易塌地層鉆井提速中工程地質(zhì)一體化作業(yè)方法的應(yīng)用

譚 超 胡豐波 張 澤 劉海霞 沈文潔 劉 偉

(①中國石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國石油渤海鉆探職工教育培訓(xùn)中心)

0 引 言

福山凹陷位于海南省北部，是北部灣盆地富油氣凹陷之一，古近系流沙港組為油氣的主力產(chǎn)層，備受人們重視[1]。流沙港組共劃分為三段(流一段、流二段、流三段)，本文主要研究福山凹陷花場地區(qū)流二段地層。該地層以脆硬性泥巖為主，多種地質(zhì)因素導(dǎo)致該地層井壁穩(wěn)定性較差，井徑擴(kuò)大率增加(最高可達(dá)63%)，在鉆井過程中平均鉆速低，易產(chǎn)生掉塊、垮塌現(xiàn)象，易發(fā)生卡鉆、起下鉆遇阻等復(fù)雜事故。以往現(xiàn)場通過綜合錄井技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測工程參數(shù)進(jìn)行預(yù)警，由于方法模式較為單一，實(shí)際效果受外界因素影響較大。

本文從HS 1x井等5口井的地質(zhì)成因分析著手，開展工程復(fù)雜成因的精細(xì)研究，應(yīng)用XRF元素錄井、XRD分析等錄井技術(shù)，結(jié)合鉆井液和各項(xiàng)工程參數(shù)，建立一套綜合工程、地質(zhì)、鉆井液研究成果的鉆井提速模型，進(jìn)而加強(qiáng)現(xiàn)場工程事故復(fù)雜預(yù)警，縮短施工周期，充分發(fā)揮工程地質(zhì)一體化在鉆進(jìn)過程中“提質(zhì)增效”作用，也為后續(xù)同類型井的鉆探開發(fā)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

福山凹陷是北部灣盆地中次級負(fù)向構(gòu)造單元，受燕山運(yùn)動的影響在古生界及中生界白堊系變質(zhì)巖基底上，發(fā)育起來的一個(gè)呈北斷南超的箕狀凹陷，構(gòu)造上呈北東走向，具有平面上北斷南超、縱向上發(fā)育雙層斷裂系統(tǒng)的特征[2]。鉆井揭示地層分層依次為：第四系平原組，新近系望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組，古近系潿洲組、流沙港組、長流組。流沙港組的沉積時(shí)期為半深湖-濱淺湖沉積環(huán)境，發(fā)育半深湖-濱淺湖-三角洲沉積體系。早期湖侵始于流三段沉積時(shí)期，流二段沉積時(shí)期湖侵達(dá)最大程度，在持續(xù)湖侵條件下發(fā)育廣泛的半深湖亞相暗色泥巖沉積，流一段沉積時(shí)期湖盆開始收縮，暗色泥巖分布范圍減小[3]。

研究區(qū)位于福山凹陷花場地區(qū)，具有泥巖厚度大、埋藏深、地溫梯度高的特征，垂向泥巖厚度在600 m左右，埋藏深度介于3 000～4 000 m，平均地溫梯度為4.25℃/100 m。巖石特征表現(xiàn)為硬、脆、碎等，巖石可鉆性較差，導(dǎo)致該地層工程復(fù)雜事故頻發(fā)，多為泥巖井壁失穩(wěn)垮塌而導(dǎo)致的起下鉆遇阻、電測遇阻以及循環(huán)遇阻。

2 工程復(fù)雜成因研究

對大多數(shù)井而言，井壁失穩(wěn)是地質(zhì)因素、鉆井液性能因素和工程因素綜合影響的結(jié)果。

2.1 地質(zhì)因素

利用XRD分析技術(shù)對HS 1x井的139個(gè)巖屑樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明HS 1x井流二段巖性為泥巖、含砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖互層分布，其中黏土礦物含量平均33.53%，石英含量平均27.39%，方解石、白云石及其他礦物含量平均39.08%。根據(jù)鉆井行業(yè)劃分泥頁巖的標(biāo)準(zhǔn)[4]，花場地區(qū)泥巖屬于硬脆性泥巖。同時(shí)該地層的壓實(shí)程度較高，水平層理、裂縫發(fā)育(圖1)。

圖1 花場地區(qū)流二段泥巖微觀裂縫及層理

當(dāng)該地層被鉆開后，鉆井液與地層接觸，若鉆井液礦化度小于地層水礦化度，則地層泥巖中的黏土礦物開始吸附大量的淡水，發(fā)生水化膨脹。黏土礦物吸水膨脹后產(chǎn)生的水化應(yīng)力使得井壁圍巖應(yīng)力增加[5]，井壁上的最大切向應(yīng)力超過巖石自身強(qiáng)度時(shí)就會發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

