深層脆性頁巖井鉆井液漏失機理及主控因素

李文哲，于興川，賴 燕，劉厚彬，文 雯，張 震，吳申尭

(1.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.中國石油長慶油田分公司，陜西 榆林 719000；5.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

0 引 言

四川長寧區(qū)塊鉆井過程中鉆井液漏失頻發(fā)是阻礙頁巖氣效益化開發(fā)的重要原因之一[1-5]。合理確定漏失壓力，探明漏失力學(xué)機理及漏失性質(zhì)是提高鉆井液防漏失效率及成功率的關(guān)鍵[6-12]。對于鉆井液漏失機理及漏失壓力的研究，王仁廣等[13-15]從漏失壓力模型的角度進行了研究，建立了壓裂性漏失、裂縫擴展性漏失、大型裂縫溶洞性漏失的漏失壓力模型。譚建忠等[16-17]從鉆井液漏失發(fā)生的必要條件角度進行研究，明確了鉆井液漏失發(fā)生的誘因及過程，并提出了防漏措施。王貴等[6，18-20]對鉆井液漏失機理進行了研究，基于巖石斷裂力學(xué)、漏失力學(xué)等理論明確了鉆井液漏失機理，并提出了具體的堵漏思路。為提高長寧區(qū)塊頁巖氣開發(fā)效益，基于單井測井?dāng)?shù)據(jù)與三維地震解釋數(shù)據(jù)，建立了長寧區(qū)塊頁巖氣地層裂縫、地應(yīng)力及地層壓力展布模型，研究鉆井液漏失與三者之間的響應(yīng)關(guān)系，探究長寧區(qū)塊頁巖地層鉆井液漏失機理以及主要影響因素。研究成果將對長寧區(qū)塊鉆井過程中的防漏堵漏提供技術(shù)支持。

1 長寧區(qū)塊鉆井液漏失分布規(guī)律

長寧區(qū)塊位于四川盆地南部，整體構(gòu)造呈中間低四周高的趨勢。長寧背斜構(gòu)造位于四川盆地的川南褶皺帶與婁山斷褶帶的交界部位，因此，形成了具多組構(gòu)造形跡的復(fù)雜組合。工區(qū)北鄰蓮花寺老翁場構(gòu)造，南接柏楊林-大寨背斜構(gòu)造，西為賈村溪構(gòu)造，東隔鳳凰山向斜與高木頂構(gòu)造相望。長寧背斜核部出露寒武系、志留系地層，兩翼為二疊系、三疊系地層。選取長寧區(qū)塊內(nèi)不同井區(qū)具有代表性的共20口井，分別從平面和縱向2個角度對該區(qū)塊的鉆井液漏失分布規(guī)律進行分析。

(1)鉆井液漏失平面分布規(guī)律分析。統(tǒng)計分析了長寧區(qū)塊3個井區(qū)鉆井液漏失情況(表1)。

表1 長寧區(qū)塊鉆井液漏失情況平面分布統(tǒng)計

由表1可知：長寧區(qū)塊鉆井液漏失平面分布與地質(zhì)構(gòu)造有密切聯(lián)系，構(gòu)造高部位鉆井液漏失井次高于構(gòu)造中心低部位，位于構(gòu)造高部位的寧216井區(qū)鉆井液漏失比例為69%，位于構(gòu)造低部位的寧201井區(qū)和寧209井區(qū)鉆井液漏失比例明顯低于寧216井區(qū)，分別為11%和20%。總體上來看，長寧區(qū)塊鉆井液漏失呈現(xiàn)中間低、四周高的平面分布規(guī)律。

(2)鉆井液漏失縱向分布規(guī)律分析。對3個井區(qū)的鉆井液漏失情況按照地層進行分類統(tǒng)計(表2)。

表2 長寧區(qū)塊鉆井液漏失情況縱向分布統(tǒng)計

由表2可知：鉆井液漏失情況在縱向上主要發(fā)生在茅口組和龍馬溪組地層；鉆井液在縱向上的漏失情況，寧216井區(qū)也比寧201井區(qū)和寧209井區(qū)嚴(yán)重。

