郭永峰 金曉劍 唐長(zhǎng)全 紀(jì)少君

摘要：廣東湛江W12—1北油田開發(fā)過程中遇到了鉆井中井壁易垮塌、易剝落的難題，易造成井壁坍塌、掩埋鉆井及儀器事故。為此，開展了系統(tǒng)研究工程，進(jìn)行多學(xué)科、多角度的鉆井井壁穩(wěn)定性研究，即改進(jìn)鉆井地質(zhì)力學(xué)的基本理論研究、精細(xì)化處理地震剖面圖、巖心的古地磁應(yīng)力測(cè)試、地層應(yīng)力等勢(shì)面的計(jì)算機(jī)模擬，井下巖心浸泡進(jìn)行穩(wěn)定周期預(yù)測(cè)等。研究結(jié)果在2005年該油田10口開發(fā)井的鉆井設(shè)計(jì)、工藝編制與鉆井實(shí)踐中應(yīng)用后，獲得了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)力學(xué)；地應(yīng)力；地震數(shù)據(jù)；反演；鉆井工藝；湛江W12—1北油田

中圖分類號(hào)：TE24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

前言

廣東湛江W12—1北油田，隸屬北部灣海域，是中國(guó)南方地區(qū)較著名的海上油田之一。其平均海水深度為40m，最早的勘探活動(dòng)始于20世紀(jì)70年代，于20世紀(jì)80年代末進(jìn)入開發(fā)的成熟期。該油田的主要特點(diǎn)之一是具有較復(fù)雜的油氣藏構(gòu)造，其中包括2層含義：一是直接生產(chǎn)油氣的地層情況復(fù)雜；二是鉆井軌跡所穿過的地層狀態(tài)復(fù)雜，情況多變。這些地層的共同特點(diǎn)是斷層多、地層破碎、微裂縫發(fā)育，尤其是該油田的泥頁(yè)巖地層水敏性極強(qiáng)。多年來(lái)，W12—1北油田開發(fā)的鉆井作業(yè)較為困難。在2003年底的第一批8口井的鉆井中，因泥頁(yè)巖地層水化膨脹、地應(yīng)力作用、鉆井軌跡設(shè)計(jì)合理性等多種原因，引發(fā)了10多起較嚴(yán)重的鉆井事故。由于油田鉆井作業(yè)事故率接近40％，使得該海域鉆井成為中國(guó)海洋石油總公司所屬油田內(nèi)較典型的鉆井事故區(qū)域。2004年末至2005年初，湛江W12—1北油田進(jìn)行了10口開發(fā)井的鉆井作業(yè)，在中海石油有限公司(湛江)鉆井部的精心組織下，將研究結(jié)論與各類專家多年來(lái)在這一地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，鉆井工作獲得了極大的成功，鉆井過程實(shí)現(xiàn)了“零”事故。由于研究規(guī)模較大，獲得成果較多，本文僅介紹其中部分研究，即利用油田近年的新鉆井、測(cè)井與錄井?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行油田原有地震數(shù)據(jù)的反演計(jì)算與精細(xì)處理，使之用于鉆井軌跡的優(yōu)化處理，獲得了較理想的效果。

1整體研究綜述

1.1尋找造成鉆井中地層坍塌的主要原因

(1)找出造成坍塌的主要地層。大量研究資料表明，W12—1北油田鉆井過程中的井壁失穩(wěn)，主要是位于地下垂直深度約1800—2100m處的W2段地層特殊性造成的，即W2段泥頁(yè)巖經(jīng)泥漿浸泡后水化膨脹，可能是造成井壁失穩(wěn)的主要原因。

(2)推斷出泥頁(yè)巖地層中泥巖與砂巖的比例，該數(shù)值是預(yù)示地層可坍塌性的重要指標(biāo)。

(3)揭示鉆頭臨界鉆入角的相關(guān)性。研究人員經(jīng)過對(duì)相關(guān)資料的多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明：鉆井中的井壁坍塌既與地層傾角有關(guān)，又與鉆頭與地層平面法線方向的夾角有關(guān)，從而引入泥頁(yè)巖地層臨界鉆入角的概念來(lái)進(jìn)行研究。

1.2解決井壁坍塌的方法

(1)運(yùn)用地震數(shù)據(jù)反演方法，尋找不同井段泥巖的泥砂比例，確定易坍塌地層所在位置，以便鉆井設(shè)計(jì)與制定工藝時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理。

