川西復雜地質井壁穩定及井身結構優化技術

鄒靈戰 牟少敏 耿明明 張 軍 馬 勇 魏風奇 王 慶

(1. 中國石油集團工程技術研究院有限公司， 北京 102206；2. 長城鉆探工程有限公司， 北京 100020；3. 中國石油油氣和新能源分公司， 北京 100062；4. 中國石油西南油氣田分公司， 成都 610056)

0 前 言

在川西地區，以大興場、平落壩、蓮花山等構造的二疊系棲霞組為主要勘探目標，其地震剖面如圖1所示。該地區在二疊系中晚期曾發生規模巨大的火山噴發，從而形成了著名的峨眉玄武巖(厚度為200～400 m)，其中主要含白云巖[1-2]。該地區鉆井作業中常面臨高壓鹽水層、井壁垮塌、漏失等復雜情況，二疊系沙灣組和峨眉玄武巖地層的安全鉆井難度大，事故復雜多發。井壁穩定性不足，已成為影響該地區鉆井安全的難題之一。

圖1 川西地區地震剖面

通過相關研究，人們對泥頁巖地層和硬脆性地層的井壁穩定性有了一定認識。在泥頁巖地層，井壁失穩主要緣于應力-化學耦合作用，在此作用下井壁圍巖遭受剪切破壞[3-6]。在此情況下，需要提高鉆井液密度、強化其抑制性，以保證井壁的穩定性。在硬脆性地層，井壁失穩主要緣于應力-滲流耦合作用。在此情況下，需要控制鉆井液密度、提高其封堵性能，以保證井壁的穩定性[7]。這兩類地層井壁的失穩機理不同，其應對措施和技術方向也不盡相同。

本次研究將針對沙灣組泥頁巖、峨眉玄武巖的失穩機理展開討論，以明確這兩類巖層之間的井身結構必封點，結合地層壓力系統對井身結構進行優化，并通過川西平探1井應用實踐加以驗證。

1 井壁失穩機理分析

1.1 地層巖性及礦物組分、巖石力學特性

沙灣組上部為暗棕色泥巖及黑色頁巖夾灰巖和云巖；下部為淺灰色鋁土質泥巖夾紫紅色泥巖及黑色頁巖(見圖2)。峨眉玄武巖地質露頭有柱狀節理發育(見圖3)，為陸相環境下巖漿噴發的產物，地層厚度為200～400 m。

圖2 沙灣組泥巖地質露頭

圖3 峨眉玄武巖地質露頭

通過室內實驗，測得沙灣組泥巖地質露頭的礦物組分：黏土礦物的體積分數為50%左右，其中以伊/蒙混層為主，高嶺石次之。同時，測得其巖石力學特性：彈性模量為12～24 GPa；泊松比為0.25～0.31；單軸抗壓強度為60～70 MPa；抗拉強度為 4～5 MPa。

同樣，測得玄武巖地質露頭的礦物組分：SiO2(石英) 體積分數為43.70%～54.40%，Al2O3體積分數為7.50%～16.10%，TiO2體積分數為2.42%～4.29%，不含黏土礦物。同時，測得其巖石力學特性：彈性模量為25～42 GPa；泊松比為0.18～0.24；基體巖石的單軸抗壓強度為150～180 MPa；抗拉強度為7～8 MPa；節理面上黏聚力和抗拉強度幾乎喪失；內摩擦角為35°。

1.2 力學建模與失穩機理分析方法

應用巖石破壞過程分析軟件RFPA實現力學建模?；谟邢拊纠碚?，結合巖石材料破裂過程中伴隨的非線性、非均勻性和各向異性等特點，按照彈性損傷力學的本構關系來描述脆性材料的細觀力學性質，并根據Weibull分布進行賦值。RFPA中有2個準則：最大拉應力準則和摩爾-庫侖準則。按照最大拉應力準則，當細觀單元的最大拉伸主應力達到其給定的極限值時，該單元即發生拉伸損傷；按照摩爾-庫侖準則，當細觀單元的應力狀態滿足剪切破壞極限條件時，該單元即發生剪切損傷。在彈性狀態下，材料的應力-滲透系數關系可通過負指數方程來描述，且當材料破壞后滲透系數突跳增大[8-11]。

引入Weibull統計分布函數來描述巖石介質力學性質的非均勻性，如式(1)所示：

(1)

式中：φ—— 概率密度函數；

α—— 強度隨機變量；

α0—— 強度；

m—— 比例參數。

細觀損傷力學的損傷和巖石發生剪切破壞準則。當單元的應力狀態或者應變狀態滿足某個給定的損傷閾值條件時，開始出現損傷。損傷單元的彈性模量如式(2)所示：

E=(1-D)E0

(2)

式中：E—— 損傷單元的彈性模量；

D—— 損傷變量；

E0—— 無損傷單元的彈性模量。

當單元的剪切應力滿足準則時即可確定已達到損傷的閾值，Mohr-Cloulomb準則為：

(3)

式中：F—— 剪切應力；

σ1—— 最大主應力;

