川西南部鉆井井下復雜的地質原因

陳 丹 朱 萌 曾 立

中國石油川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地西南部地區(qū)構造復雜，區(qū)內斷裂發(fā)育[1-3]，多壓力系統共存，鉆井液安全密度窗口窄，近年來在該區(qū)域上鉆探的多口井均鉆遇井下復雜，側鉆頻繁。例如大深區(qū)塊的鉆探井，其平均故障率17.47%，復雜率18.58%，平均卡鉆4次，平均填井側鉆3次，且處理難度大、周期長。這些問題不僅大大減緩鉆井工程進度，對于鉆井勘探以及井控安全都是非常不利的。針對川西南地區(qū)鉆井復雜頻發(fā)的問題，不少學者展開井壁失穩(wěn)應對措施[4-6]、高壓鹽水層條件下鉆井液體系選擇和性能維護[2-3]等鉆井工程方面的研究工作，但是地質原因的分析相對較少。為了減少該區(qū)塊的復雜故障率，為制定工程應對措施提供準確的地質依據，因此，從地質方面對川西南部地區(qū)大興場、蓮花山、周公山等鉆探熱點區(qū)域的復雜原因開展分析工作。

1 井下復雜類型

截至2021年9月，四川盆地西南部地區(qū)鉆達二疊系及以下地層的共有12口井，通過研究區(qū)內8口井的資料收集整理，主要的井下復雜有3類：井漏、井壁垮塌、高壓鹽水侵。從分布層段來看，井漏從淺表地層灌口組、蓬萊鎮(zhèn)組至深部峨眉山玄武巖、二疊系茅口—棲霞組等多層段均有發(fā)生，井壁垮塌多發(fā)生在蓬萊鎮(zhèn)組、自流井組、沙灣組等泥頁巖地層及峨眉山玄武巖中，高壓鹽水侵主要發(fā)生在中三疊統雷口坡組、下三疊統嘉陵江組。還有同一地層出現多種井下復雜的情況，例如雷口坡組、嘉陵江組是井漏與高壓鹽水侵的高發(fā)層段，峨眉山玄武巖是井漏與井壁垮塌的高發(fā)層段。

鉆井井下復雜類型多，發(fā)生頻繁，多種復雜同存，從側面印證了造成川西南部地區(qū)鉆井復雜狀況的因素很多。

2 復雜工況的地質原因

2.1 井漏

井漏是一種在鉆井過程中鉆井液或其他工作液體漏失到地層的一種井下復雜現象，根據漏失通道類型和形成機理，范翔宇[7]將井漏分為了3類：①正壓差條件下以構造裂縫和成巖裂縫為通道的裂縫性漏失；②正壓差條件下以疏松巖石的孔隙及喉道為通道的滲透性漏失；③井底壓力與地層壓力差值過大造成的巖石壓張性裂縫為通道的壓張性漏失。

川西南地區(qū)井漏頻繁，從淺表地層至中深地層均有發(fā)生。根據井漏的分類，結合區(qū)域構造背景、地層巖性特征、漏失特征分析，認為造成研究區(qū)內井漏原因有3個：①斷裂帶及裂縫引起裂縫性漏失；②采空區(qū)地層壓力下降造成壓張性漏失；③高密度鉆井液引起高壓鹽水層上部低壓地層壓張性漏失。

2.1.1 斷裂帶及裂縫引起裂縫性漏失

巖石因為成巖作用和構造運動的影響，會產生裂縫及溶洞，在常規(guī)過平衡鉆井中，鉆井液會在正壓差作用下向地層滲流[8]。同時，由于巖石受到機械沖擊、鉆井液侵入、應力釋放等因素影響，會對裂縫造成二次貫穿，從而加劇漏失程度，因此裂縫性漏失具有漏速快，漏失量大的特點[9]。

研究區(qū)從淺表地層至中深地層斷裂、裂縫發(fā)育。裂縫類型為構造運動造成的構造裂縫以及成巖作用造成的成巖裂縫，正是由于這兩類裂縫的發(fā)育，導致區(qū)域內裂縫性漏失普遍存在。

