克拉美麗氣田火成巖天然裂縫漏失壓力模型

楊虎，薛曉軍，陳向輝，李秀彬，解俊昱，張偉

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū) 石油學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油 西部鉆探工程有限公司 地質(zhì)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油 新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

在裂縫發(fā)育的地層鉆井時(shí)，井漏頻繁，鉆井工程復(fù)雜。井漏多發(fā)生在裂縫、不整合面、斷層、破碎帶等發(fā)育的地層中，漏失量大，漏失速度快[1-2]。由于裂縫形態(tài)復(fù)雜，漏失引起的儲(chǔ)集層損害原因多樣。天然裂縫在地層中分布不均勻，其表面粗糙程度、形態(tài)樣式、開啟度和充填物也不同，縫長(zhǎng)從幾厘米到幾千米，縫寬為10～200 μm，這些因素影響井漏，增加了控制井漏的難度[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，漏失壓力近似等于破裂壓力[4-5]。然而，因地層中存在天然裂縫與孔隙或孔洞的復(fù)合結(jié)構(gòu)，多數(shù)裂縫性地層漏失壓力遠(yuǎn)小于地層破裂壓力。目前，裂縫性地層漏失壓力模型多數(shù)是基于大量實(shí)鉆數(shù)據(jù)的模糊數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)[6-9]，模型中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的準(zhǔn)確性取決于樣本品質(zhì)，未綜合地層裂縫張合、連通及充填情況，分析地層孔隙壓力及地應(yīng)力對(duì)地層漏失壓力的影響，僅適用于單一裂縫狀態(tài)，不具推廣價(jià)值。

本文以克拉美麗氣田火成巖氣藏為例，開展裂縫漏失機(jī)理研究，建立不同裂縫狀態(tài)的漏失壓力評(píng)價(jià)模型，并依據(jù)地層孔隙壓力、地應(yīng)力等參數(shù)，求取克拉美麗氣田裂縫性火成巖不同井段的漏失壓力，確定鉆井液安全密度窗口和有效防漏措施。

1 火成巖裂縫和井漏特征

克拉美麗氣田是準(zhǔn)噶爾盆地天然氣主力儲(chǔ)量區(qū)[10-11]，位于準(zhǔn)噶爾盆地陸梁隆起滴南凸起西端。滴南凸起東抵卡拉麥里山，西連石西凸起，南鄰東道海子凹陷，北接滴水泉凹陷。整體構(gòu)造形態(tài)為南北兩側(cè)被邊界斷裂切割、向西傾伏的大型鼻狀構(gòu)造，在鼻狀隆起上發(fā)育滴西18 井低幅度背斜等小構(gòu)造[11-13]。目前，克拉美麗氣田有滴西17 井區(qū)、滴西14 井區(qū)、滴西18井區(qū)和滴西10井區(qū)4個(gè)井區(qū)。

1.1 巖相與巖性特征

研究區(qū)地層自上而下發(fā)育白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系，天然氣主要儲(chǔ)集層為石炭系巴塔瑪依內(nèi)山組火成巖[12-15]。巴塔瑪依內(nèi)山組火成巖以先溢流后爆發(fā)為主，下部多為火山溢流相或淺層侵入相，上部多為爆發(fā)相，爆發(fā)相既有中心式噴發(fā)，也有裂隙式噴發(fā)[15]?？死利悮馓锊煌畢^(qū)石炭系火成巖巖相分布存在差異[15-16]，整體呈近北東—南西向條帶狀展布。東部滴西18 井區(qū)以爆發(fā)相和侵入相為主，西部滴西17 井區(qū)和滴西14 井區(qū)以溢流相為主，火山沉積相只在局部發(fā)育(圖1)。溢流相以火山熔巖為主，包括玄武巖和安山巖；爆發(fā)相以火山碎屑巖為主，包括凝灰?guī)r和火山角礫巖；侵入相以次火山巖為主，包括花崗斑巖和二長(zhǎng)玢巖。各井區(qū)火成巖巖性占比差異較大(圖2)。

圖1 克拉美麗氣田石炭系火成巖巖相分布Fig.1.Lithofacies distribution of Carboniferous igneous rocks in Kelameili gas field

圖2 克拉美麗氣田各井區(qū)石炭系巖性比例Fig.2.Lithology proportion of Carboniferous strata in well blocks in Kelameili gas field

1.2 火成巖孔隙和裂縫特征

研究區(qū)巴塔瑪依內(nèi)山組火成巖儲(chǔ)集空間主要為溶孔、氣孔和裂縫[16-18](圖3)，工業(yè)氣層主要為凝灰質(zhì)角礫巖、玄武巖和花崗斑巖。

圖3 克拉美麗氣田火成巖儲(chǔ)集空間類型Fig.3.Types of reservoir spaces in igneous rocks in Kelameili gas field

