渤中A3井井壁穩(wěn)定技術(shù)研究

李 紅，于忠濤，陳 波，袁洪水，袁則名，和鵬飛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

BZ-A3井位于渤海灣渤中凹陷中部，在鉆井過程中遇到很多困難，兩次側(cè)鉆后還不能順利鉆達(dá)目的深度，為了進(jìn)一步揭示BZ-A3井鉆井復(fù)雜發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理，找到有效避免BZ-A3井鉆井復(fù)雜問題的方法，確定合適的鉆井液密度，為以后此類問題積累經(jīng)驗，提供參考，開展以下工作。

1 渤中A區(qū)塊已鉆井復(fù)雜情況說明

該區(qū)塊已鉆井顯示的復(fù)雜情況主要是在鉆井過程中或在起下鉆過程中觀察到大量泥巖掉塊返出，還觀察到很高的背景氣、后效氣及單根氣，隨著鉆井液密度逐漸提高至1.55 g/cm3，鉆井過程中背景氣、后效氣及單根氣大幅度降低，鉆進(jìn)過程相對順利，但一起鉆井壁就開始失穩(wěn)；在起下鉆過程中，頻繁遇阻/遇卡，導(dǎo)致持續(xù)劃眼；在起下鉆過程中巖屑堵漏導(dǎo)致憋泵、憋扭矩及泥漿漏失，發(fā)生復(fù)雜情況的井段主要集中在3 300～3600 m東三段地層。推測該井的鉆井復(fù)雜情況更多的是地質(zhì)或巖石力學(xué)方面的原因；地層壓力在1.5 g/cm3左右；1.50～1.55 g/cm3鉆井液密度不能很好地抑制井壁崩落，鉆井液密度還需提高。

2 一維巖石力學(xué)精細(xì)建模

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)計算

巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)包括巖石的彈性模量和強(qiáng)度參數(shù)，是地應(yīng)力計算和井眼穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)審核的結(jié)果，本文對2井開展了一維巖石力學(xué)建模。

（1）彈性參數(shù)

對于彈性介質(zhì)，當(dāng)動應(yīng)力不超過介質(zhì)的彈性極限時，則產(chǎn)生彈性波。該彈性波的傳播特征與巖石的動力學(xué)特性有關(guān)。根據(jù)縱、橫波傳播方程給出的縱、橫波速度與巖石動力學(xué)參數(shù)之間的理論關(guān)系，用長源距聲波等測井資料得到縱波時差Δtc、橫波時差Δts，用密度測井得到體積密度ρb，就可計算各種巖石力學(xué)參數(shù)。

巖石的動態(tài)力學(xué)參數(shù)是指巖石在各種動載荷或周期變化載荷（如聲波、沖擊、震動等）作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。在靜載荷作用下巖石表現(xiàn)出的力學(xué)參數(shù)稱為靜態(tài)參數(shù)。而井眼的變形和破壞是相對較慢的靜態(tài)過程。實驗研究表明，對于一塊致密堅硬的巖石來說，其動、靜力學(xué)參數(shù)比較接近。然而在實際地層中，受到孔隙度、膠結(jié)程度及剛度等因素的影響，巖石動、靜力學(xué)參數(shù)的差別可能很大。一般情況下，動態(tài)參數(shù)要大于靜態(tài)參數(shù)。

用聲波及密度數(shù)據(jù)直接計算得到的彈性模量是動態(tài)的，與巖石的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)之間有一定的差距，需要利用實驗室數(shù)據(jù)分析得到經(jīng)驗公式將動態(tài)彈性模量和強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成靜態(tài)數(shù)據(jù)。在本井區(qū)缺乏系統(tǒng)實驗室數(shù)據(jù)情況下，本文根據(jù)地層的巖性，利用內(nèi)部動靜態(tài)彈性模量的經(jīng)驗公式進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。

（2）強(qiáng)度參數(shù)

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度是計算井眼穩(wěn)定性的三個關(guān)鍵參數(shù)。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）通常根據(jù)測井曲線計算得到。單軸抗壓強(qiáng)度測試提供了一種對連續(xù)的曲線進(jìn)行點刻度的方法。根據(jù)測井資料計算有多種經(jīng)驗公式可選。本研究中，利用經(jīng)驗公式通過巖石模量 （楊氏模量）來確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度，巖石的內(nèi)摩擦角也采用了經(jīng)驗公式，而巖石抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的函數(shù)。

2.2 地層壓力計算

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，渤中凹陷普遍存在超壓，并且超壓地層主要為東營組和沙河街組，超壓機(jī)制主要為欠壓實和生烴[1-5]，本文采用Eaton法進(jìn)行渤中區(qū)塊已鉆5口井地層孔隙壓力計算，結(jié)果如圖1。從圖中可知：東二段下段的頂層為超壓和常壓的明確分界線，不同井的孔隙壓力預(yù)測結(jié)果有所不同，表明該區(qū)塊內(nèi)部孔隙壓力有一定的非均質(zhì)性；最大地層孔隙壓力在1.4～1.5 g/cm3之間，與實測值基本一致.