另外，該地區(qū)泥巖層理和裂縫的發(fā)育不僅使地層強(qiáng)度降低，同時(shí)為鉆井液濾液進(jìn)入地層內(nèi)部提供了通道，鉆井液在正向壓差和毛細(xì)管作用下沿層理、裂縫縫隙進(jìn)入地層內(nèi)部，為其中的黏土礦物水化提供了優(yōu)先水化空間[6]。由于這一過程加劇了弱面填充物的水化和分散，減弱了泥巖的結(jié)合強(qiáng)度和層理面之間的結(jié)合力，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，導(dǎo)致泥巖在應(yīng)力集中作用下發(fā)生井壁坍塌等復(fù)雜事故。

2.2 鉆井液性能因素

通過對花場地區(qū)井壁失穩(wěn)井的鉆井液對比分析，結(jié)果表明鉆井液主要在以下3個(gè)方面導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

2.2.1 鉆井液密度

鉆井液密度不能有效平衡該段地層壓力。當(dāng)?shù)貙鱼@開后，井壁周圍發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，一旦最大切向應(yīng)力超過巖石自身強(qiáng)度就會發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。同時(shí)當(dāng)鉆井液進(jìn)入泥巖內(nèi)部微裂縫后，黏土礦物吸水膨脹產(chǎn)生的水化應(yīng)力也會使得井壁圍巖應(yīng)力增加[5]。地質(zhì)設(shè)計(jì)中所提供的地層坍塌壓力并沒有將水化應(yīng)力計(jì)算在內(nèi)，因此在實(shí)鉆過程中如果不能選擇合適的鉆井液密度，井壁就容易失穩(wěn)坍塌。

2.2.2 鉆井液性能

鉆井液體系與性能不適合該段地層要求。從流二段巖性分析來看，增強(qiáng)鉆井液的抑制性和封堵性是主要原則，但在實(shí)際鉆探過程中鉆井液性能往往未達(dá)到應(yīng)有的效果。如在JF 9x、M 18x、H 1-7x井采用的鉆井液體系分別為有機(jī)鹽鉆井液、聚胺鉆井液、硅基防塌鉆井液，雖然都使用了針對泥頁巖防塌的鉆井液體系，但從實(shí)鉆效果上看鉆井液的抑制性和封堵性還是未能達(dá)到要求。

2.2.3 鉆井液流變性與攜巖性

鉆井液流變性與攜巖性不適合該段地層。隨著井深增加，溫度及壓力升高，鉆井液流變性也發(fā)生改變[7]。當(dāng)流體的雷諾數(shù)小于其臨界值時(shí)，鉆井液為層流狀態(tài)，層流狀態(tài)的鉆井液對井壁造成的沖擊較小，有助于井壁的穩(wěn)定；反之，則向紊流過渡，此時(shí)液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向紊亂無規(guī)則，流速高，具有較大動能，對井壁有較強(qiáng)的沖蝕作用，容易引起易塌地層垮塌。

2.3 工程因素

井眼軌跡與地層層理走向?qū)诘姆€(wěn)定性有著重要的影響。通常井眼和層理法線面的夾角越小井壁越穩(wěn)定，夾角越大越危險(xiǎn)。因此垂直于層理面鉆進(jìn)是最安全的鉆井方向，平行于層理面的方向是最危險(xiǎn)的鉆井方向[8]。

通過建立流二段層面三維構(gòu)造圖可以測量出流二段的地層傾角約為9.6°，地層傾向?yàn)楸睎|方向。從對花場地區(qū)多口工程復(fù)雜井井眼軌跡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，發(fā)生嚴(yán)重井壁垮塌的多口井井眼軌跡在流二段地層均為大角度的穩(wěn)斜階段，井斜角在30°及以上，方位角也與地層傾向一致，井眼軌跡與地層法線夾角為40°～50°。如H 1-10x井在進(jìn)入流二段后開始降斜，井斜角基本都在20°以上，從該井井徑曲線上反映出井壁質(zhì)量較差。

3 方法的建立

3.1 井壁穩(wěn)定性模型

礦物成分中石英的化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，硬度為7，剛性強(qiáng)、硬度大，地層層理不發(fā)育，完整性較好，所以石英礦物含量的增加會使泥巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈上升趨勢，而泊松比呈下降趨勢。黏土礦物中蒙脫石、伊利石、高嶺土的礦物剛性弱、硬度小，多呈片狀結(jié)構(gòu)，層間裂隙發(fā)育，因此黏土礦物對泥巖抗壓性及泊松比的影響與石英相反[9]。通過利用XRD分析技術(shù)對所鉆地層泥巖進(jìn)行礦物分析，并建立石英含量、黏土礦物含量與井徑交會圖(圖2)。

