(qū)實(shí)測(cè)井的壓力數(shù)據(jù)或鉆井實(shí)際使用鉆井液密度進(jìn)行校正，以提高預(yù)測(cè)精度。

3.3 井壁穩(wěn)定分析技術(shù)

前人研究認(rèn)為[20]，當(dāng)井眼與層理、斷裂等弱面的夾角為60°時(shí)，地層強(qiáng)度下降值最大，井壁失穩(wěn)概率增大。對(duì)于裂縫性地層而言，當(dāng)鉆井液密度大于裂縫開啟壓力后，裂縫發(fā)生漏失，鉆井液對(duì)裂縫面支撐作用降低，裂縫面產(chǎn)生剪切破壞，引起掉塊卡鉆。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆分析，裂縫面掉塊整體呈團(tuán)塊狀，與井壁剝落呈條狀的掉塊顯著不同，可從掉塊形狀判斷是否裂縫等弱面發(fā)生掉塊。因此，對(duì)于裂縫性地層來說，防止發(fā)生漏失是減少井壁失穩(wěn)，降低鉆井復(fù)雜的關(guān)鍵。

在孔隙壓力、現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力方位、巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，引入天然裂縫的產(chǎn)狀信息，分析裂縫面受力狀態(tài)，一方面分析裂縫影響下的井壁坍塌壓力，得到鉆井液密度的下限值，另一方面，分析裂縫的臨界開啟壓力，即裂縫漏失臨界壓力，得到鉆井液密度的上限，從而確定裂縫性地層鉆井液安全密度窗口。為了盡可能防止裂縫弱面引起的井壁失穩(wěn)，設(shè)計(jì)合理的鉆井液密度是基礎(chǔ)，同時(shí)需要提高鉆井液的抑制性和封堵性。

3.4 可鉆性評(píng)估技術(shù)

巖石可鉆性是評(píng)價(jià)地層難鉆程度的客觀指標(biāo)，是地質(zhì)分層和鉆頭選型的重要依據(jù)。通常，在可鉆性實(shí)驗(yàn)測(cè)定基礎(chǔ)上，測(cè)量巖石強(qiáng)度參數(shù)，建立可鉆性與巖石強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，而巖石力學(xué)參數(shù)的評(píng)估與地層縱波、橫波、密度有直接關(guān)系，從而建立可鉆性與巖石物理參數(shù)的關(guān)系，獲取可鉆性連續(xù)剖面[29]。

通過鉆速模擬模型，將鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆頭尺寸及鉆頭磨損率結(jié)合起來，模擬與實(shí)際鉆速相吻合的最佳方案；根據(jù)實(shí)際鉆頭參數(shù)（切齒密度、刀翼數(shù)、切齒齒徑）與可鉆性等建立關(guān)系，結(jié)合鉆頭磨損率、地層研磨性，優(yōu)選出適合該區(qū)塊的最優(yōu)鉆頭，從而達(dá)到提高鉆進(jìn)效率的目的。

3.5 危險(xiǎn)與安全井眼軌道分析技術(shù)

鉆井過程中，由于井筒井斜、方位的變化，井周應(yīng)力重新分配，導(dǎo)致井眼軌跡的穩(wěn)定性發(fā)生變化，出現(xiàn)危險(xiǎn)和安全的鉆進(jìn)方位，前人研究采取數(shù)值分析方法確定定向井安全和危險(xiǎn)鉆井方位。

在定向井（大斜度井、水平井等）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上，開展定向井井壁應(yīng)力模型求解，以摩爾—庫(kù)侖方程為基準(zhǔn)，獲得定向井井壁穩(wěn)定性控制方程。當(dāng)給定研究區(qū)塊和深度時(shí)，可以準(zhǔn)確求取地應(yīng)力和孔隙壓力，當(dāng)給定一個(gè)水平井軌跡后，得到該軌跡點(diǎn)的最大主應(yīng)力，且該最大主應(yīng)力在井壁范圍內(nèi)存在一個(gè)最大值，該最大值表示該方位井壁最先破壞時(shí)的應(yīng)力。通過比較每一個(gè)方位的最大值，可得到這些最大值中的最大值和最小值，那么，最安全的水平井眼方位與主應(yīng)力最大值中的最小值相對(duì)應(yīng)[15]，該方位處井壁穩(wěn)定性最好，所需鉆井液密度低，而最危險(xiǎn)的水平井眼方位與主應(yīng)力最大值中的最大值相對(duì)應(yīng)，該方位處井壁穩(wěn)定性最差，所需鉆井液密度高。