1）構造裂縫性漏失

構造裂縫是由于地層的傾斜、褶皺、斷裂和巖漿活動等地殼運動產生的裂縫。

川西南部地區(qū)構造裂縫發(fā)育，與其構造背景密切相關。研究區(qū)震旦系—下二疊統發(fā)育三大構造體系：龍門山前構造體系、大興場構造體系、峨眉—瓦屋山構造體系（圖1、表1）。龍門山前構造體系表現為受逆沖斷層控制的地壘型，構造和斷層走向為北東—南西向，包含蓮花山構造、高家場構造、平落壩構造等；大興場構造體系表現為受斷裂控制的斷塊型，構造和斷層走向為北東東—南西西向，包含大興場構造。龍門山構造、中部大興場構造均具有雙重構造特征，淺部為逆沖構造，構造破壞嚴重，斷層向下延伸至中三疊統雷口坡組；深層為斷褶構造，斷層向上延伸至下三疊統嘉陵江組，深部斷層未延伸至淺層（圖2），斷距相對較小。峨眉—瓦屋山構造體系表現為受逆沖斷層控制的斷層—褶皺構造，構造走向為北西—南東向，包含漢王場構造、周公山構造、老龍壩構造等，構造體系內發(fā)育北西向展布的通天斷層，相對龍門山山前構造體系和大興場構造體系，斷層斷距大（圖3）。總的來看，川西南部研究區(qū)構造背景為受斷層控制的逆沖構造體系[10-11]。

圖1 研究區(qū)構造位置圖

表1 川西南部地區(qū)構造統計表

圖2 龍門山山前構造體系—大興場構造體系地震時間偏移剖面圖

圖3 峨眉—瓦屋山構造體系—大興場構造體系地震時間偏移剖面圖

區(qū)域構造背景表明，區(qū)內構造斷裂及裂縫發(fā)育，淺表地層至中深地層的巖石構造破壞嚴重。HS1井灌口組發(fā)現方井及地面竄漏，DS001-X1井電成像測井顯示須家河組發(fā)育多組裂縫（圖4），DS001-X1井鉆遇由于逆斷層造成的上三疊統須家河組與中三疊統雷口坡組、二疊系峨眉山玄武巖與茅口組的地層重復現象[5]，這些現象均是地層構造裂縫及斷裂發(fā)育的直接證據。

圖4 DS001-X1井須家河組電成像測井圖

因此構造裂縫性井漏在川西南部地區(qū)由淺至深均有發(fā)生，裂縫性漏失具有漏失速度快，漏失量大的典型特征，如淺表地層中，DS1井上侏羅統蓬萊鎮(zhèn)組漏失鉆井液686.4 m3，LT1井上白堊統灌口組漏失鉆井液939.4 m3，DS001-X1井須家河組漏失鉆井液595.6 m3；中深部地層中，DS001-X1井峨眉山玄武巖漏失鉆井液540.2 m3、DS001-X3井茅口組漏失鉆井液464.8 m3。

2）成巖裂縫性漏失

成巖裂縫是受成巖作用影響產生的。研究區(qū)內成巖裂縫性漏失主要發(fā)生在三疊系的雷口坡組—嘉陵江組、二疊系的沙灣組、峨眉山玄武巖。而根據成巖作用的機理的不同，又可將研究區(qū)內的成巖裂縫分為雷口坡—嘉陵江組的溶蝕孔洞與沙灣組、峨眉山玄武巖的巖石微裂縫。

雷口坡組—嘉陵江組：巖性特征為石灰?guī)r、白云巖、膏鹽巖互層[12-13]。由于膏鹽巖可溶性強，在地層水的溶蝕作用下，形成大量的溶孔、溶洞、溶縫，而碳酸鹽沉積物在成巖階段，可形成粒內溶孔，粒間溶孔等次生孔隙，在成巖后生階段，這些次生孔隙可繼續(xù)發(fā)育擴大。這些溶蝕孔縫，構成了鉆井液滲流通道，在井筒內正壓差條件下就會發(fā)生裂縫性井漏，例如LT1井（側眼1）雷口坡組鉆遇較大溶蝕孔縫，鉆頭放空0.14 m發(fā)生井漏，鉆井液漏失325.6 m3。

沙灣組、峨眉山玄武巖：根據巖屑及巖心觀察，沙灣組、峨眉山玄武巖成巖裂縫發(fā)育[4-6]。沙灣組巖性總體以泥頁巖為主（圖5）。一般來說，泥頁巖地層不易發(fā)生井漏，但從沙灣組泥巖巖屑電子掃描分析發(fā)現，泥巖原生的微裂縫極為發(fā)育。峨眉山玄武巖屬于巖漿巖，是巖漿噴出地表冷卻凝固所形成的巖石，巖體在冷凝過程中，由于收縮，造成巖體破裂，因此成巖裂縫發(fā)育。裂縫面之間力學強度較弱，在井筒正壓差、機械沖擊影響下，很容易張開，從而造成裂縫性漏失。