研究區(qū)巴塔瑪依內(nèi)山組火成巖的裂縫發(fā)育程度主要受巖性控制?；◢彴邘r、二長(zhǎng)玢巖等次火山巖裂縫最發(fā)育；玄武巖、安山玄武巖等火山熔巖次之(圖4)。裂縫發(fā)育也受斷裂控制，靠近滴水泉西斷裂及其次級(jí)斷裂的區(qū)域，裂縫最發(fā)育，如滴西18 井、滴西182井和滴402井。同時(shí)，也受構(gòu)造位置的影響，構(gòu)造高部位裂縫發(fā)育程度高，如滴西14 井、滴403 井和滴西171井。

圖4 研究區(qū)巴塔瑪依內(nèi)山組不同巖性裂縫發(fā)育情況Fig.4.Development of fractures by lithologies in the Batamayineishan formation in the study area

克拉美麗氣田石炭系火成巖中，裂縫主要包括天然裂縫和誘導(dǎo)縫，分別占84.0%和16.0%。裂縫以斜交縫和直立縫為主，約占72.0%?；鹕剿樾紟r中裂縫開啟程度高，開啟縫約占91.5%，部分裂縫處于充填或半充填狀態(tài)；火山熔巖和次火山巖裂縫多處于閉合狀態(tài)?？死利悮馓锼芯畢^(qū)石炭系均發(fā)生過井漏，截至2019年底，共發(fā)生井漏85井次，不同巖性和層位的漏失程度不同，漏失量較大，且井漏之后造成井壁失穩(wěn)。

2 天然裂縫漏失壓力模型

裂縫性地層發(fā)生井漏受3 個(gè)要素影響[19-20]：鉆井液柱壓力大于地層壓力；地層中裂縫開啟或由閉合轉(zhuǎn)為開啟狀態(tài)，具備一定體積的鉆井液儲(chǔ)集空間；裂縫漏失后鉆井液無法有效封堵漏失通道。地層中裂縫主要分為天然裂縫和誘導(dǎo)縫，由于井壁周圍的誘導(dǎo)縫難以溝通較大儲(chǔ)集空間，井漏多發(fā)生在天然裂縫中。漏失壓力是鉆井液進(jìn)入地層漏失通道所需的最低壓力，其值等于地層孔隙壓力與鉆井液在地層漏失通道中流動(dòng)所需的壓力之和。由于裂縫性地層中裂縫的產(chǎn)狀、開啟程度及充填情況存在差異，不同類型的天然裂縫，其漏失機(jī)理和漏失壓力計(jì)算方法不同。

2.1 開啟良好且充填的天然裂縫

由于裂縫開啟存在漏失通道，鉆井液漏失的條件是井筒壓力大于地層孔隙壓力、鉆井液在通道中的流動(dòng)阻力及井壁泥餅產(chǎn)生的阻力之和，即：

式中ffr——鉆井液在通道中的流動(dòng)阻力，MPa；

fmc——井壁泥餅產(chǎn)生的阻力，MPa；

pL1——開啟良好且充填的天然裂縫地層漏失壓力，MPa；

pp——地層孔隙壓力，MPa。

2.2 開啟良好且無充填的天然裂縫

針對(duì)地層裂縫處于開啟的自然漏失，由于裂縫寬度較大，鉆進(jìn)到此地層漏失量較大，井壁漏失壓力與地層孔隙壓力基本相當(dāng)。因此，地層漏失壓力可視為地層孔隙壓力，即：

式中pL2——開啟良好且無充填的天然裂縫地層的地層漏失壓力，MPa。

2.3 閉合狀態(tài)且無充填的天然裂縫

對(duì)裂縫處于閉合狀態(tài)的地層，鉆井液要流入地層，需要裂縫重新開啟，克服上覆巖層壓力和最小水平主應(yīng)力的綜合作用。因此，地層漏失壓力等于裂縫重新開啟壓力，即：

式中pL3——閉合狀態(tài)且無充填的天然裂縫地層的地層漏失壓力，MPa；

pL3d——閉合狀態(tài)且無充填的斜交縫地層的地層漏失壓力，MPa；

pL3s——閉合狀態(tài)且無充填的直劈縫地層的地層漏失壓力，MPa；

poa——裂縫重新開啟壓力，MPa；

θ——裂縫傾角，(°)；

σh——最小水平主應(yīng)力，MPa；

σv——上覆巖層壓力，MPa。

3 克拉美麗氣田火成巖漏失規(guī)律

克拉美麗氣田火成巖地層裂縫非常發(fā)育，部分以凝灰?guī)r為主地層中的裂縫處于開啟狀態(tài)，但多被泥質(zhì)充填[12，15]。鉆進(jìn)到此裂縫性地層時(shí)，鉆井液易發(fā)生漏失，漏失壓力往往高于地層孔隙壓力。由于容易突破堵塞，漏失液體進(jìn)入裂縫通道中，漏失速度及漏失量均較大。實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，漏失壓力與孔隙壓力的壓力系數(shù)差為0.15～0.25。以安山巖、玄武巖和流紋巖為主的火成巖地層裂縫處于應(yīng)力閉合狀態(tài)，多為直劈縫和斜交縫，漏失壓力必須克服裂縫的開啟壓力(最小水平主地應(yīng)力)。實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，漏失壓力與孔隙壓力的壓力系數(shù)差為0.30～0.50。