3.6 可壓裂性預(yù)測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)方法認(rèn)為，可壓裂性是頁(yè)巖儲(chǔ)層具有能夠被有效壓裂從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的性質(zhì)，頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性與巖石的脆性和韌性相關(guān)，不同的可壓裂性頁(yè)巖在水力壓裂過程中形成不同的裂縫網(wǎng)絡(luò)，以此建立了可壓裂性預(yù)測(cè)模型。而克拉蘇構(gòu)造帶儲(chǔ)層為白堊系裂縫性砂巖儲(chǔ)層，復(fù)雜構(gòu)造導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)和裂縫分布極不均勻，采用上述可壓裂性計(jì)算模型對(duì)脆性和斷裂韌性相似的兩口井進(jìn)行計(jì)算，二者值域相當(dāng)，采用近乎一致的改造方式進(jìn)行改造，單井無阻流量差異巨大，該模型無法準(zhǔn)確表征復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)、含裂縫儲(chǔ)層的真實(shí)壓裂難易程度。

筆者從克拉蘇儲(chǔ)層的特殊性出發(fā)，考慮巖石脆性、地應(yīng)力、斷裂韌性和天然裂縫受力狀態(tài)，分析4個(gè)參數(shù)對(duì)地層壓裂難易程度的控制關(guān)系，建立新可壓裂性指數(shù)預(yù)測(cè)模型[9]，該模型能夠很好地表征其儲(chǔ)集層壓裂難易程度，且能夠?qū)Σ煌瑯?gòu)造位置的儲(chǔ)集層和不同儲(chǔ)集層深度上的壓裂難易特征敏感表征。用于氣井儲(chǔ)集層改造前井間和層間的壓裂難易程度的定量分析，以此優(yōu)化壓裂工程方案，為儲(chǔ)集層改造方式選擇，壓裂分級(jí)優(yōu)化，射孔位置確定，注入壓力選擇，泵注程序優(yōu)化等提供依據(jù)。

3.7 人工與天然縫交互模擬技術(shù)

對(duì)于天然裂縫性低孔低滲儲(chǔ)層，天然裂縫的存在會(huì)影響水力壓裂縫的擴(kuò)展，尤其以天然裂縫走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向的夾角（入射角）、天然裂縫膠結(jié)程度、裂縫面受力狀態(tài)等影響較大，同時(shí)天然裂縫與人工裂縫的穿割關(guān)系受二者之間的逼近角度[30]、水平主應(yīng)力差、區(qū)域巖石力學(xué)、施工參數(shù)等控制，不同的穿割關(guān)系對(duì)壓裂縫網(wǎng)分布特征和產(chǎn)能有直接關(guān)系。

以井筒一維巖石力學(xué)、應(yīng)力場(chǎng)和天然裂縫力學(xué)特征研究為基礎(chǔ)，建立近井筒三維巖石力學(xué)、應(yīng)力場(chǎng)和天然裂縫預(yù)測(cè)模型。開展人工裂縫與天然裂縫交互作用模擬時(shí)，根據(jù)野外露頭、取心和測(cè)井情況，設(shè)置天然裂縫的充填程度、膠結(jié)程度、延伸范圍及射孔層段、壓裂液性能等參數(shù)，通過模擬不同遠(yuǎn)場(chǎng)主應(yīng)力比、入射角，以產(chǎn)能最大化為原則，考慮裂縫擴(kuò)展機(jī)理和施工參數(shù)規(guī)模，模擬計(jì)算生成復(fù)雜縫網(wǎng)模型，并采用先進(jìn)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓裂后復(fù)雜縫網(wǎng)模型精細(xì)表征。從模擬特征看，地應(yīng)力差值越小，入射角越小，水力裂縫越容易沿天然裂縫延伸，形成較單一縫網(wǎng)，反之水力裂縫更趨于直接穿過天然裂縫，沿著最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，形成網(wǎng)狀縫。天然裂縫的膠結(jié)強(qiáng)度比較低時(shí)，水力裂縫更易于沿著天然裂縫擴(kuò)展，而當(dāng)水力裂縫遭遇高膠結(jié)強(qiáng)度的天然裂縫時(shí)，水力裂縫更容易直接穿過天然裂縫。根據(jù)實(shí)際模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)最優(yōu)的施工參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)產(chǎn)能的效果。