2 鉆井液漏失機理

深層脆性頁巖常見的鉆井液漏失機理有以下幾種類型[21-25]。

(1) 壓裂性漏失。當(dāng)井筒內(nèi)壓力超過地層的破裂壓力時，在地層內(nèi)產(chǎn)生裂縫性漏失通道[26]。因此，對于壓裂性漏失，漏失壓力與地層破裂壓力相同，該類漏失的漏失壓力預(yù)測模型為：

pf1=3σh-σH+St-αpp

(1)

式中：pf1為破裂壓力，MPa；σH為最大水平主地應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主地應(yīng)力，MPa；St為巖石抗拉強度，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)；pp為地層壓力，MPa。

(2) 閉合裂縫擴展性漏失。井筒的有效液柱壓力大于裂縫閉合壓力及裂縫末端抗張強度時，導(dǎo)致裂縫張開、擴展延伸產(chǎn)生鉆井液漏失[27]。該類漏失的漏失壓力預(yù)測模型為：

(2)

式中：p1為漏失壓力MPa；ω0為無井筒正壓差時的裂縫寬度，mm；A、a為待定系數(shù)；ωc為裂縫動態(tài)寬度，mm。

(3) 壓差性漏失。微裂縫和孔洞可作為天然氣的滲流通道，同時也可作為鉆井液侵入的通道[28-29]。正壓差下鉆井液進入孔隙、天然裂縫與溶洞通道產(chǎn)生鉆井液漏失。該類漏失的漏失壓力預(yù)測模型為：

p1=pp+Δp

(3)

式中：Δp為鉆井液在裂縫內(nèi)部流動的壓力損耗，MPa。

從以上3種鉆井液漏失模型可以看出，鉆井液漏失情況主要受地應(yīng)力、地層壓力以及裂縫的影響，地應(yīng)力對壓裂性漏失與閉合裂縫擴展性漏失具有重要影響，地層裂縫為閉合裂縫擴展性漏失與壓差性漏失提供了漏失通道與先天條件，而地層壓力則是壓差性漏失的主要判斷依據(jù)。

3 長寧區(qū)塊鉆井液漏失主要影響因素分析

3.1 長寧區(qū)塊裂縫三維展布規(guī)律研究

裂縫是導(dǎo)致鉆井液漏失的一個重要原因[30]，因此，預(yù)測長寧區(qū)塊裂縫的三維展布規(guī)律，對探究鉆井液漏失具有重要意義。利用長寧區(qū)塊已有地震數(shù)據(jù)體，采用螞蟻追蹤技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域進行裂縫的追蹤預(yù)測。裂縫預(yù)測結(jié)果如圖1(一個色塊代表一個裂縫)所示。

圖1 長寧區(qū)塊裂縫預(yù)測結(jié)果

由圖1可知：長寧區(qū)塊裂縫較為發(fā)育，區(qū)塊四周裂縫發(fā)育程度較區(qū)塊中心要高；寧216井區(qū)裂縫密度明顯高于寧201井區(qū)和寧209井區(qū)，這可能是導(dǎo)致寧216井區(qū)鉆井液漏失相對嚴(yán)重的重要因素之一。

3.2 地應(yīng)力及地層壓力預(yù)測

地應(yīng)力、地層壓力與鉆井液漏失的關(guān)系同樣密切，從頁巖地層常見的鉆井液漏失機理可以看出：地應(yīng)力的大小可以決定地層破裂壓力，從而確定井壁是否被壓裂、閉合縫是否張開；天然裂縫是否發(fā)生鉆井液漏失則與地層壓力有關(guān)。

利用地震解釋數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型，利用單井地應(yīng)力、地層壓力數(shù)據(jù)，基于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)原理，通過井間插值法建立地應(yīng)力與地層壓力模型。

