超深井巖屑掉塊歸位方法探討
——以TA1井為例

曹現(xiàn)軍

（中國石油渤海鉆探第一錄井公司，天津 300280）

隨著在準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段的四棵樹凹陷高泉東背斜侏羅系成功鉆探的GT1 井試獲千噸油流，證實南緣下組合具備大型油氣富集區(qū)的存在[1-2]。為探索南緣中段的安集海背斜下組合含油氣性，突破以安集海背斜為代表的走滑背斜型目標(biāo)，中國石油天然氣集團公司在該區(qū)部署了一口超深重點風(fēng)險探井TA1 井，主探侏羅系八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）、白堊系清水河組（K1q）。

南緣中段的安集海背斜圈閉，為受安集海背斜北斷裂及安集海背斜南斷裂夾持的近東西向展布背斜構(gòu)造圈閉，受滑脫斷裂影響，地質(zhì)構(gòu)造特征復(fù)雜，地層高陡,地層傾角大,一般在15°～45°之間,最大達(dá)60°～70°,地層傾角越大,地層所受構(gòu)造作用越強,兩個水平地應(yīng)力的大小和方向都呈現(xiàn)出非穩(wěn)定場的特征,而且大小相差懸殊。因此TA1井在鉆探到侏羅系西山窯組下部泥巖層時，巖屑中發(fā)現(xiàn)了大量的掉段，掉塊直徑最小是3mm,最大是80mm,總重量達(dá)到407.7kg，給鉆井施工帶來了極大的難度和風(fēng)險。筆者以TA1 井為例，分別從綜合錄井參數(shù)特征、巖性與節(jié)理特征、元素數(shù)據(jù)特征三個方面開展了研究，分別建立了三種不同的掉塊歸位方法，實現(xiàn)了巖屑掉塊的精準(zhǔn)歸位，為保障鉆井施工安全，為鉆井施工過程中的方案優(yōu)化及提速提供指導(dǎo)意義。

1 南緣構(gòu)造特征及復(fù)雜工程原因分析

盆地南緣山前沖斷帶位于準(zhǔn)噶爾盆地南部，南緣構(gòu)造的形成與造山帶演化緊密相聯(lián)，受構(gòu)造運動影響，平面上南北分帶（齊古沖斷帶、烏奎褶皺帶），兩大褶皺帶細(xì)分為三排背斜群：金溝河—南瑪納斯—齊古背斜群、霍瑪吐背斜群、安集海河—呼圖壁河背斜群，東西分段（東段、中段、西段），構(gòu)造成排成帶，樣式差異大。南緣中段的安集海背斜圈閉，為受安集海背斜北斷裂及安集海背斜南斷裂夾持的近東西向展布背斜構(gòu)造圈閉，受滑脫斷裂影響，普遍具有中上部構(gòu)造高陡緊閉、小，下部構(gòu)造寬緩?fù)暾⒋蟮奶卣?。下組合鉆探區(qū)域集中在第二排、第三排背斜群。其變形強度相對于霍瑪吐構(gòu)造帶較弱，縱向上發(fā)育兩期滑脫褶皺變形。

安集海背斜目標(biāo)類型上屬于準(zhǔn)南前陸走滑背斜型目標(biāo)，其目標(biāo)特征為燕山期壓扭走滑，形成雁列式背斜背景，喜山期擠壓反轉(zhuǎn)成背斜，現(xiàn)今構(gòu)造部分位于車排子側(cè)翼單斜區(qū)，落實相對較容易。從構(gòu)造演化特征上來看安集海背斜燕山期受車排子凸起影響，發(fā)育近北西—南東向走滑斷裂，對安集海背斜深層有一定影響；喜山期5.5Ma 年，侏羅系底部發(fā)育滑脫層，安集海背斜形成雛形，為滑脫褶皺機制；喜山期2.5Ma 年至今受天山變形影響褶皺內(nèi)白堊系滑脫層變形，對褶皺形態(tài)持續(xù)改造，在安集海頂部背斜幅度增大，兩翼披覆有西域組生長地層。安集海背斜受兩期滑脫褶皺變形影響，晚期變形對深層構(gòu)造影響小。通過對準(zhǔn)噶爾盆地工程復(fù)雜原因的分類統(tǒng)計,地應(yīng)力、地層巖性、巖石物性是工程復(fù)雜的主因[3-4]。通過對南緣區(qū)塊已鉆揭的中、上組合9口井統(tǒng)計，共發(fā)生復(fù)雜事故52次，其中阻卡發(fā)生39次，占比75.0%，通過對卡鉆事故分析，絕大多數(shù)為掉塊卡鉆（圖1）。因此研究掉塊層位，對掉塊進行精準(zhǔn)歸位，是非常有意義的工作。