圖1 渤中區(qū)塊已鉆井地層孔隙壓力計算結(jié)果與實測結(jié)果對比圖Fig.1 Comparison of calculated results and measured results of pore pressures of well-drilled formations in Bozhong Block

2.3 地應(yīng)力分析

（1）地應(yīng)力方向

地應(yīng)力方向研究是巖石力學(xué)分析很重要的一部分。推定地應(yīng)力方向的方法有多種，包括井眼崩落方向、自然和水力裂縫方向、橫波各向異性等。而在本研究區(qū)域缺乏相關(guān)的直接測量數(shù)據(jù)（例如井壁成像、雙井徑及偶極橫波等）。根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)[6] ，水平最大地應(yīng)力方向確定為N65°E，這和世界應(yīng)力地圖（圖2）和區(qū)塊的主要斷層走向一致（圖3）。

圖3 BZ區(qū)塊主要斷層于原場應(yīng)力方向Fig.3 Main faults in BZ Block are in the direction of original field stress

（2）上覆巖層壓力

上覆巖層壓力通過對地層密度進(jìn)行積分計算得到。典型的地層密度通過電纜測井得到，也可以利用巖心的密度。

式中：ρw為海水密度，g/cm3；h水為海平面到海底的距離，m；σz為上覆應(yīng)力，g/cm3；ρz為密度測井值，g/cm3；g為重力加速度，m/s2。

（3）水平地應(yīng)力

業(yè)界普遍認(rèn)為水平地應(yīng)力主要由地層的上覆巖層壓力、構(gòu)造應(yīng)力、巖層的蠕變及孔隙壓力的上升導(dǎo)致?？紫稄椥怨剑?Thiercelin and Plumb，1994 ）[7]能夠較為全面地反應(yīng)水平地應(yīng)力的內(nèi)在機(jī)理，在國內(nèi)外得到了廣泛的使用。

孔隙彈性公式表示為：

式中：v為泊松比；σV為上覆巖層壓力，MPa；α為比奧彈性系數(shù)；PP為孔隙壓力，MPa；E為楊氏模量，MPa；εh和εH分別為水平最小地應(yīng)力及水平最大地應(yīng)力方向上的應(yīng)變。εh和εH主要用來刻畫由于構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的額外的水平地應(yīng)力，也用于在已有水平地應(yīng)力測量點的條件下刻畫水平地應(yīng)力剖面。

給定深度處的水平最小地應(yīng)力（Sh ）可以通過擴(kuò)展的地破實驗（XLOT ）、微壓裂或利用MDT工具直接測量得到。水平最大地應(yīng)力（SH）不能直接測量，利用測井資料計算出水平最小地應(yīng)力后，可以利用井眼圖象和巖石破壞模型來大致標(biāo)定SH的大小。對于井壁崩落，利用剪切破壞模型。對于水力裂縫，我們利用拉張破壞模型。應(yīng)用任何一種模型，都需要先確定UCS，Sh和孔隙壓力。

采用孔隙彈性模型計算得到了本井地應(yīng)力剖面（圖4）。一般來說，楊氏模量高的地層，其水平地應(yīng)力也高。最大及最小水平主應(yīng)力相差較小，并均小于上覆巖層壓力，表明該井及附近地區(qū)為正向斷層的原場應(yīng)力區(qū)。

圖4 地應(yīng)力剖面Fig.4 Crustal stress profile

3 坍塌壓力梯度和井斜方位的關(guān)系

為了揭示渤中區(qū)塊的坍塌壓力梯度和井斜方位之間的關(guān)系，對BZ-A3井3500～3600 m井段開展了坍塌壓力梯度和井斜方位的敏感性分析。 （圖5）結(jié)果顯示，在同等井斜角條件下，沿水平最大地應(yīng)力方向（N65° E）鉆進(jìn)正對應(yīng)最高的坍塌壓力梯度方向。同時，在給定鉆進(jìn)方向的情況下，隨著井斜角的提高，坍塌壓力梯度提高。BZA3井鉆進(jìn)方向大致沿水平最大地應(yīng)力方向，井斜角為所有已鉆井中最大的。這就是BZ-A3井發(fā)生大量泥巖掉塊、井壁垮塌的部分原因。

圖5 坍塌壓力梯度和井斜方位敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of collapse pressure gradient and well deviation azimuth

