渤海中深井復雜地層巖石特性及安全鉆井周期研究*

李 磊 楊 進 周 波 張昌超 鄒 欣 陳 雷 張 燦

(1. 中國石油大學(北京) 北京 102249； 2. 中國石油集團工程技術研究院有限公司 北京 102206)

渤中區(qū)域位于渤海灣盆地中心部位，面積約19 800 km2，油氣資源豐富[1]。該區(qū)域油氣藏的發(fā)現(xiàn)為緩解華北氣荒以及京津冀特別是雄安新區(qū)的清潔能源供給提供了有力保障，隨著渤中區(qū)域中深層油氣勘探的不斷突破，中深層油氣開發(fā)成為渤海灣增儲上產(chǎn)重點領域之一。渤海渤中區(qū)域目的層位潛山裂縫性氣藏，儲層平均埋深5 000 m以上，中深層主要以硬脆性泥頁巖為主，硬脆性泥頁巖復雜的組成成分和結構特性使微觀裂縫發(fā)育，部分宏觀上有明顯層理結構，普遍存在井漏且防漏、堵漏難度大，因此受地質條件、巖石特性、儲層埋深等因素影響，渤中區(qū)域中深層鉆井工程面臨鉆井速度低、井壁失穩(wěn)等難題，導致鉆井周期長、事故復雜率高、安全風險大，給中深層油氣資源安全高效規(guī)模開發(fā)帶來巨大挑戰(zhàn)[2-3]。

井壁穩(wěn)定性評價方法是建立孔隙壓力、破裂壓力與坍塌壓力的三壓力剖面，利用已有鄰近區(qū)塊的鉆井資料，對不同層位存在的井壁失穩(wěn)類型進行分析[4-5]，因此本文針對渤中區(qū)域中深層鉆井工程中事故復雜情況，開展了渤中區(qū)域復雜地層巖石力學特性試驗，分析了該區(qū)域復雜地層安全鉆井密度窗口和安全鉆井周期，為渤中區(qū)域中深井鉆井設計、施工作業(yè)提供依據(jù)和指導。

1 渤中區(qū)域中深井井壁穩(wěn)定性問題

1.1 渤中區(qū)域中上層泥頁巖井壁失穩(wěn)嚴重

渤中區(qū)域中上地層主要以伊蒙混層和伊利石為主的硬脆性泥頁巖，硬脆性泥頁巖的層理裂縫較發(fā)育，層理面的穩(wěn)定性小于巖石本體，在鉆井過程中，大量硬脆性泥頁巖往往會坍塌掉塊導致卡鉆、井漏等井下復雜事故[6]。硬脆性泥頁巖礦物組分主要包括石英、方解石、斜長石、白云石、菱鐵礦和黏土礦物，主要以石英和黏土為主，部分樣品含有微量的石鹽和鉀長石，黏土含量大約在45%左右。黏土礦物種類主要以伊蒙混層和伊利石為主，含有少量的高嶺石和綠泥石；伊蒙混層比例高，其在黏土礦物中相對含量達40%以上。

渤中區(qū)域東下段至沙河街組，因硬脆性泥頁巖的坍塌造成的劃眼、倒劃眼作業(yè)[7]，導致處理復雜情況時間占總鉆井時間的34%，尤其在井眼鉆開數(shù)天后易發(fā)生大規(guī)模井壁垮塌，返出掉塊體積較大，造成部分井眼被迫側鉆，嚴重影響了鉆井時效，圖1為渤中某典型深井不同層位復雜情況統(tǒng)計結果。復雜情況以阻卡、倒劃眼、憋泵等為主，如圖2所示。

圖1 渤中某典型深井不同層位復雜情況統(tǒng)計Fig.1 Statistics on the complexity of different layers of a typical deep well in Bozhong

圖2 渤中某典型深井復雜情況類型統(tǒng)計Fig.2 Statistics of complex types of a typical deep well accident in Bozhong

1.2 渤中區(qū)域下部地層安全密度窗口窄

下部潛山層段發(fā)生較大漏失，漏失層位的巖性為花崗巖，裂縫多，易形成漏失通道，發(fā)生漏失、氣侵風險高，因此渤中區(qū)域下部地層巖性復雜，易導致窄安全密度窗口等復雜情況，表1為渤中區(qū)域鉆井時一些典型復雜情況次數(shù)的統(tǒng)計。

表1 渤中區(qū)域鉆井典型復雜情況次數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics on the number of typical complicated situations of drilling in Bozhong block

2 渤中區(qū)域復雜地層巖石強度特性研究

2.1 中上部泥頁巖地層巖石強度特性

針對東營組泥頁巖段井壁失穩(wěn)嚴重的問題，選取渤中19-6氣田3 870 m深度的東二段層位泥頁巖巖心進行了強度試驗，試驗測試巖樣的強度參數(shù)，測試結果如表2所示。