圖5 大興場地區(qū)沙灣組巖性及井徑測井曲線對比圖

綜合以上分析，因構造運動、成巖作用的影響，研究區(qū)內構造斷裂發(fā)育、成巖裂縫發(fā)育，地層巖石破碎疏松。而統計數據也顯示研究區(qū)內裂縫性漏失發(fā)生的井數多，分布的層位多，漏失鉆井液量巨大。因此認為斷裂帶和裂縫的發(fā)育是川西南地區(qū)井漏的主要原因。

2.1.2 采空區(qū)地層壓力下降造成壓張性漏失

由于氣層長期大量的開采，地層壓力會逐漸降低，這種地層壓力低、儲量大大減少的產層俗稱為“采空區(qū)”[14]。當使用的鉆井液密度過高，井內液柱壓力與地層壓力的差值超過地層的抗張強度，地層就會出現壓張裂縫，發(fā)生井漏。

比如LT1井在上三疊統須家河組發(fā)生的井漏就是采空區(qū)的典型例子。蓮花山構造須二段為主力產層，儲層孔隙度及滲透性較好，原始地層壓力系數1.40，經多年開采，地層壓力大大降低，蓮花山構造多口井實測地層壓力系數為1.01，實際鉆井中，LT1井須二段采用鉆井液密度為1.22 g/cm3，造成井筒鉆井液液柱壓力過高，遠超井底地層孔隙壓力，壓開地層，進而造成采空區(qū)壓張性漏失。

2.1.3 高密度鉆井液引起高壓鹽水層上部低壓地層壓張性漏失

研究區(qū)內多口井在雷口坡組—嘉陵江組鉆遇高壓鹽水侵，不僅污染鉆井液，還有引起井噴的井控風險，為平衡地層中的高壓鹽水層，只有提高鉆井液密度，如DS001-X1井、DS001-X4井高壓鹽水層段采用鉆井液密度介于2.15～2.27 g/cm3，折算鹽水層壓力系數2.10左右。川西南部雷口坡組—嘉陵江組地層壓力系數為1.50左右，鹽水層壓力系數超過地層壓力系數。高密度鉆井液的使用導致鉆井液液柱壓力與高壓鹽水層上部低壓地層的孔隙壓力差值過大，超過其承壓能力，從而導致壓張性井漏。

2.2 井壁垮塌

井壁圍巖垮塌對鉆井工程安全和進度的制約不容忽視，其經常和坍塌卡鉆結合在一起，鉆井風險極大。自流井組、沙灣組、峨眉山玄武巖為川西南部地區(qū)主要的垮塌層段。根據研究區(qū)內垮塌層的巖石結構和巖石成分分析，造成井壁垮塌的原因主要為裂縫降低巖石強度和泥頁巖水化。

2.2.1 裂縫降低井壁穩(wěn)定性

如前文所述，峨眉山玄武巖的成巖裂縫、構造裂縫都極為發(fā)育，且縱橫交錯。根據王星媛[4]、羅成波[6]等對峨眉山玄武巖力學性能測試分析（表2），不含裂縫的峨眉山玄武巖巖石抗壓強度最高達到288.8 MPa，巖石基質本身具有較強的抗壓能力，裂縫普遍發(fā)育的峨眉山玄武巖抗壓強度最高為91.4 MPa，因此裂縫的發(fā)育，大大弱化了巖體力學強度。由于承壓能力降低，地層在鉆井液沖蝕下，極易引起井壁坍塌。

表2 峨眉山玄武巖巖樣三軸巖石力學實驗結果統計表

2.2.2 泥頁巖水化

泥頁巖力學強度的變化與其水化后的含水量密切相關，吸水量越多，抗壓強度的幅度下降越大[15-16]，泥頁巖中一般含有20%～30%黏土礦物，具有較強吸水性，其吸水后具有不同的結構及力學性質變化，如蒙脫石吸水后發(fā)生膨脹，綠泥石吸水后裂解、剝落。在常規(guī)過平衡鉆井中，鉆井液在井筒與地層的正壓差作用下沿微裂縫及孔隙向地層滲流，黏土礦物吸收鉆井液中的水分，發(fā)生或膨脹或裂解的結構變化。因此在微裂縫中產生新的應力，如孔隙壓力、膨脹壓力，削弱了泥巖的結構，造成泥頁巖地層快速破碎、坍塌，造成井徑大于鉆頭直徑的“大肚子”現象。