圖2 石英含量、黏土礦物含量與井徑交會圖

從石英和黏土礦物含量與井徑交會圖對比來看，石英和黏土礦物含量與井徑基本滿足線性關(guān)系，即在黏土礦物含量高、石英含量低的情況下，井徑容易擴(kuò)大，可以通過礦物含量分析來判斷地層的穩(wěn)定性。

利用XRF元素分析技術(shù)對花場地區(qū)流二段泥巖進(jìn)行分析，總結(jié)得到泥巖元素與礦物含量關(guān)系尤其是Si、Al元素與石英、黏土礦物含量的交會圖，進(jìn)而確定其相關(guān)性(圖3)。結(jié)果表明兩者基本滿足線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)比較高，Si、Al元素含量在一定程度上可以反映石英和黏土礦物的含量，因此可利用元素含量來判別泥巖抗壓強(qiáng)度，建立Si、Al元素含量與井徑交會圖(圖4)。

圖3 Si、Al元素含量與石英、黏土礦物含量交會圖

通過圖4可知，Si元素的含量可判斷泥巖抗壓強(qiáng)度、泥巖穩(wěn)定性，因此引入硅質(zhì)指數(shù)(ISi)來定性評價(jià)泥巖的穩(wěn)定性(表1)，公式如下：

表1 地層穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

圖4 Si、Al元素含量與井徑交會圖

式中：ω(Si)為測定的硅含量，%；ω(Si)min為測定的硅含量最小值，%；ω(Si)max為測定的硅含量最大值，%。

3.2 易塌地層地質(zhì)模型

利用研究區(qū)已完鉆井的元素?cái)?shù)據(jù)建立該區(qū)塊地層屬性三維模型，并將待鉆井的靶點(diǎn)坐標(biāo)、設(shè)計(jì)井軌跡等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入三維模型，建立鄰井剖面，把不穩(wěn)定地層可視化。通過模型的建立，在鉆井過程中可以提前預(yù)警，在進(jìn)入不穩(wěn)定地層前做好預(yù)防工作。

利用H 1區(qū)建立的地層Si屬性地質(zhì)模型，在開鉆前對HS 1x井第三次側(cè)鉆易垮塌井段作出了預(yù)測：預(yù)測4 379～4 430 m、4 450～4 470 m、4 629～4 658 m三段為

易垮塌井段(圖5)。后對比隨鉆元素錄井曲線，以上三段地層分別對應(yīng)硅質(zhì)指數(shù)0.05≤ISi<0.15弱地層兩段，0.15≤ISi<0.25較弱地層一段，預(yù)測結(jié)果基本準(zhǔn)確。

圖5 HS 1x井第三次側(cè)鉆元素錄井地層穩(wěn)定性評價(jià)

3.3 地層含氣量監(jiān)測

氣測錄井技術(shù)可以連續(xù)自動采集鉆井液中的游離氣和破碎氣，正常情況下泥巖段中全烴值總體上處于穩(wěn)定基值狀態(tài)，但當(dāng)泥巖裂縫發(fā)育或發(fā)生嚴(yán)重破碎時(shí)泥巖中的烴類氣體將會大量進(jìn)入鉆井液中[10]，引起氣測值突變。因此，可以通過實(shí)時(shí)分析地層含氣量來監(jiān)測地層的穩(wěn)定狀態(tài)，隨鉆調(diào)整鉆井液性能，維護(hù)井壁的穩(wěn)定性。如HS 1x原井眼分別在4 561、4 591、4 648、4 706、4 736、4 795 m井深全烴值突然增高，4 561～4 795 m井段鉆井液密度為1.57 g/cm3，4 561 m～4 795 m井段全烴基值并無明顯抬升，由此可知該段泥巖微裂縫發(fā)育、泥巖破碎嚴(yán)重，應(yīng)為地層壓力異常引起的氣測值突變。結(jié)合XRF元素錄井分析的硅質(zhì)指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，這些井段多為0.05≤ISi<0.15的弱巖石強(qiáng)度井段，壓力異常加之巖石抗壓性弱導(dǎo)致泥巖大量破碎，引起氣測異常(圖6)。

圖6 HS 1x原井眼地層抗壓性評價(jià)

4 應(yīng)用實(shí)例及效果

綜合應(yīng)用上述方法，在研究區(qū)進(jìn)行效果驗(yàn)證，共驗(yàn)證HS 1x井等5口井，應(yīng)用效果較好，均順利完井。

4.1 一體化鉆井提速模板

利用XRF元素錄井、XRD錄井技術(shù)與常規(guī)綜合錄井技術(shù)相結(jié)合，形成一套從前期設(shè)計(jì)優(yōu)化、易塌井段預(yù)測到施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)測的鉆井提速模板。