4 地質(zhì)工程一體化實(shí)施實(shí)例

以前文所述博孜3構(gòu)造為例，詳細(xì)闡述以鉆井安全提速和完井改造提產(chǎn)為目標(biāo)的地質(zhì)工程一體化實(shí)施過程。

4.1 井點(diǎn)優(yōu)選與井型井軌道優(yōu)化

整個(gè)庫(kù)車坳陷在強(qiáng)烈擠壓的宏觀背景和構(gòu)造之間復(fù)雜的相互擠壓作用下，加之巖性互層發(fā)育導(dǎo)致不同構(gòu)造之間、同一構(gòu)造內(nèi)部?jī)?chǔ)層非均質(zhì)性大大增強(qiáng)。特別是地質(zhì)邊界條件對(duì)構(gòu)造內(nèi)地應(yīng)力和天然裂縫的分布有極為重要的控制。圖3為基于哈弗耐模式[31]的儲(chǔ)層非均質(zhì)性示意圖，可以看出，構(gòu)造內(nèi)部地應(yīng)力場(chǎng)和裂縫分布在梯度變化的地質(zhì)邊界作用下非均質(zhì)性非常明顯，形成了差異顯著的應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力空白區(qū)，進(jìn)而發(fā)育高角度裂縫帶、低角度裂縫帶和裂縫空白帶，并且這種強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓條件下地質(zhì)邊界條件對(duì)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)（地應(yīng)力、天然裂縫等）的控制程度甚至強(qiáng)于局部褶皺構(gòu)造。

圖3 基于哈弗耐模式的儲(chǔ)層非均質(zhì)性示意圖

在這種復(fù)雜條件下，大斜度井展現(xiàn)了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。一方面，極強(qiáng)的非均質(zhì)導(dǎo)致直井很難準(zhǔn)確地進(jìn)入分布零散的甜點(diǎn)區(qū)，井位部署難度大；另一方面，庫(kù)車坳陷普遍發(fā)育高角度裂縫，致使直井即使進(jìn)入裂縫甜點(diǎn)，也往往會(huì)與諸多裂縫“擦肩而過”，可能造成失利。然而，大斜度井能夠突破這兩個(gè)局限，它能夠最大可能地穿過更多、更大范圍的有利部位，也能鉆遇很多的天然裂縫，不但降低了井位部署的難度，還能增加實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的的把握，是博孜3構(gòu)造實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)井型。

采用前文所述方法，建立博孜3構(gòu)造的全層系的三維應(yīng)力場(chǎng)模型（圖4-a），模型縱向分辨率2～5 m，并預(yù)測(cè)了天然裂縫及其活動(dòng)性（本文中采用裂縫面剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值表示）分布（圖4-b），冷色為活動(dòng)性差的裂縫，暖色為活動(dòng)性好的裂縫。

圖4 博孜3斷塊三維應(yīng)力場(chǎng)與井軌道優(yōu)化圖

由圖4可知，博孜3構(gòu)造平面上不同部位天然裂縫及其活動(dòng)性存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性，構(gòu)造北西—南東方向天然裂縫欠發(fā)育且活動(dòng)性較弱，構(gòu)造西部存在活動(dòng)性較強(qiáng)的裂縫發(fā)育帶，是井點(diǎn)優(yōu)選的優(yōu)勢(shì)區(qū)域。另外，將天然裂縫與應(yīng)力在縱向上疊合顯示（圖4-c），圖中顏色為最小水平主應(yīng)力大小，藍(lán)色為低值，紅色為高值。根據(jù)前文所述，選取天然裂縫發(fā)育且活動(dòng)性好的區(qū)域和應(yīng)力低值區(qū)域作為井位部署的優(yōu)勢(shì)區(qū)域，同時(shí)根據(jù)高角度的天然裂縫發(fā)育的特征，鉆探大斜度井能夠穿越更多活動(dòng)性好的天然裂縫。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)了博孜3-1X、3-2X、3-3X三口大斜度井，同時(shí)兼顧井壁穩(wěn)定性，優(yōu)化其軌道方位為北西—南東方向。