(2)運(yùn)用對(duì)井眼中巖屑的實(shí)驗(yàn)室浸泡實(shí)驗(yàn)方法，利用實(shí)際鉆井得到的鉆屑和塌塊，對(duì)泥頁(yè)巖地層泥漿浸泡周期進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便調(diào)整鉆井過程時(shí)間表。

(3)運(yùn)用理論計(jì)算方法，計(jì)算鉆頭進(jìn)入易坍塌地層的最大進(jìn)入角，即臨界鉆入角，優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)軌跡。

1.3復(fù)雜油氣藏鉆井軌跡與鉆井工藝設(shè)計(jì)

(1)參與鉆井設(shè)計(jì)。利用研究結(jié)論，找出易坍塌井段，優(yōu)化鉆井軌跡，確保鉆頭進(jìn)入易坍塌地層的進(jìn)入角均在臨界值之內(nèi)。

(2)參與鉆井工藝制定。運(yùn)用研究結(jié)論，調(diào)整鉆井作業(yè)程序，保證鉆井中裸眼井段被泥漿浸泡的時(shí)間在預(yù)測(cè)引起坍塌的時(shí)間范圍內(nèi)。

，

(3)參與鉆井作業(yè)。根據(jù)研究結(jié)論指導(dǎo)作業(yè)過程，保證鉆井過程的安全與高效。

2地震數(shù)據(jù)反演與預(yù)測(cè)泥巖含量

2.1地震剖面數(shù)據(jù)精細(xì)化反演與解決鉆井中井壁坍塌

(1)獲得更精確的地震數(shù)據(jù)成果圖。當(dāng)鉆頭進(jìn)入易垮塌地層，其井斜角應(yīng)在某一角度之內(nèi)；但較準(zhǔn)確確定鉆頭何時(shí)進(jìn)入該地層，需要準(zhǔn)確地“卡層”，即得知進(jìn)入及鉆出易塌地層的垂直深度與“斜深”；原來(lái)用于地震勘探后，地質(zhì)學(xué)家從中判斷油田位置的地震剖面圖，已經(jīng)不能滿足這一需要。

(2)可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)易垮塌地層的泥頁(yè)巖位置及相關(guān)的泥巖含量。這需要運(yùn)用大型計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理方法對(duì)地震剖面圖進(jìn)行重新處理，以期得到更精細(xì)的解釋。

2.2普通地震剖面圖不能滿足鉆井井壁穩(wěn)定要求

目前一般用于石油勘察與開發(fā)的地震剖面圖，對(duì)于預(yù)防鉆井中的井壁坍塌來(lái)說，精度不夠，即目前的地震剖面圖的顯示精度不能滿足鉆井中井壁穩(wěn)定的需要。具體對(duì)湛江W12—1北油田來(lái)說，1994、1996年先后在海上使用物探勘察船，進(jìn)行了大規(guī)模地震數(shù)據(jù)采集，后來(lái)將采集到的數(shù)據(jù)拿到澳大利亞進(jìn)行處理，處理的目的層段是砂巖，處理后的地震數(shù)據(jù)剖面的精度約為25～50m，而鉆井用的地層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)精度一般都應(yīng)在15m以內(nèi)。實(shí)際上，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)油田，包括陸上油田或海上油田，在鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，很少考慮用地震剖面圖來(lái)做鉆井軌跡精確設(shè)計(jì)的參考，或作為確定地層斷層的位置或地層走向依據(jù)，其主要原因也是由于地震剖面圖精度不夠。

原來(lái)的地震數(shù)據(jù)圖，繪制目的為尋找油氣，描述以砂巖為主。而利用地震數(shù)據(jù)圖進(jìn)行鉆井作業(yè)中的防止井壁坍塌作用，要求地震數(shù)據(jù)圖應(yīng)以描述泥頁(yè)巖為主，并能定量地描述各地層中(包括砂泥巖)所含的泥巖成分。

2.3將普通地震剖面圖處理成鉆井專用地震解釋成果圖

(1)基本原則。利用現(xiàn)代計(jì)算方法，以W12—1北油田近年開發(fā)井的鉆井過程錄井、取心、測(cè)試、測(cè)井、生產(chǎn)井開發(fā)等數(shù)據(jù)作為邊界條件，對(duì)原有地震剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行加密與修正的精細(xì)化處理。