表2 泥頁巖巖石力學測試結果Table 2 Rock mechanics test results of shale

試驗測試分析顯示，渤中19-6氣田東營組泥頁巖較硬，強度高，表現(xiàn)為強烈的脆性破壞特征，屬于典型的硬脆性泥頁巖；渤中19-6氣田東營組泥頁巖具有明顯的各向異性特征，垂直方向取心的強度顯著高于水平方向的強度。

2.2 深部風化帶及潛山地層巖石強度特性

針對渤中19-6氣田中深部風化帶及太古界潛山地層分別取得變質花崗巖巖心，室內測試太古界層位4 432 m巖樣的強度參數(shù)，如表3所示。

表3 變質花崗巖巖石力學測試結果Table 3 Rock mechanics test results of metamorphic granite

針對渤中19-6氣田深部潛山風化帶砂礫巖巖心，室內測試太古界層位4678m巖樣的強度參數(shù)如表4所示。從表4試驗測試結果看出，渤中19-6氣田深部風化帶及太古界潛山變質花崗巖較硬，在三軸抗壓實驗條件下，水平方向抗壓強度高，該方向表現(xiàn)為強烈的脆性破壞特征，屬于典型的硬脆性花崗巖。

表4 砂礫巖巖石力學測試結果Table 4 Rock mechanics test results of glutenite

3 渤中區(qū)域中深層鉆井安全密度窗口

3.1 渤中區(qū)域中深井安全密度窗口

地層巖石在地應力、地層孔隙壓力和油氣井中流體壓力聯(lián)合作用下，超過地層額定載荷后，則在孔眼或井眼表面將產(chǎn)生某種程度的失效破壞[8]。

由于渤中區(qū)域中深層為典型的泥頁巖地層，井壁巖石的破壞，對于硬脆性的泥頁巖一般表現(xiàn)為剪切破壞而坍塌擴徑。對于硬脆性的泥頁巖一般表現(xiàn)為剪切破壞而坍塌擴徑，因此假設井眼處于平面應變狀態(tài)，根據(jù)巖石力學理論，考慮構造應力和孔隙壓力等因素的影響，因此使用黃氏模型[9-10]計算破裂壓力：

(1)

式(1)中：pf為地層破裂壓力，MPa；Q=β-3γ，其中β、γ為構造應力系數(shù)，無量綱；pp為地層孔隙壓力，MPa；St為地層抗拉強度，MPa；σV為上覆地層壓力，MPa；μ為泊松比，無量綱；α為有效應力系數(shù)，無量綱。

由于渤中區(qū)域復雜地層為典型的硬脆性泥頁巖，所以在井眼形成后井壁周圍的巖石可能會產(chǎn)生應力集中，又因為巖石是非線性彈性體，所以選用地層坍塌壓力預測模型為：

(2)

其中

式(2)中：pr為地層坍塌壓力，MPa；η為應力降低系數(shù)，無量綱；φ為巖石的內摩擦角，(°)；σh1、σh2為兩個水平方向的主地應力，MPa；C為巖石的黏聚力，MPa。

基于巖石強度參數(shù)測試，根據(jù)處理得到地層聲波時差資料，可采用Eaton法進行地層壓力計算，并根據(jù)實鉆資料校核得到渤中區(qū)域某中深井三壓力剖面，如圖3所示。

圖3 渤中區(qū)域某中深井三壓力剖面Fig.3 Three pressure profiles of a medium-deep well in Bozhong area

3.2 井斜方位對坍塌壓力和破裂壓力的影響

依據(jù)巖石力學的觀點和方法，可以判定渤中19-6氣田的3個主地應力的大小次序為：上覆應力>水平最大主應力>水平最小主應力，上覆應力為斷裂的控制應力，斷層類型為正斷層。根據(jù)正斷層的斷層走向和水平最大主應力方向一致的特點，判定渤中19-6氣田的水平最大主應力的方位為北偏東55°～70°。

根據(jù)前面的研究成果，利用編制的井壁穩(wěn)定性分析程序，對預鉆定向井井壁穩(wěn)定性進行分析，每一個井斜方位皆對應一個安全密度窗口，得出BZ19-6氣田潛山組4 600 m深度處定向鉆進過程中坍塌、破裂壓力隨井斜角和方位角變化的安全密度窗口，如圖4所示。

由圖4～6潛山組4 600 m地層坍塌壓力、破裂壓力隨井斜方位角變化與風險分布圖可知，潛山組地層破裂壓力當量密度在1.84～2.73 g/cm3變化；地層坍塌壓力當量密度在1.15～1.40 g/cm3變化，沿最小水平主應力方位鉆進時坍塌風險最低。