本文對(duì)克拉美麗氣田3 個(gè)井區(qū)的石炭系地應(yīng)力進(jìn)行模擬，開展地層孔隙壓力的測(cè)井評(píng)價(jià)，通過實(shí)鉆井的漏失壓力進(jìn)行精細(xì)對(duì)比。

3.1 地應(yīng)力評(píng)價(jià)

測(cè)井解釋地應(yīng)力方向包括FMI 成像測(cè)井觀察誘導(dǎo)縫和雙井徑測(cè)井篩選井眼崩落角2 種方法[3，18-19]，采用上述2 種方法，確定克拉美麗氣田最大水平主應(yīng)力方向[20-22]。其中，滴西14井區(qū)為160°～175°；滴西17井區(qū)為165°～180°；滴西18井區(qū)為105°～120°。

以測(cè)井資料為基礎(chǔ)，利用斯坦福大學(xué)地應(yīng)力模型[3]計(jì)算克拉美麗氣田地應(yīng)力，用水力壓裂泵壓進(jìn)行校正，得到滴西14 井、滴西17 井和滴西18 井的地應(yīng)力剖面(圖5)。克拉美麗氣田水平主應(yīng)力之間有一定的差值，最小水平主應(yīng)力為1.55～1.65 g/cm3，最大水平主應(yīng)力為1.90～2.54 g/cm3。3 個(gè)主應(yīng)力之間，最大水平主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力。垂向應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力與埋藏深度呈近線性關(guān)系，地應(yīng)力變化連續(xù)，不存在異常高值。最小水平主應(yīng)力的變化趨勢(shì)與孔隙壓力相同，最大水平主應(yīng)力的變化趨勢(shì)與孔隙壓力相反。

圖5 克拉美麗氣田各井區(qū)地應(yīng)力剖面Fig.5.In-situ stress profiles of well blocks in Kelameili gas field

3.2 石炭系漏失壓力規(guī)律

利用測(cè)井資料求取克拉美麗氣田石炭系孔隙壓力，統(tǒng)計(jì)完鉆井試油壓力，校正各井區(qū)地層孔隙壓力。統(tǒng)計(jì)石炭系井漏壓力當(dāng)量密度，確定各井區(qū)石炭系漏失壓力。滴西14 井區(qū)石炭系上部凝灰?guī)r及砂泥巖地層孔隙壓力系數(shù)與漏失壓力系數(shù)相差0.08～0.15，屬開啟型充填中阻天然裂縫漏失；下部火山熔巖地層孔隙壓力系數(shù)與漏失壓力系數(shù)相差0.25～0.35，屬閉合型天然裂縫漏失。滴西17 井區(qū)石炭系上部凝灰?guī)r及砂泥巖地層孔隙壓力系數(shù)與漏失壓力系數(shù)相差0.04～0.05，屬開啟型無充填高導(dǎo)裂縫漏失；下部火山熔巖地層孔隙壓力系數(shù)與漏失壓力系數(shù)相差0.28～0.32，屬閉合型天然裂縫漏失。滴西18 井區(qū)石炭系上部凝灰?guī)r及砂泥巖地層孔隙壓力系數(shù)與漏失壓力系數(shù)相差0.12～0.32，屬開啟型充填高阻天然裂縫漏失。

統(tǒng)計(jì)實(shí)鉆資料，明確了克拉美麗氣田各井區(qū)石炭系裂縫漏失壓力規(guī)律(表1)：石炭系上部多是以凝灰?guī)r、火山角礫巖和砂泥巖為主的爆發(fā)相和沉積相地層，裂縫處于開啟狀態(tài)，多數(shù)被泥質(zhì)充填，鉆進(jìn)到該裂縫性地層時(shí)，鉆井液易漏失，漏失壓力略高于孔隙壓力，即鉆井液安全密度窗口極小，漏失壓力模型可選用(1)式或(2)式。石炭系中—下部是以安山巖、玄武巖和花崗斑巖為主的溢流相或侵入相地層，裂縫處于應(yīng)力閉合狀態(tài)，漏失壓力必須克服裂縫的張開壓力。由于該地層多為直劈縫和斜交縫，漏失壓力與主地應(yīng)力相關(guān)，漏失壓力模型可選用(3)式—(5)式。