4.2 鉆井安全提速參數(shù)優(yōu)化

重點(diǎn)論證井身結(jié)構(gòu)、鉆井液安全密度窗口、鉆頭型號(hào)選擇等參數(shù)。

4.2.1 三壓力剖面與井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度優(yōu)化

采用前文所述壓力預(yù)測(cè)方法，并以此為基礎(chǔ)，建立全井筒的孔隙壓力、坍塌壓力和漏失壓力（下稱三壓力）剖面，如圖5所示，明確三壓力縱向分布特征，結(jié)合地質(zhì)對(duì)高壓鹽水深度、軟泥巖深度、鹽巖位置等預(yù)測(cè)，以工程易于實(shí)施為基礎(chǔ)，明確必封點(diǎn)位置及套管層次，并且確定每一開次合理的鉆井液密度。

圖5 三壓力預(yù)測(cè)與井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

如二開的庫(kù)車組上部具有弱水化、中等分散、成巖性差等地質(zhì)特征，設(shè)計(jì)的鉆井液體系需具備提高抑制性、封堵性的性能；庫(kù)車組中下部具有中等水化、強(qiáng)分散、應(yīng)力作用顯現(xiàn)、易剝落坍塌等地質(zhì)特征，設(shè)計(jì)的鉆井液體系需密度大小合適且具備提高抑制性、封堵性與泥餅質(zhì)量的性能；三開的吉迪克組、蘇維依組具有強(qiáng)水化、強(qiáng)分散、易坍塌等地質(zhì)特征，設(shè)計(jì)的鉆井液體系需具備提高抑制性及防塌性、維持低濾失的性能。

4.2.2 可鉆性分析與鉆頭選擇

以地質(zhì)工程一體化研究為基礎(chǔ)，分區(qū)、分層段建立鉆頭參數(shù)（切齒數(shù)、刀翼數(shù)、切齒齒徑）與礫巖層機(jī)械特性及可鉆性關(guān)系，綜合考慮礫巖研磨能力優(yōu)選更合適地層的鉆頭參數(shù)。在研發(fā)設(shè)計(jì)三斜面齒PDC鉆頭基礎(chǔ)上，深化巖性和鉆頭工作狀態(tài)認(rèn)識(shí)，通過優(yōu)化切削齒心部平面設(shè)計(jì)、鉆頭布齒和保徑設(shè)計(jì)等[32-34]，研發(fā)設(shè)計(jì)高抗擊多棱齒PDC鉆頭，并在礫巖層準(zhǔn)成巖段、成巖段進(jìn)行試驗(yàn)（圖6），結(jié)果顯示，單只鉆頭平均進(jìn)尺高，鉆速快。通過持續(xù)的研發(fā)、試驗(yàn)評(píng)價(jià)、優(yōu)化改進(jìn)、再試驗(yàn)的流程優(yōu)選鉆頭參數(shù)。同時(shí)為降低震動(dòng)、提高鉆井工具壽命，在礫石層分巖性（未成巖、準(zhǔn)成巖、成巖）井段針對(duì)性選用減震器、垂直鉆井工具等提速工具，采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高泵壓、大排量、大扭矩等措施強(qiáng)化原則，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。

圖6 可鉆性與鉆頭優(yōu)化圖

4.2.3 地質(zhì)力學(xué)模型隨鉆重構(gòu)與二次壓力預(yù)測(cè)

利用上部已鉆開地層的測(cè)井、VSP資料對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行重新標(biāo)定，開展波阻抗反演，獲取下部未鉆開地層的波阻抗數(shù)據(jù)，重構(gòu)未鉆開地層的巖石物理模型，以已鉆開地層的鉆井工程數(shù)據(jù)為刻度，實(shí)現(xiàn)地層壓力二次預(yù)測(cè)。以此為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)未鉆開地層巖石力學(xué)、地應(yīng)力數(shù)據(jù)，修正坍塌壓力、漏失壓力以及鹽巖蠕變模型，提出安全鉆井液密度窗口和鉆井液性能優(yōu)化建議。通過實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井液密度，有效降低井控風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)械鉆速，優(yōu)化下套管位置，避免井下事故的持續(xù)發(fā)生。