σ3—— 最小主應力；

φ—— 內摩擦角；

fc—— 單軸抗壓強度。

剪切破壞的損傷表征，如式(4)所示：

(4)

式中：fcr—— 殘余強度；

ε—— 應變；

εc0—— 無損傷的最大彈性應變。

剪切損傷引起巖石滲透性的變化，如式(5)所示：

(5)

式中：k—— 滲流速度；

k0—— 無損傷的滲流速度；

ξ、β—— 無量綱系數；

σiii—— 單元應力；

p—— 孔隙壓力。

巖石發生拉張破壞的準則，如式(6)所示：

σ3≤-ft

(6)

式中：ft—— 巖石抗拉強度。

拉張破壞的損傷表征，如式(7)所示：

(7)

式中：εt0—— 無損傷的最大拉應變；

εtu—— 殘余強度對應的應變。

拉張損傷引起巖石滲透性的變化，如式(8)所示：

(8)

1.3 井眼穩定力學分析模型

分別針對沙灣組巖石和峨眉玄武巖建立井眼穩定力學分析模型。建模步驟如下：

(1) 建立幾何模型。建立二維地層平面模型(直徑為2 m)，在模型中心開挖井眼(直徑為0.2 m)，二者半徑之比為10 ∶1。

(2) 建立物理模型，根據實驗測定結果對巖石的強度和彈性參數進行賦值。沙灣組巖石是完整的地層巖石，可直接對其強度和參數賦值，在水化作用下其強度逐步減小。峨眉玄武巖分為基體和節理面，分別對其強度和彈性參數賦值?；w無滲流，于是將其滲流速度設定為0；節理面容易發生滲流，因此需計算其滲流速度。同時，節理面也是強度弱面，將其黏聚力和拉應力賦值為0，內摩擦角賦值為35°。

(3) 設定邊界條件。在模型邊界上施加初始載荷，按照水平最大地應力和水平最小地應力分別賦值; 待應力達到平衡狀態后開挖井眼，向井眼內施加液柱壓力，參考鉆井液密度來賦值。

(4) 模擬開挖沙灣組。開挖后逐漸降低井眼液柱壓力，模擬鉆井液密度較低的情況。在水平最小主應力方向上，井壁巖石出現剪切破壞，破壞區域為橢圓形(見圖4)。在水化作用下降低圍巖的強度，此橢圓區域會擴大，表明水化作用和鉆井液的抑制性密切相關。提高鉆井液的抑制性可以保持圍巖的強度，從而延緩剪切破壞的發生，減輕破壞程度；提高液柱壓力、鉆井液密度，可以有效預防剪切破壞的發生。

圖4 沙灣組井壁失穩機理數值模擬結果

(5) 模擬開挖峨眉玄武巖。開挖后保持較高的井眼液柱壓力，當鉆井液密度較大時節理面上會發生滲流。于是，在應力-滲流耦合作用下，水平最大主應力方向的井壁圍巖在節理面上被拉張破壞，呈不規則狀(見圖5)。保持液柱壓力、降低節理面上的滲流壓力差，或者通過封堵作業以減弱節理面上的滲流作用，都有助于減緩節理面上的拉張破壞作用。

圖5 峨眉玄武巖井壁失穩機理數值模擬結果

沙灣組泥巖模擬結果顯示，在應力-化學耦合作用下井壁易因剪切破壞而垮塌。對于這種井壁失穩現象，可通過提高鉆井液的密度和抑制性加以改善。

峨眉玄武巖模擬結果顯示，由于柱狀節理發育，在應力-滲流耦合作用下井壁易在節理面上發生垮塌。對于這種井壁失穩現象，應合理控制鉆井液密度，并加強鉆井液封堵措施。

從壓力數據來看：對于沙灣組泥巖，在考慮水化作用的情況下垮塌壓力系數逐漸升高至接近2.00，漏失壓力系數大于2.30；對于峨眉玄武巖，其節理發育，易在應力-滲流耦合作用主導下發生垮塌，垮塌壓力系數為1.70左右，漏失壓力系數小于1.90。

2 井身結構優化設計

2.1 井身結構必封點分析

在川西地區，鉆井作業中常面臨超深、高壓鹽水、膏巖層、含硫化氫等復雜地質條件，井身結構的設計對安全鉆井非常重要[12-15]。以川西平探1井為例，根據沙灣組泥巖和峨眉玄武巖的井壁失穩機理及地層壓力系統特點確定其必封點。

按照防漏、防溢流、防卡鉆的壓力約束條件，確定了5個必封點，井身結構設計為六開。由于二疊系沙灣組泥巖在應力-化學耦合作用下易發生剪切破壞而垮塌，因此將其與雷口坡組、嘉陵江組的高壓鹽水層放在同一裸眼段，以利于井壁穩定。由于峨眉玄武巖在應力-滲流耦合作用下容易在節理面發生拉張破壞而垮塌，因此不宜將其與沙灣組及高壓鹽水層放在同一裸眼段。為了穩定井壁，需要強化鉆井液的封堵性能，并設計合理的鉆井液密度。峨眉玄武巖具有多期噴發特點，適宜與其下部的茅口組放在同一裸眼段。針對主要目的層棲霞組采用儲層專打工藝，以利于地質發現。