表1 克拉美麗氣田各井區(qū)石炭系裂縫性地層孔隙—漏失壓力規(guī)律Table 1.Pore and leakage pressures in Carboniferous fractured formations in well blocks of Kelameili gas field

3.3 典型井漏失壓力分析

以滴西172井為例，鉆揭石炭系井深為3 480.00—3 840.00 m，巖性為玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r及火山角礫巖，破裂壓力遠(yuǎn)大于孔隙壓力、坍塌壓力和漏失壓力(圖6)。該井石炭系上部3 485.00—3 610.00 m 井段漏失壓力與孔隙壓力接近，鉆井液安全密度窗口極小，采用密度為1.38 g/cm3的鉆井液鉆至井深3 751.29 m和3 795.30 m 時(shí)發(fā)生嚴(yán)重井漏[23]。因此，鉆井液密度大于上部地層漏失壓力是井漏的原因。滴西172 井的井漏也可由該井巖心觀察得到佐證。石炭系全尺寸巖心中安山巖和玄武巖多見直劈天然微裂縫，縫長(zhǎng)為1.50～2.19 cm，縫寬為0.5～1.0 mm，縫面較平整，充填物為方解石。巖心分析表明，滴西172 井石炭系以玄武巖和安山巖為主的上部地層，裂縫為開啟狀態(tài)，多數(shù)被泥質(zhì)充填，地層漏失壓力略高于地層孔隙壓力，二者當(dāng)量密度相差0.15～0.20 g/cm3。以凝灰?guī)r、角礫巖和花崗巖為主的石炭系中—下部，裂縫處于閉合狀態(tài)，井漏時(shí)鉆井液必須克服裂縫重新開啟壓力，其漏失壓力約等于最小水平主應(yīng)力，鉆井液安全密度為0.30～0.40 g/cm3。

圖6 滴西172井石炭系巖石力學(xué)與地層壓力剖面Fig.6.Mechanical and formation pressure profiles of Carboniferous rocks in Well Dixi 172

克拉美麗氣田石炭系氣藏多采用水平井開發(fā)[21-22]，由于區(qū)域主地應(yīng)力差異明顯，水平井井軌跡在不同井斜和方位條件下，地層漏失壓力有所差異[24-25]。因此，開展石炭系儲(chǔ)集層漏失壓力在不同井軌跡下的變化規(guī)律研究，有助于水平井的安全鉆進(jìn)。石炭系天然裂縫面通常垂直于最小水平主應(yīng)力方向，水平井沿最小水平主應(yīng)力方向雖然可有效提高裂縫鉆遇率，但隨著井斜角增大，漏失壓力逐漸下降，安全密度窗口變小[24-25]。水平井方位為北東—南西向時(shí)，井斜角從0°增大至90°，漏失壓力系數(shù)由1.55 降至1.38。因此，石炭系裂縫地層宜采用近平衡精細(xì)控壓鉆水平井，設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.27～1.34 g/cm3。

4 結(jié)論

(1)克拉美麗氣田火成巖巖性決定了原生孔及裂縫的大小和數(shù)量，是儲(chǔ)集層發(fā)育的主控因素，火成巖儲(chǔ)集空間主要為溶孔、氣孔和裂縫，是井漏時(shí)鉆井液的漏失流動(dòng)空間?；鸪蓭r的裂縫發(fā)育程度主要受巖性控制，次火山巖和火山熔巖裂縫較發(fā)育，且多為應(yīng)力閉合狀態(tài)?；鹕剿樾紟r中裂縫較少，但開啟程度高，部分裂縫處于充填及半充填狀態(tài)，為井漏時(shí)鉆井液提供很好的導(dǎo)流通道。

(2)克拉美麗氣田石炭系上部的沉積相和爆發(fā)相地層裂縫開啟，多被泥質(zhì)充填，鉆井液易發(fā)生漏失，漏失壓力略高于孔隙壓力，即鉆井液安全密度窗口極?。恢小虏康囊缌飨嗷蚯秩胂嗟貙恿芽p處于應(yīng)力閉合狀態(tài)，漏失壓力必須克服裂縫重張壓力，由于多為直劈縫和斜交縫，漏失壓力與主地應(yīng)力相關(guān)。

(3)鉆遇石炭系上部時(shí)，采用隨鉆屏蔽堵漏鉆井液，強(qiáng)化裂縫封堵，提高井壁承壓能力，或采用密度為1.15～1.25 g/cm3的鉆井液，實(shí)現(xiàn)欠平衡壓力鉆井；鉆遇石炭系中—下部時(shí)，建議采用近平衡精細(xì)控壓鉆井。