利用博孜3-2X井目的層以上測(cè)井資料對(duì)區(qū)域速度場(chǎng)進(jìn)行校正，結(jié)合博孜3區(qū)塊試采引起的氣藏壓力下降幅度，預(yù)測(cè)其目的層鉆井液密度窗口由1.92～2.05 g/cm3調(diào)整在1.87～1.95 g/cm3之間，窗口寬度由0.13 g/cm3縮小為0.08 g/cm3，該井采用1.87 g/cm3的鉆井液密度揭開目的層，未發(fā)生影響鉆井安全和速度的復(fù)雜事件，實(shí)現(xiàn)順利完鉆。

4.3 完井改造參數(shù)優(yōu)化

4.3.1 單井完井地質(zhì)力學(xué)綜合評(píng)價(jià)

通過在克拉蘇構(gòu)造帶近百余井地質(zhì)力學(xué)參數(shù)對(duì)壓裂改造效果影響分析，提煉出與儲(chǔ)層完井品質(zhì)相關(guān)的5個(gè)參數(shù)，分別是最小水平主應(yīng)力相對(duì)值（Sh）、最大水平主應(yīng)力方向與天然裂縫走向夾角（θ）、裂縫發(fā)育線密度（DF）、天然裂縫剪應(yīng)力與有效正應(yīng)力比（τ/σne）、強(qiáng)應(yīng)力占儲(chǔ)層段應(yīng)力比值（K），將儲(chǔ)層品質(zhì)分為4類，并分別提出了對(duì)應(yīng)的地質(zhì)力學(xué)改造建議（表1）。

表1 裂縫性儲(chǔ)層完井品質(zhì)分類方案及提產(chǎn)對(duì)策表

為強(qiáng)化地質(zhì)工程一體化在單井有效提產(chǎn)中的支撐作用，建立了完井地質(zhì)工程一體化標(biāo)準(zhǔn)成果圖件（圖7），該圖中包含地質(zhì)信息（地質(zhì)分層、取心情況）、測(cè)井解釋信息（孔隙度、滲透率、飽和度、裂縫解釋等）、地質(zhì)力學(xué)、鉆完井工程等信息。地質(zhì)力學(xué)信息中，包含與完井改造密切相關(guān)的地應(yīng)力、巖石脆性、水平應(yīng)力差、可壓裂性、裂縫走向與應(yīng)力方向夾角以及裂縫力學(xué)特性等。

圖7 博孜3-2X完井地質(zhì)工程一體化評(píng)價(jià)成果圖

實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)測(cè)井信息和可壓裂性選取合適的改造層段，然后根據(jù)可壓裂性指數(shù)確定射孔層段，依據(jù)應(yīng)力與裂縫夾角，初步確定改造方式，依據(jù)應(yīng)力縱向分層特征優(yōu)化分段分級(jí)方案，最后根據(jù)應(yīng)力值的大小和天然裂縫臨界開啟壓力值，確定施工壓力和施工排量。同時(shí)，在試油方案制訂時(shí)，還需要考慮縱向上距離水層的位置，優(yōu)化施工規(guī)模。根據(jù)上述原則，選取了博孜3-2X井6 119～6 154 m和6 249～6 268 m兩段作為儲(chǔ)層改造段，并根據(jù)可壓裂性優(yōu)化了射孔層段，結(jié)合表1儲(chǔ)層完井品質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，博孜3-2X井兩段應(yīng)歸為二類儲(chǔ)層，需要進(jìn)行加砂壓裂改造。

4.3.2 壓裂縫網(wǎng)模擬

對(duì)博孜3-2X井壓裂縫網(wǎng)模擬如圖8所示，圖中粉色實(shí)線為預(yù)測(cè)的天然裂縫分布，黑色虛線為模擬的人工裂縫，左上角為井筒拾取的天然裂縫走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向的關(guān)系。結(jié)果顯示，由于天然裂縫活動(dòng)性好，大部分人工裂縫沿天然裂縫延伸，并將天然裂縫繼續(xù)撕裂，產(chǎn)生沿伸距離更長(zhǎng)的裂縫，與其他裂縫交織，繼續(xù)延伸，最終形成復(fù)雜的橢圓團(tuán)狀縫網(wǎng)系統(tǒng)。另外，考慮本井上下兩段層間應(yīng)力差較高，約為10 MPa，擬采用分段壓裂的改造方式，兩段地層的液體、砂量和施工壓力則根據(jù)上述壓裂縫網(wǎng)模擬后能到達(dá)的最優(yōu)產(chǎn)能為依據(jù)確定。