圖1 新疆油田南緣工程事故統(tǒng)計

2 掉塊原因分析

鉆井過程中常見的掉塊有以下幾種：①鉆具轉(zhuǎn)動及上提下放碰、刮落的掉塊，這個不是鉆井復(fù)雜的主要原因。②鉆井液性能不能平衡當(dāng)前正鉆井地層壓力，及鉆井液浸泡造成井壁失穩(wěn)。③已鉆地層巖性頁理或節(jié)理發(fā)育及構(gòu)造應(yīng)力逐步釋放造成掉塊（地應(yīng)力是地下巖體受到的來自周圍巖體的擠壓力，它來源于上覆巖體的自重、地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力、地層中的水壓梯度）。④鉆遇斷層及破碎帶。

TA1井所鉆的安集海背斜下組合是南緣區(qū)塊地應(yīng)力影響較為明顯的區(qū)塊，該區(qū)塊鉆井剖面斷層發(fā)育，斷層附近地層破碎帶極易垮塌掉塊。

3 現(xiàn)場掉塊歸位方法

以TA1井7505～7546m井段巖屑掉塊為例，根據(jù)鉆進過程中的綜合錄井參數(shù)預(yù)報、鉆進及劃眼過程中返出的巖屑掉塊分析其特征為切入點，利用隨鉆建立的元素錄井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對掉塊樣品深度歸位的方法進行了闡述。

3.1 綜合錄井曲線歸位法

TA1 井設(shè)計采用綜合錄井技術(shù)[5-6]，2021 年6 月26日13:00 自井深7263.00m 六開鉆進，設(shè)計完鉆井深7950m。2021年7月17日23:40，鉆進至井深7546.35m,層位：侏羅系西山窯組，鉆時突然由60～100min↑140～270min，準(zhǔn)備起鉆檢查鉆頭，在短起鉆過程中，起鉆至井深7509.43m 時，大鉤負(fù)荷由2512.54kN 上升至2632.70kN，掛卡120.16kN；2021 年7 月18 日2:36，下鉆過程中，下鉆至井深7513.15m 時，大鉤負(fù)荷由2323.26kN下降至2216.65kN，遇阻106.61kN，后經(jīng)反復(fù)活動鉆具起出。

復(fù)雜處理經(jīng)過：2021 年7 月21 日2:00 下鉆至7513m 遇阻,開始循環(huán)劃眼，2021 年7 月21 日8:00 至8月1 日20:00 劃眼到底，用三趟鉆完成復(fù)雜處理，耗時11.5d。

第一趟鉆：使用常規(guī)鉆具（組合：190.5mmPDC+雙根鉆鋌+?185mm 扶正器)下鉆至7515m 遇阻無法通過，劃眼井段:7505～7516.8m，井段長11.8m，用時38h，反復(fù)劃眼，間斷不定點憋停頂驅(qū)，返出掉塊48.0kg。第二趟鉆：簡化鉆具劃眼（組合:152.4mmPDC+光鉆鋌)下鉆至7515m 遇阻無法通過，劃眼井段:7505～7546m，井段長41m，劃眼77h，重點劃眼井段是在7519～7535m，間斷憋停頂驅(qū)，返出掉塊349.2kg，累計返出397.2kg 剝落掉塊。第三趟鉆：簡化鉆具劃眼（組合：168.3mm 巴拉斯+光鉆鋌)下鉆至井深7520m遇阻，從7520～7546m，井段7520～7531.62m 劃眼困難，扭矩波動大，間斷憋停頂驅(qū)，劃眼至7546m，試鉆進至7547m，本趟鉆返出掉塊10.5kg，累計返出掉塊407.7kg。

綜合錄井工程參數(shù)監(jiān)測結(jié)論：根據(jù)短起下鉆上提鉆具懸重參數(shù)判斷，在7509m以上已經(jīng)有掉塊剝落，導(dǎo)致遇卡，通過三趟鉆通井劃眼懸重及扭矩參數(shù)判斷，本井在7505～7535m井壁垮塌嚴(yán)重。

3.2 巖性與節(jié)理歸位法

鉆進過程觀察返出的巖屑。自7505m返出的巖屑中見少量大小不等的泥巖掉塊[7]，至7546m掉塊有增多趨勢，其中摻雜有含方解石充填掉塊。

肉眼觀察：呈塊、片狀，次圓—次棱角狀，致密，性硬，粒度細(xì)（泥級），部分碎塊可見微層理發(fā)育，方解石呈層狀發(fā)育，滴酸劇烈起泡。顯微鏡下觀察：巖石主要為深灰色泥巖，平行斷塊平面鏡下可見微層理發(fā)育，主要是泥質(zhì)層與粉砂呈紋層狀韻律性富集所致。