4 A3井的井壁穩(wěn)定預(yù)測及鉆井優(yōu)化

4.1 A3井井壁穩(wěn)定分析

基于A3測井曲線原井眼及兩次側(cè)鉆井眼按照前面巖石力學(xué)模型建模流程建立了一維巖石力學(xué)模型，并開展了井壁穩(wěn)定分析。

圖6顯示了A3井原井眼與A3-ST1井215.9 mm井段的井壁穩(wěn)定分析的結(jié)果。井壁穩(wěn)定分析結(jié)果與鉆井復(fù)雜情況分析表明在垂深3300～3600 m有明顯超壓及井壁崩落風(fēng)險，超過一半的鉆井復(fù)雜發(fā)生在該井段，同時卡鉆及落魚也發(fā)生在該井段，特別是3450～3540 m井段，鉆井液密度明顯低于地層孔隙壓力，為欠平衡鉆井。這說明A3井原井眼215.9 mm井段所遇到的鉆井復(fù)雜的內(nèi)在機(jī)制為鉆井液密度太低，不足以抑制井壁崩落。

圖6 A3井215.9 mm井段三個井眼井壁穩(wěn)定分析結(jié)果Fig.6 Results of the stability analysis of three boreholes in the 215.9 mm section of Well A3

A3-ST2和A3井原井眼及第一次側(cè)鉆井眼A3-ST1相比，由于鉆井液密度進(jìn)一步提高，井壁崩落明顯降低，該井眼也出現(xiàn)了更低的鉆井復(fù)雜情況。

4.2 A3井6 in井眼鉆井地圖及應(yīng)用效果

綜合前面井壁穩(wěn)定分析的結(jié)果可以看出，要有效地抑制井壁崩落，降低A3井的鉆井風(fēng)險，需要采用足夠的鉆井液密度來抑制井壁崩落。通過綜合分析，發(fā)現(xiàn)把鉆井液密度提高到1.6 g/cm3，能夠有效抑制井壁崩落，并且對應(yīng)ECD還低于破裂壓力梯度（圖6）。從結(jié)果分析可知采用1.6 g/cm3的鉆井液密度，在3500～3540 m的超壓區(qū)仍然會稍有井壁崩落，但崩落弧長大致在90°以下，說明該井壁崩落一般情況下是可控的。

根據(jù)井壁穩(wěn)定分析的結(jié)果及鉆井優(yōu)化的具體成果綜合成A3-ST2井6 in井眼的鉆井地圖（圖7）。鉆井地圖集成了泥漿窗口、井壁破壞預(yù)測、潛在壓力風(fēng)險等。鉆井地圖能夠被放置在鉆井項目組現(xiàn)場來指導(dǎo)鉆井。通過鉆井地圖及鉆前充分的分析，6 in井眼順利鉆達(dá)目的層位，有效避免了井壁失穩(wěn)、掉塊，以及憋泵、憋扭矩及泥漿漏失等復(fù)雜情況的發(fā)生。

圖7 A3井的6 in井眼鉆井地圖Fig.7 Drilling map of Well A3 in 6 in borehole

5 結(jié)論

根據(jù)中海油天津分公司的要求和現(xiàn)有資料，對A3井進(jìn)行了鉆井復(fù)雜分析及井壁穩(wěn)定分析，初步揭示了A3井在鉆井過程遇到的各種鉆井問題的內(nèi)在機(jī)理，預(yù)測了A3井6 in井眼可能的鉆井風(fēng)險，并建立鉆井地圖，6 in井眼順利鉆達(dá)目的層位。絕大部分泥漿漏失均發(fā)生在劃眼及倒劃眼時，主要是由于鉆屑堵塞環(huán)空導(dǎo)致的，與井壁失穩(wěn)有關(guān)。改善井壁狀況有助于避免泥漿漏失。

（1）A3井用鉆井液密度1.38～1.43 g/cm3及A3-ST1用鉆井液密度1.48 g/cm3，均不能有效壓制背景氣、后效氣及單根氣，而A3-ST2以1.5～1.55 g/cm3鉆井液密度有效地壓制了后效氣，表明地層壓力在1.48～1.53 g/cm3之間。

（2）原井眼及兩次側(cè)鉆井眼的主要問題井段在垂深3300～3600 m，和該井段的超壓及高坍塌壓力梯度相關(guān)。

（3）選擇恰當(dāng)?shù)你@井液密度，特別是一開始就使用，是解決目前鉆井挑戰(zhàn)的先決條件。

（4）維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度隨井斜而升高，隨井斜方位而變化。

（5）A3井及其他開發(fā)井面臨更多鉆井挑戰(zhàn)原因包括兩方面：一與其他已鉆井相比，A3的鉆進(jìn)方向更不利、井斜更高、清井更困難；二在鉆進(jìn)原井眼及在兩次側(cè)鉆過程中所用的鉆井液密度均不足以有效抑制井壁崩落。

（6）多方面形成合力（鉆井液、起下鉆、鉆頭）才能根本上降低鉆井風(fēng)險。