3.2.1 地應(yīng)力預(yù)測

長寧區(qū)塊最小水平主地應(yīng)力預(yù)測結(jié)果見圖2。由圖2可知：長寧區(qū)塊地應(yīng)力的大小與地質(zhì)構(gòu)造、地層埋深密切相關(guān)；構(gòu)造向斜低部位地層埋藏深，地應(yīng)力大，向南、北方向地應(yīng)力有減小趨勢，位于構(gòu)造向斜部位的寧201、寧209井區(qū)的地應(yīng)力要高于位于背斜部位的寧216井區(qū)。

圖2 長寧區(qū)塊最小水平主應(yīng)力預(yù)測結(jié)果

3.2.2 地層壓力預(yù)測

長寧區(qū)塊地層壓力預(yù)測結(jié)果見圖3(ρp為當(dāng)量鉆井液密度)。由圖3可知：地層壓力的預(yù)測結(jié)果在展布規(guī)律上與地應(yīng)力大致相同，構(gòu)造中心向斜部位地層壓力要高于構(gòu)造背斜部位，即寧201、寧209井區(qū)的地層壓力要高于寧216井區(qū)。

圖3 長寧區(qū)塊地層壓力模型預(yù)測結(jié)果

利用實測的龍馬溪組地層壓力數(shù)據(jù)驗證地層壓力預(yù)測的可靠性(表3)。由表3可知：地層壓力預(yù)測值的平均準(zhǔn)確率為91.7%，具有較高的可信度。

表3 長寧區(qū)塊實測地層壓力與預(yù)測結(jié)果對比

4 鉆井液漏失與主控因素響應(yīng)關(guān)系

統(tǒng)計了20口井的鉆井液漏失情況，將其與裂縫、地應(yīng)力場及地層壓力場的預(yù)測結(jié)果疊合，以此分別探究裂縫、地應(yīng)力和地層壓力與鉆井液漏失的響應(yīng)關(guān)系(圖4～6，圖中紅色柱子代表鉆井液漏失次數(shù))。

4.1 裂縫發(fā)育與鉆井液漏失響應(yīng)關(guān)系

鉆井液漏失情況與裂縫預(yù)測結(jié)果疊合圖見圖4。由圖4可知：鉆井液漏失情況與預(yù)測的裂縫展布情況有著較好的響應(yīng)關(guān)系；寧216井區(qū)裂縫密度高于寧201井區(qū)和寧209井區(qū)，裂縫分布錯綜復(fù)雜，寧216井區(qū)的鉆井液漏失發(fā)生次數(shù)也相應(yīng)高于寧201井區(qū)和寧209井區(qū)。由此可見，裂縫發(fā)育程度是導(dǎo)致長寧區(qū)塊鉆井液漏失平面分布不均的重要原因之一。

圖4 長寧區(qū)塊裂縫分布與鉆井液漏失疊合圖

4.2 地應(yīng)力與鉆井液漏失響應(yīng)關(guān)系

鉆井液漏失情況與地應(yīng)力預(yù)測結(jié)果疊合圖見圖5。由圖5可知：地應(yīng)力預(yù)測結(jié)果與鉆井液漏失情況響應(yīng)關(guān)系較好，地應(yīng)力高的部位鉆井液漏失次數(shù)要少于地應(yīng)力低的部位。構(gòu)造高部位地層埋藏淺，地應(yīng)力較低，裂縫開啟、延伸和井壁破裂壓力的閾值均較低，導(dǎo)致鉆井液漏失頻發(fā)；構(gòu)造低部位地層埋藏深，地應(yīng)力較大，裂縫開啟、延伸和井壁破裂壓力的閾值均較高，鉆井液漏失不易發(fā)生。由此可見，長寧區(qū)塊地應(yīng)力的分布規(guī)律與鉆井液漏失同樣關(guān)系密切，響應(yīng)度高。

4.3 地層壓力與鉆井液漏失響應(yīng)關(guān)系

鉆井液漏失情況與地層壓力預(yù)測結(jié)果疊合圖見圖6。由圖6可知：地層壓力預(yù)測結(jié)果與鉆井液漏失情況響應(yīng)關(guān)系較好，鉆井液漏失頻發(fā)的寧216井區(qū)地層壓力較低，鉆井液漏失次數(shù)較少的寧209井區(qū)地層壓力較高。可見長寧區(qū)塊地層壓力的分布規(guī)律同樣是影響鉆井液漏失的因素之一。