處理復(fù)雜過程分析巖屑掉塊。第一趟鉆劃眼井段：7505～7516.8m，返出掉塊48.0kg。最大4.5cm×1.5cm×0.8cm，一般1.5cm×1.0cm×0.5cm；塊狀為主，次為片狀；巖性以深灰色泥巖為主，偶見煤塊、砂巖及礫石（為上部地層剝落）；塊狀磨圓為次圓—次棱角狀，片狀磨圓為次棱角狀，見方解石填充物及節(jié)理。

第二趟鉆劃眼井段：7505.00～7546.00m，返出掉塊349.2kg，兩趟鉆掉塊累計重量397.2kg，最大8.0cm×4.0cm×0.5cm，一般1.5cm×0.8cm×0.5cm；塊狀為主，次為片狀；巖性以深灰色泥巖為主，偶見煤塊、砂巖及礫石（為上部地層剝落）；塊狀磨圓為圓狀—次圓狀，片狀磨圓為次棱角狀—次圓狀，見方解石填充物及節(jié)理。返出的掉塊變大，數(shù)量增加，起出的鉆頭磨損嚴(yán)重（圖2）。

圖2 劃眼掉塊及鉆頭磨損情況

通過前兩趟鉆通井后，第三趟鉆掉塊數(shù)量明顯減少，說明7505～7546m 井段的巖層應(yīng)力逐步釋放，井壁逐步穩(wěn)定。通過對掉塊切面的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)碎塊內(nèi)微裂縫發(fā)育，多被方解石充填，界限明顯。

根據(jù)鉆進及起下鉆撈取的掉塊綜合分析認(rèn)為：掉塊巖性主要為深灰色泥巖，具輕微變質(zhì)，具板巖特征，其在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成平行密集、切穿層面的細(xì)微裂縫（破劈理：是巖石中平行密集，間距幾毫米到幾厘米不等，并將巖石切割成薄片狀的破裂面，是巖石受剪切作用形成的），裂縫被方解石充填，鉆開地層后隨著地層應(yīng)力釋放及鉆井液浸泡作用下，使得地層開始剝落并碎塊化，導(dǎo)致在7505～7546m井段起下鉆遇阻卡及劃眼困難。

3.3 元素數(shù)據(jù)歸位法

建立該井隨鉆元素錄井分析圖（圖3），選取掉塊深度及巖性要有代表性：①要選取顏色一致、磨圓度相近的多個掉塊。②由于前兩趟鉆劃眼掉塊較多，撈取掉塊根據(jù)鉆頭連續(xù)劃眼困難情況，確定了兩個井段：第一趟鉆劃眼井段7505.0～7516.8m，第二趟鉆劃眼井段7505.0～7546.0m 共取樣12 點，撈取掉塊按遲到深度依次是：7506m（掉塊1）、7510m（掉塊2）、7513m（掉塊3）、7516m（掉塊4）、7520m（掉塊5）、7524m（掉塊6）、7526m（掉塊7）、7530m（掉塊8）、7534m（掉塊9）、7537m（掉塊10）、7540m（掉塊11）、7542m（掉塊12）。

圖3 TA1井隨鉆元素錄井分析圖

通過對掉塊巖屑的元素數(shù)據(jù)分析，NA、Mg、Ca、Al、Si、Cl、S、Ti、Ba、Mn、Fe、Sr、V、P、K、Ni、Zr 元素的數(shù)據(jù)范圍與隨鉆過程中的巖屑元素數(shù)據(jù)是基本一致的[8-12]。

最終得出掉塊1～8 號測量的元素各值基本符合原始元素值對應(yīng)的井段區(qū)間在7505～7526m，掉塊9～12號元素測得的各值經(jīng)誤差對比，歸位深度在7528～7535m（圖4）。

圖4 TA1井掉塊元素錄井分析圖

根據(jù)復(fù)雜井段原始元素剖面數(shù)據(jù)與撈取的掉塊檢測的元素數(shù)據(jù)進行對比分析認(rèn)為：7505～7535m掉塊剝落嚴(yán)重，后經(jīng)完井測井井徑數(shù)據(jù)反映在7503～7532m CALI(井徑)擴大率21.3%（圖5）。

圖5 TA1井錄井綜合圖

4 結(jié)論

本文充分運用了隨鉆過程中的錄井技術(shù)，建立了三種隨鉆巖屑掉塊歸位方法，該方法的應(yīng)用，有效地判斷了掉塊位置和層位，體現(xiàn)了錄井技術(shù)的實時性、直觀性、多樣性、通用性。巖屑掉塊的精準(zhǔn)歸位為鉆井施工工藝優(yōu)化提供有利的技術(shù)依據(jù)，也為后期鉆井施工過程巖屑掉塊問題提供了判斷方法。