(2)基本方法。選擇子波分析方法，利用相關(guān)處理方式，包括去噪、濾波、常相位校正、AVO分析、道積分等進(jìn)行處理，有選擇地進(jìn)行波阻抗反演，疊前深度偏移等方法處理。

(3)具體實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)W12—1北油田地層的2個(gè)層位(即W1段、W2段)進(jìn)行斷層拾取、斷層斷片處理、時(shí)間切片，同時(shí)進(jìn)行柵狀圖對(duì)比、層位斷層解釋。

(4)在上述分析的基礎(chǔ)上，制作W2段地層上部泥頁(yè)巖的分布圖、厚度圖。通過對(duì)地震數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理，分析W2段地層上部泥頁(yè)巖的詳細(xì)情況，特別是給出將要進(jìn)行鉆井的軌跡穿過的斷層、泥頁(yè)巖厚度等，進(jìn)而給出未來(lái)鉆井過程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

2.4鉆井設(shè)計(jì)中應(yīng)用地震剖面圖

(1)利用精細(xì)反演處理的地震剖面圖，確定斷層位置，使鉆井軌跡繞開，或盡量使鉆頭從裂縫面的正面穿過斷層。①W12—1北油田的W2段是斷層發(fā)育的層段，其硬脆性泥頁(yè)巖層理也較為發(fā)育，鉆井過程中的垮塌物，或稱掉塊的體積較大，常規(guī)循環(huán)無(wú)法帶出井，極易在扶正器等與井壁環(huán)空卡死鉆具；②利用各種地震數(shù)據(jù)精細(xì)處理方法，對(duì)包括

W2段地層的斷層分布情況，進(jìn)行更為精確的描述，特別是找出前些年地震資料處理中漏掉的小斷層，用以向新鉆井的軌跡設(shè)計(jì)提供新斷層資料，以確保鉆井中鉆具的安全通過性能。

(2)利用精細(xì)反演處理的地震剖面圖，易坍塌地層中砂泥巖的泥巖含量，較精確地預(yù)測(cè)出該地層井壁坍塌的大致時(shí)間，在鉆井設(shè)計(jì)中給出穿過該地層的裸眼鉆進(jìn)時(shí)間。①較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)W12—1北油田的W2段以上的泥巖或砂泥巖的地層情況，對(duì)保證鉆井時(shí)的井壁穩(wěn)定有重要意義；②由于W2段泥頁(yè)巖在海床以下2000m以內(nèi)的地層，研究人員利用近年來(lái)進(jìn)行各種常規(guī)油田生產(chǎn)活動(dòng)所取得的測(cè)井作業(yè)的聲波和密度資料，經(jīng)過反演，所取得關(guān)于泥頁(yè)巖或砂泥巖的深度與巖性誤差會(huì)比較小；③研究人員將近年測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中反演后取得W2段的深度與巖性資料，作為精細(xì)化處理地震數(shù)據(jù)的邊界條件，即利用新的邊界數(shù)據(jù)信息，反演早年實(shí)際地震勘探中采集的數(shù)據(jù)地震，以提高地震數(shù)據(jù)成像精度；④具體實(shí)施方法為用鄰道時(shí)差圖，鄰道振幅差值圖，沿層振幅圖，邊棱檢測(cè)圖，傾角圖，層方位角圖等，對(duì)斷層、構(gòu)造以及泥砂巖的泥巖成分進(jìn)行全方位細(xì)致解釋；過程中也加進(jìn)了切片法，包括由切片組成的柵狀圖及椅式切片等。

(3)形成新的斷層與砂泥巖混層比例地震成果圖，其中后者為對(duì)泥巖與砂巖的混層進(jìn)行精細(xì)處理，得到各個(gè)井段的泥巖含量及確切垂深位置，并將相關(guān)精細(xì)處理后的地震數(shù)據(jù)成果圖，直接用于新鉆井的鉆井軌跡與工藝設(shè)計(jì)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)石油界已經(jīng)將此方法應(yīng)用于油藏解釋方面，但用于鉆井設(shè)計(jì)與工藝制定方面較為少見。研究人員在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行用于鉆井設(shè)計(jì)與工藝制定的地震數(shù)據(jù)反演處理，處理后的地震剖面圖精度已經(jīng)達(dá)到12.5m，并給出了各個(gè)地層深度下的地層砂巖與泥巖成分的組成，這些成果已經(jīng)成為湛江W12—1北油田的10口井鉆井軌跡設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