圖8 天然裂縫與人工裂縫交互模擬結(jié)果圖

通過上述從井位、井型、井軌道、鉆井參數(shù)、完井改造參數(shù)等全過程的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用，博孜3構(gòu)造上的3口大斜度井較直井鉆井復(fù)雜減少70%，尤其在復(fù)合鹽巖地層，幾乎沒有發(fā)生鉆井復(fù)雜，井壁穩(wěn)定性顯著優(yōu)于直井，鉆井周期平均縮短30%。鉆后成像測(cè)井顯示，大斜度井鉆遇的天然裂縫高出直井2～3倍，改造后單井無阻流量是直井的3～10倍。

5 結(jié)論

1）系統(tǒng)梳理了塔里木盆地庫(kù)車坳陷復(fù)雜構(gòu)造背景下，地質(zhì)工程一體化實(shí)施的必要性和實(shí)施方案，地質(zhì)工程一體化有效協(xié)調(diào)了地質(zhì)研究與工程實(shí)施之間的協(xié)同工作，將“地質(zhì)研究服務(wù)工程”與“工程實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的”有機(jī)統(tǒng)一，使得鉆前的工程方案設(shè)計(jì)更具科學(xué)性，隨鉆中工程參數(shù)調(diào)整更具定量化依據(jù)。

2）系統(tǒng)總結(jié)了超深復(fù)雜構(gòu)造背景下地質(zhì)工程一體化實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，以地質(zhì)研究為基礎(chǔ)，以地質(zhì)力學(xué)為橋梁，包含復(fù)雜構(gòu)造全地層全信息的三維地質(zhì)力學(xué)建模、多套壓力系統(tǒng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、復(fù)雜地層井壁穩(wěn)定性分析、井軌道優(yōu)化、巖石可鉆性、天然裂縫及其活動(dòng)性、可壓裂性評(píng)價(jià)、天然裂縫與人工縫網(wǎng)交互模擬等，上述囊括了油氣田地質(zhì)力學(xué)幾乎所有內(nèi)容，通過技術(shù)的實(shí)施，有效支撐地質(zhì)工程一體化在鉆井安全提速和改造提產(chǎn)應(yīng)用。

3）以克拉蘇構(gòu)造帶西部的博孜3構(gòu)造為例，說明了地質(zhì)工程一體化實(shí)施主要步驟，且部署的3口井在鉆井復(fù)雜減少、周期縮短及完井改造后單井提產(chǎn)方面都顯著優(yōu)于未考慮地質(zhì)工程一體化的前期部署的直井，闡明基于地質(zhì)力學(xué)的地質(zhì)工程一體化的可行性及優(yōu)越性。證實(shí)地質(zhì)工程一體化的工作理念和關(guān)鍵技術(shù)不僅適用于塔里木盆地超深層油氣鉆探工程，對(duì)中國(guó)西部其他含油氣盆地超深復(fù)雜油氣勘探開發(fā)也有好的借鑒意義。

4）當(dāng)前面向鉆井提速和完井提產(chǎn)的地質(zhì)工程一體化實(shí)施過程中，還存在軟件獨(dú)立化、信息“孤島”化、人員分散化等突出問題，且對(duì)于中國(guó)西部地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造來說，作為地質(zhì)工程一體化實(shí)施基礎(chǔ)的三維地質(zhì)力學(xué)參數(shù)建模技術(shù)仍然存在缺陷，復(fù)雜構(gòu)造疊置區(qū)斷裂交切關(guān)系的處理等仍然需要持續(xù)攻關(guān)以提高建模精度。地質(zhì)工程一體化的工作組織、軟件平臺(tái)、技術(shù)突破仍是今后一個(gè)時(shí)期需要強(qiáng)化的關(guān)鍵方向。