沙灣組泥巖與峨眉玄武巖分屬不同的壓力系統，需要通過井身結構來區分，二者之間定然存在一個必封點。在優化井身結構時，應重點考慮此必封點的作用。

2.2 井身結構設計方案

平探1井的井身結構設計為六開(見圖6)，各開次鉆深、套管下深、水泥漿返高等參數的設計如表1所示。

表1 平探1井井身結構設計數據表

圖6 平探1井井身結構設計

(1) 一開：以20″(Φ508.00 mm)套管封隔表層。

(2) 二開：以143/8″(Φ365.10 mm)套管下至遂寧組頂部，封隔易漏失地層。

(3) 三開：以103/4″(Φ273.05 mm)套管下至雷口坡組頂部，封隔相對低壓層。

(4) 四開：以91/2″(Φ241.30 mm)井眼鉆遇雷口坡組和嘉陵江組的高壓鹽水層，將此高壓鹽水層與沙灣組泥巖放在一開，鉆井液密度為2.0 g/cm3，鉆至峨眉玄武巖頂部時下入85/8″(Φ219.08 mm)技術尾管(中完)。

(5) 五開：將71/2″(Φ190.50 mm)井眼的鉆井液密度降低至 1.80 g/cm3左右，加強鉆井液的封堵性能，預防玄武巖失穩，鉆至棲霞組頂部時下入65/8″(Φ168.30 mm)生產尾管(中完)。

(6) 六開：對棲霞組儲層采用專打工藝，將鉆井液密度降低至1.50 g/cm3左右，以利于發現和保護油氣層，完鉆后下入41/2″(Φ114.30 mm)尾管(完井)。

本設計的關鍵在于，沙灣組和玄武巖的井壁破壞機理不同，且二者之間存在一個必封點，因此在井身結構設計中需要將技術尾管下至峨眉玄武巖頂部。在之前的井身結構方案設計中，以91/2″(Φ241.30 mm)井眼鉆穿玄武巖下入套管，未將沙灣組泥巖與峨眉玄武巖分隔開，加劇了井壁失穩和漏失復雜現象。

3 現場應用和驗證

在平探1井，四開91/2″(Φ241.30 mm)井眼鉆至峨眉玄武巖頂部，再下入85/8″(Φ219.08 mm)無接箍套管固井(中完)。沙灣組井壁穩定、井徑規則，未出現泥頁巖垮塌及漏失等復雜現象，這印證了沙灣組與高壓鹽水層放在同一開次的合理性。圖7所示為四開沙灣組泥頁巖地層的井徑曲線。

圖7 四開沙灣組泥頁巖地層的井徑曲線

五開71/2″(Φ190.50 mm)井眼專打峨眉玄武巖和茅口組灰巖，采用強封堵鉆井液體系，鉆井液密度從四開的1.95 g/cm3降低至1.85 g/cm3，并配合水泥護壁措施。峨眉玄武巖的井壁穩定，鉆井井徑曲線規則，井徑擴大率在8%以下，未發生井壁失穩和漏失復雜現象。這表明峨眉玄武巖與茅口組灰巖放在同一開次，比較合理。圖8所示為五開峨眉玄武巖和茅口組灰巖地層的井徑曲線。

圖8 五開峨眉玄武巖和茅口組灰巖地層的井徑曲線

六開51/2″(Φ139.70 mm)井眼專打棲霞組儲層，將鉆井液密度降低至1.65 g/cm3，鉆井過程中多次發生氣侵，油氣顯示良好。試油后日產氣量為66×104m3，為本地區棲霞組最高記錄。這表明針對井身結構采用儲層專打工藝具有一定的合理性和優越性。

4 結 語

為了加強鉆井作業安全，對川西復雜地質條件下的井壁穩定及井身結構問題進行了優化?；诩氂^損傷力學方法建立了井眼模型，在明確沙灣組泥頁巖和峨眉玄武巖失穩機理的基礎上提出了必封點和井身結構設計新方案。經分析，厘清了川西二疊系沙灣組泥頁巖和峨眉玄武巖的井壁穩定機理。沙灣組主要是硬脆性泥巖和頁巖，兼有水化作用，垮塌壓力高，適宜與上部高壓鹽水層設計在同一裸眼段內。峨眉玄武巖具有柱狀節理特點，易因應力-滲流耦合作用在節理面發生拉張破壞，屬于相對低壓井段，宜與茅口組設計在同一裸眼段內。同時，認為沙灣組和峨眉玄武巖的交界位置存在一個必封點，需考慮此必封點并通過井身結構優化將二者分隔開。本次井身結構優化設計思路在平探1井鉆井中得以實踐，首次在川西地區安全鉆穿了沙灣組泥頁巖和峨眉玄武巖，井壁失穩和漏失復雜現象得到了有效改善。