3鉆井實(shí)踐

在上述W12－1北油田鉆井前期研究基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)行了10口新鉆井的定向井軌跡與工藝設(shè)計(jì)。

(1)應(yīng)用鉆井前期研究成果，在定向井的軌跡設(shè)計(jì)中，遵循的基本原則為當(dāng)該井眼穿過泥頁(yè)巖地層，即易坍塌地層時(shí)，其井斜角不超過38.5，在其他文章中討論。

(2)應(yīng)用鉆井前期研究成果，在定向井的工藝設(shè)計(jì)中，所遵循的基本原則為當(dāng)該井進(jìn)行裸眼段鉆井時(shí)，其井壁浸泡時(shí)間一般不應(yīng)超過5.5d，其原理在其他文章討論。

(3)選定限制裸眼井段浸泡時(shí)間的井段，由前述地震數(shù)據(jù)的精細(xì)化反演處理結(jié)果給出。由地震數(shù)據(jù)反演處理所給出的地層中泥巖的含量，則給予界定井壁浸泡時(shí)間一個(gè)重要的參考。一般說來(lái)，泥巖含量小于65％，則浸泡時(shí)間應(yīng)在5.5d之內(nèi)；而泥巖含量高于65％，則浸泡時(shí)間應(yīng)控制在4.5d之內(nèi)。

4研究啟示

(1)多學(xué)科、多專業(yè)交叉進(jìn)行油田開發(fā)中出現(xiàn)問題的聯(lián)合攻關(guān)，或稱為各學(xué)科綜合研究，是現(xiàn)代石油工業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。

(2)綜合研究的結(jié)果，常常可以導(dǎo)致新研究方法的產(chǎn)生。

(3)此類研究需要一個(gè)組織嚴(yán)密的團(tuán)隊(duì)；一些過去很少發(fā)生聯(lián)系的專業(yè)人員，如鉆井工程師與物探工程師，在此類研究中，也要互相配合，緊密協(xié)作。

(4)將物探資料精細(xì)化處理用于鉆井前期研究，或稱用于鉆井軌跡優(yōu)化與工藝設(shè)計(jì)，是美國(guó)一家石油服務(wù)公司于1998年首先提出并實(shí)施的，中國(guó)石油工程師于2004年首次用于國(guó)內(nèi)油田開發(fā)，這說明中國(guó)的石油開發(fā)技術(shù)雖然與國(guó)際先進(jìn)水平相比有差距，但不是很大。

本文寫作及研究過程中，中海石油有限公司(中國(guó))湛江分公司周野、黃凱文、田藝等多位專家給予了具體指導(dǎo)，并提供了他們長(zhǎng)期積累的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，在此表示衷心感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭永峰，金曉劍，陳志忠，確定鉆井過程中嚴(yán)重沉砂段的方法及裝置[P]，中國(guó)專利，專利號(hào)01123846，1，2001—08－03.

[2]廖志敏，劉洪波，“零事故”背后的故事[N]，中國(guó)海洋石油報(bào)，2005—08-03，

[3]Ramos G G ARCO EPT，Integrating rock mechanics withdrlin strategms in a rectonic belt[M／CD]，Offshore Ba—Ij，Indonesia，SPE 47286，1998.

[4]Stephen Edwards，BP America，Imaging unstable wel1bores while drilling[M／CD]，SPE／IADC 79846，2003.

[5]Willson s M，Amoco pie B P，Zobackk M D，Stanford Uni—versity，Drilling in South America：A weHbore stability ap-proach for complex geologic conditions[M／CD]，SPE53940，1999.

[6]Guo Yongfeng，Jin Xiaojian，An improved method for pre—dicting pore pressure 0f formation in offshore[M／CD]，SPE 80492，Jakarta，Indonesia，Sep，2003.

[7]郭永峰，金曉劍，譚樹人，結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法在南海水平井鉆進(jìn)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]，計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2001，18(1)：88－93.

[8]郭永峰，金曉劍，譚樹人，非線性有限元在水平井中的應(yīng)用[J]，石油學(xué)報(bào)，1999，20(4)：69—73.

[9]韓文明，地震技術(shù)在復(fù)雜巖性油藏勘探與開發(fā)中的綜合應(yīng)用——以潿洲12—1油田北塊為例[J]，中國(guó)海上油氣(地質(zhì))，2003，17(5)：331—334.