川西南部地區(qū)上侏羅統蓬萊鎮(zhèn)組、下侏羅統自流井組、上二疊統沙灣組多發(fā)生坍塌卡鉆事故，分析原因為地層以泥頁巖為主，泥巖水化作用明顯，比如研究區(qū)內大興場構造的沙灣組發(fā)生明顯的擴徑現象就是泥頁巖水化的直接證據（圖5）。正是由于泥巖的水化作用，造成泥巖地層基質分散、巖體強度嚴重弱化、失去承壓能力，進而引起井壁垮塌，發(fā)生卡鉆。

2.3 高壓鹽水侵

研究區(qū)內DS1井、DS001-X1井、DS001-X4井、LT1井等多口井在雷口坡組—嘉陵江組均鉆遇高壓鹽水侵。同時由于處理高壓鹽水層，還引起了井漏、卡鉆等一系列的工程復雜，對于鉆井安全影響極大。

根據區(qū)內鹽水侵的具體情況，總結其具有以下3個特征：①異常高壓，川西南部雷口坡組—嘉陵江組的地層壓力系數普遍為1.50左右，鹽水層折算壓力系數約2.10；②溢出量大，如DS001-X1井從鹽水侵到完全壓住，總溢流污染量為331.3 m3，其中日最大溢流污染量為61.0 m3；③鹽水性質復雜，根據DS001-X1井現場鹽水取樣送檢結果，該鹽水為多種成分的復合鹽水，總礦化度高，K+、Mg2+、Ca2+均處于過飽和狀態(tài)。

鹽水可對鉆井液的性能造成極大的破壞，如DS001-X3井，鹽水污染后相對污染前，鉆井液密度下降0.04 g/cm3，黏度上升26 s，中壓失水上升12.8 mg/L，其性能發(fā)生明顯變化，對于鉆井的工程安全以及井控安全影響巨大（表3）。

表3 DS001-X3井受鹽水污染前后鉆井液性能表

根據鹽水侵的特征，對高壓鹽水層形成機理進行了分析。

三疊紀嘉陵江初期四川盆地為西高東低的開闊陸棚海。嘉二段沉積后，周邊山系陸續(xù)隆升，盆地與外海海水溝通受阻，在干旱炎熱的氣候條件下，四川盆地演化為局限海盆[17]。川西南部地區(qū)雷口坡組—嘉陵江組主要為局限—蒸發(fā)臺地環(huán)境下的膏鹽巖、白云巖、石灰?guī)r的不等厚互層[18]。膏鹽層為塑性地層，在上覆地層壓力以及構造應力影響下，可發(fā)生塑性流動。沉積時封閉在地層中地層水由于受到膏巖層塑性流動的擠壓作用，形成水層內部局部高壓，如大深區(qū)塊鹽水層，折合壓力系數為2.10左右，屬異常高壓鹽水層。

膏鹽層作為優(yōu)質的隔離層，若沒有有效的運移通道，這些地層水不會發(fā)生遷移，從而形成膏鹽層下部碳酸鹽巖的局部封存水，橫向連續(xù)性差，這點從LT1井側眼鉆遇鹽水層而正眼未鉆遇以及DS1井-DS001-X1井2口同場井鹽水層發(fā)育層段不同可以證實（圖6）。若有裂縫及斷層貫穿膏鹽層，鹽水則可通過斷層或裂縫發(fā)生運移。如DS001-X1井實際鉆遇的水層相比測井解釋的水層提前215 m左右（圖6）。而地震上，對于碳酸鹽巖裂縫系統的預測是世界性難題，因此對高壓鹽水層的具體發(fā)育層段難以預判。

圖6 大興場地區(qū)雷口坡組—嘉陵江組水層測井解釋成果圖

3 結論

1）造成研究區(qū)井漏的地質原因主要有三類：①區(qū)域構造運動以及成巖作用形成的裂縫引起裂縫性井漏；②采空區(qū)地層壓力下降導致壓張性井漏；③平衡高壓鹽水層壓力的高密度鉆井液引起鹽水層上部低壓地層壓張性井漏。但從漏失發(fā)育的層段、漏失規(guī)模來看，研究區(qū)內以裂縫性漏失為主。

2）引起研究區(qū)內井壁垮塌的主要原因是斷裂和裂縫導致井壁圍巖力學強度降低以及泥頁巖水化導致泥巖基質分散。

3）鹽水侵主要發(fā)生在雷口坡組、嘉陵江組等蒸發(fā)相的碳酸鹽巖地層中，鹽水礦化度高；水層由于膏鹽層的塑性流動擠壓具有異常高壓的特征；在地層中以局部封存水及可動水兩種富集形態(tài)存在，就目前的地質手段難以對高壓鹽水層進行預測，因此膏鹽層應以整體井控安全預防為主。