注：●為破裂壓力曲線； ▲為坍塌壓力曲線

圖4 潛山組地層坍塌壓力、破裂壓力隨井斜方位變化關系

Fig.4 The relationship between the collapse pressure and rupture pressure of the buried hill formation with the azimuth of the well inclination

圖5 潛山組4 600 m地層破裂壓力風險分布圖Fig.5 Risk distribution map of 4 600 m formation rupture pressure in the buried hill formation

圖6 潛山組4 600 m地層坍塌壓力風險分布圖Fig.6 Risk distribution map of 4 600 m formation collapse pressure in the buried hill formation

4 渤中區(qū)域中深井安全鉆井周期

深部地層可鉆性差，鉆井速度慢，地層井眼鉆開后，井壁周圍地層原有的應力平衡被打破，井壁周圍地層中要建立新的平衡[11-12]，當井壁應力狀態(tài)超過砂巖地層所能承受的極限應力狀態(tài)后，井周地層向井眼內塑性流動，并且應力向地層內部傳遞，造成發(fā)生塑性流動的地層越來越多，造成井眼半徑不斷縮小。若鉆井時間過長，將導致井眼縮徑，引起起下鉆阻卡等井下復雜，嚴重時甚至卡死鉆具[13-14]。

安全鉆井周期與地應力狀態(tài)、孔隙壓力水平、巖石力學特性、鉆井液密度、井眼軌跡等因素密切相關，并且當其他參數(shù)已知的情況下，井眼縮徑率是時間和鉆井液密度的函數(shù)。

4.1 鉆井液對巖石強度特性的影響

通過收集到的渤中19-6氣田深部潛山砂礫巖與花崗巖，模擬鉆井過程，對巖心分別進行不同時間的鉆井液浸泡實驗，開展強度參數(shù)測試，為了使實驗數(shù)據(jù)更加準確，加大了對中間時間的采集密度，得到的實驗數(shù)據(jù)如表5。

表5 鉆井液浸泡實驗數(shù)據(jù)Table 5 Drilling fluid immersion experiment data

實驗結果表明，抗壓強度隨著浸泡時間增加呈指數(shù)型下降，如圖7所示在浸泡9天時，抗壓強度降低20.38%，浸泡20天時降低41.13%；彈性模量隨著浸泡時間增加呈二次函數(shù)型下降，如圖8所示在浸泡9天時，彈性模量降低2.77%，浸泡20天時降低32.49%；泊松比隨著浸泡時間增加呈二次函數(shù)型增加，如圖9所示在浸泡9天時，泊松比增加84.45%，浸泡20天時增加94.82%。

圖7 抗壓強度與浸泡時間關系Fig.7 The relationship between compressive strength and immersion time

圖8 彈性模量與浸泡時間關系Fig.8 The relationship between elastic modulus and immersion time

圖9 泊松比與浸泡時間關系Fig.9 The relationship between Poisson's ratio and immersion time

4.2 中深井安全鉆井周期圖版

基于鉆井液對巖石強度特性的影響，利用FLAC3D軟件對明化鎮(zhèn)儲層水平井在不同泥漿密度下，井眼變形縮徑規(guī)律進行了模擬計算。分別給出了不同泥漿密度下井眼縮徑量和縮徑率隨井眼鉆開時間的變化規(guī)律，如圖10所示。

圖10 安全鉆井周期圖版Fig.10 Diagram of safe drilling cycle

根據(jù)安全鉆井周期圖版，渤中區(qū)域風化帶附近裸眼段安全鉆井周期在15天左右，潛山地層安全周期在20天左右。

5 結論與建議

1) 渤中區(qū)域中深層鉆井工程中事故復雜率高、鉆井風險大，渤中區(qū)域上部泥巖井壁失穩(wěn)嚴重，以阻卡、倒劃眼、憋泵等為主，渤中區(qū)域中下部地層安全密度窗口窄，地層漏失、氣侵風險高。

2) 渤中區(qū)域東營組泥頁巖較硬，強度高，呈現(xiàn)強烈的脆性破壞特征，屬于典型的硬脆性泥頁巖；呈現(xiàn)明顯的各向異性特征，垂直方向取心的強度顯著高于水平方向的強度。

3) 井壁穩(wěn)定性應綜合考慮井眼軌跡(井斜角、井斜方位)、地應力方位等。隨井斜角和方位角變化，潛山組地層破裂壓力在1.84～2.73 g/cm3變化；地層坍塌壓力在1.15～1.40 g/cm3變化，沿最小水平主應力方位鉆進時坍塌風險最低。

4) 安全鉆井周期與地應力狀態(tài)、孔隙壓力水平、巖石力學特性、鉆井液密度、井眼軌跡等因素密切相關，渤中區(qū)域中深井鉆井設計、施工作業(yè)中，綜合考慮復雜地層巖石特性和安全鉆井周期對降低事故復雜、保障作業(yè)安全具有重要意義。