4.1.1 鉆井工程參數(shù)優(yōu)化

在鉆井液排量方面既要減少對井壁的沖刷，又要保證鉆井液攜砂良好；在鉆井流程優(yōu)化方面，控制轉(zhuǎn)速與鉆具上提下放速度?；▓龅貐^(qū)流二段鉆井參數(shù)優(yōu)化方案為：施工中嚴(yán)格按照推薦參數(shù)鉆進(jìn)，每鉆完一柱擴(kuò)劃眼時(shí)，將頂驅(qū)轉(zhuǎn)速降至10～20 r/min，上提下放速度不超過0.5 m/s，以減少對井壁的物理沖擊；每鉆進(jìn)100 m左右短起下一次，每次短起下經(jīng)過之前阻卡井段，到底開泵排量不超過5 L/s，逐漸提高排量循環(huán)；下鉆中途頂通盡量避開流二段，為此控制鉆壓為20～40 kN、排量為30～32 L/s、轉(zhuǎn)速為40 r/min。

4.1.2 井身軌跡優(yōu)化

井身軌跡與地層層理走向?qū)诘姆€(wěn)定性有著重要的影響。通過流二段層面三維構(gòu)造圖測量出地層傾角以及地層傾斜方向，在設(shè)計(jì)優(yōu)化井身軌跡時(shí)，將井斜方位角與地層傾向夾角設(shè)計(jì)在90°以上，井身軌跡與地層法線夾角小于20°，并將花場地區(qū)造斜段與穩(wěn)斜段設(shè)計(jì)在流二段地層之上，將流二段井斜角設(shè)計(jì)保持在10°以內(nèi)，通過井身軌跡優(yōu)化提高井壁穩(wěn)定性。

4.1.3 鉆井液設(shè)計(jì)

針對流二段泥巖特征，增強(qiáng)鉆井液抑制性與封堵性，并結(jié)合實(shí)施井的地層壓力，采用合適的鉆井液密度，及時(shí)調(diào)節(jié)鉆井液性能，使其具備并保持良好的流變性與攜巖性(表2)。

表2 鉆井液性能參數(shù)

4.2 建立工程復(fù)雜預(yù)報(bào)卡

在實(shí)鉆過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測地層含氣量和元素變化，判斷下部地層穩(wěn)定性，如出現(xiàn)氣測全烴基值明顯抬升或氣測突然升高現(xiàn)象，及時(shí)觀察巖屑中掉塊含量變化情況，同時(shí)利用正鉆井的元素曲線與鄰井對比定位正鉆地層層位，通過硅質(zhì)指數(shù)及時(shí)判斷地層穩(wěn)定性，并以異常預(yù)報(bào)的形式通知工程加密鉆井液密度監(jiān)測，建立預(yù)測和隨鉆實(shí)時(shí)評價(jià)井壁穩(wěn)定性的工程復(fù)雜預(yù)報(bào)卡，從而做到及時(shí)預(yù)報(bào)，提前采取相應(yīng)的措施。

5 結(jié)論和認(rèn)識

(1)福山凹陷花場地區(qū)流二段鉆井工程復(fù)雜的主要原因?yàn)榫谑Х€(wěn)垮塌導(dǎo)致的起下鉆遇阻、電測遇阻以及循環(huán)遇阻，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)主要原因?yàn)槟鄮r吸水膨脹、井眼軌跡設(shè)計(jì)不合理以及鉆井液不適合地層要求。

(2)通過利用XRF元素錄井和XRD錄井技術(shù)對流二段井壁失穩(wěn)原因開展精細(xì)研究，并通過巖石元素、礦物含量與井徑的相關(guān)性分析，引入硅質(zhì)指數(shù)定性評價(jià)地層穩(wěn)定程度，構(gòu)建易塌地層地質(zhì)模型，形成可視化成果，對井壁穩(wěn)定性進(jìn)行精準(zhǔn)評價(jià)。

(3)利用鄰井硅質(zhì)指數(shù)與正鉆井硅質(zhì)指數(shù)進(jìn)行對比分析，再結(jié)合地層含氣量對地層穩(wěn)定性進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測，建立一套工程復(fù)雜預(yù)報(bào)卡。在鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)工程復(fù)雜預(yù)測和預(yù)報(bào)，起到工程預(yù)警作用。

(4)基于錄井技術(shù)對地層巖性、構(gòu)造、鉆井液性能、工程參數(shù)進(jìn)行分析研究，建立了一套工程地質(zhì)一體化鉆井提速模板，并應(yīng)用到現(xiàn)場，加強(qiáng)現(xiàn)場鉆井、地質(zhì)、鉆井液協(xié)同作業(yè)模式，有效避免了復(fù)雜工程事故的發(fā)生，縮短鉆井周期，實(shí)現(xiàn)了工程地質(zhì)一體化推動鉆井“提速、提質(zhì)、提效”的目的。