綜合以上響應(yīng)關(guān)系驗證結(jié)果可知，裂縫發(fā)育情況和地應(yīng)力、地層壓力分布是長寧區(qū)塊鉆井液漏失的重要影響因素。鉆井液失情況嚴(yán)重的位置通常裂縫發(fā)育、地應(yīng)力和地層壓力小；反之，裂縫發(fā)育程度低、地應(yīng)力和地層壓力大的位置鉆井液漏失次數(shù)通常相對較少。

圖5 長寧區(qū)塊地應(yīng)力場與鉆井液漏失疊合圖

圖6 長寧區(qū)塊地層壓力場與鉆井液漏失疊合圖

5 鉆井液漏失防控措施

基于上文研究結(jié)果，結(jié)合長寧區(qū)塊裂縫發(fā)育情況、地應(yīng)力與地層壓力分布規(guī)律，提出以下鉆井液漏失防控措施。

(1) 構(gòu)造高部位裂縫發(fā)育，鉆井液漏失風(fēng)險高，結(jié)合裂縫發(fā)育情況，科學(xué)合理部署井位，優(yōu)化設(shè)計井身結(jié)構(gòu)，強化鉆井液漏失風(fēng)險評估，可做到有效預(yù)防。

(2) 地應(yīng)力影響閉合裂縫擴展性漏失的臨界壓力，結(jié)合長寧區(qū)塊地應(yīng)力分布特征，明確閉合裂縫的開啟臨界壓力與裂縫延伸臨界壓力，為確定龍馬溪組頁巖儲層鉆井液密度窗口上限值提供科學(xué)依據(jù)，有效控制鉆井液密度低于最小水平地應(yīng)力，降低閉合裂縫擴展性漏失發(fā)生概率。

(3) 對于溶洞及張開型裂縫，主要發(fā)生壓差性鉆井液漏失，壓差性鉆井液漏失與地層壓力密切相關(guān)，準(zhǔn)確預(yù)測長寧區(qū)塊龍馬溪組地層壓力分布特征，可為不同構(gòu)造位置、不同井區(qū)龍馬溪組頁巖地層鉆井液密度窗口下限值的確定提供依據(jù)，采用精細控壓鉆井與近平衡鉆井技術(shù)，可有效降低壓差性鉆井液漏失發(fā)生概率。

6 結(jié) 論

(1) 長寧區(qū)塊深層頁巖鉆井液漏失情況突出，在平面上及縱向上分布范圍較廣，涵蓋多個井區(qū)及地層，長寧區(qū)塊鉆井液漏失頻發(fā)與裂縫、地應(yīng)力以及地層壓力均具有較高響應(yīng)關(guān)系。

(2) 張開型裂縫的壓差性漏失與裂縫發(fā)育、地層壓力相關(guān)。長寧區(qū)塊構(gòu)造低部位，地層埋藏深、裂縫發(fā)育程度低，地層壓力高，且漏失臨界壓力高，因此，構(gòu)造低部位壓差性漏失情況不突出；區(qū)塊構(gòu)造高部位，地層埋藏淺，裂縫發(fā)育程度高，地層壓力低，且漏失臨界壓力低，因此，構(gòu)造高部位壓差性漏失情況嚴(yán)重。

(3) 閉合裂縫擴展性漏失與地應(yīng)力相關(guān)。長寧區(qū)塊構(gòu)造低部位地層埋藏深，地應(yīng)力高，閉合裂縫張開與延伸難度大，閉合裂縫擴展性漏失發(fā)生困難，鉆井液漏失情況不突出；構(gòu)造高部位地層埋藏淺，地應(yīng)力低，閉合裂縫張開與延伸相對容易，因此，構(gòu)造高部位閉合裂縫擴展性漏失情況嚴(yán)重。