許永華，毛亞軍，白杰，劉谷雨，龐方言，孫淵珍

（陜西延長石油（集團）有限責任公司油氣勘探公司采氣一廠，陜西 延長 717100）

延長氣田整體構(gòu)造位置屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，從前期勘探井及后期的開發(fā)井鉆進過程來看，鉆遇部分地層較易發(fā)生復(fù)雜情況，突出表現(xiàn)為井壁失穩(wěn)引起的井漏、井壁坍塌及坍塌掉塊造成的井徑擴大率超標等。統(tǒng)計顯示，2016 年延長氣田區(qū)域有203 口井發(fā)生失返型漏失，占鉆井總數(shù)的66.7%，延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組平均井徑擴大率20%，石千峰組、石盒子組平均井徑擴大率30%～40%，山西組、太原組井徑擴大率較小。但實測數(shù)據(jù)顯示[1-2]，井眼實際擴大率遠超平均井徑擴大率，部分可達70%～80%，且不是少數(shù)。近兩年，隨著對整個區(qū)塊地層的逐步認識及鉆井技術(shù)的進步，井下復(fù)雜情況發(fā)生率不斷下降。本文著重研究了井下復(fù)雜問題更為突出的石千峰組石盒子組，分別從現(xiàn)場數(shù)據(jù)，鉆井液密度與井徑擴大率的關(guān)系進行了分析。

1 井壁坍塌潛在因素

由圖1 可知，現(xiàn)場獲得聲波時差測井數(shù)據(jù)得出：實測聲波時差數(shù)據(jù)明顯偏離聲波時差趨勢線。造成該結(jié)果往往有兩個原因：1）地層孔隙較為發(fā)育，可能為異常高壓地層；2）地層裂縫較為發(fā)育，隨著鉆井過程中鉆井液濾液的浸入，近井地帶地層巖石強度降低。從該區(qū)域歷年鉆井情況及地層壓力剖面分析，沒有發(fā)現(xiàn)異常高壓地層。因此判斷，地層普遍發(fā)育的微裂縫是造成聲波時差測井數(shù)據(jù)偏離趨勢線的主要因素。

圖1 延XX 井聲波時差測井數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場獲得的其他密度測井與電阻率測井數(shù)據(jù)也表明，自石千峰組中下部地層至石盒子組底部，都有明顯的裂縫發(fā)育。結(jié)合室內(nèi)實驗結(jié)果，在壓力作用下巖石內(nèi)部的微裂縫逐漸積聚，形成大的貫通裂縫，可能是導致巖石失去承載能力的重要原因之一；巖石在三軸應(yīng)力條件下，巖石峰值強度對應(yīng)的應(yīng)變小于1%，遠小于3%，這說明巖石的脆性極大[3-4]。

2 鉆井液密度與井徑擴大率

當井壁的崩落尺寸很窄，增長時加深而不會加寬，相對較少的破碎巖石落入井內(nèi)時，井徑不會發(fā)生顯著的變化。因此，穩(wěn)定的井眼允許鉆井過程中出現(xiàn)一定程度的井壁崩落，但尺寸較大的崩落會導致井壁周圍巖石對應(yīng)力缺少足夠的支撐而產(chǎn)生沖刷。經(jīng)驗證明[5]，直井崩落寬度上限大約為90°，但在大斜度井及水平井中要低很多，水平井大約為30°。

2.1 井壁破壞判定準則

井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力過低通常是導致井壁坍塌的主要原因，過低的液柱壓力不能支撐井壁，導致井周應(yīng)力巖石所受的剪切應(yīng)力超過地層巖石的抗剪切強度，發(fā)生剪切破壞而發(fā)生坍塌。通常用Mohr-Coulomb 準則判斷巖石是否發(fā)生剪切破壞，當主應(yīng)力與圍壓滿足以下條件時，巖石便達到了破壞的臨界條件：

式中：C 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；

2.2 井徑擴大率計算模型

圖2 中，O 為井眼中心，AB 段表示鉆頭尺寸下的井眼直徑，CD 段表示井徑擴大后的實際井眼尺寸。井徑擴大率通常用下式表征：

式中：K 為井徑擴大率，%；DAB為鉆頭直井，mm；DCD為井眼擴大后橢圓的直井，mm。

已知延長氣田某井石千峰組地層深度2100米，鉆頭直徑0.2159mm。巖石內(nèi)摩擦角39°，泊松比0.3，巖石黏聚力9MPa，孔隙壓力16.5MPa，上覆巖層壓力51MPa，最大水平地應(yīng)力44.2MPa，最小水平主應(yīng)力33.8MPa。依據(jù)以上數(shù)據(jù)，求解了不同井斜角情況下井壁周圍最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力，當井壁某一深度處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力滿足式（1）時，井壁發(fā)生破壞。再利用式（2）得出井徑擴大率。

圖2 井眼擴大前后示意圖

分析了井斜角0-90°情況下，不同鉆井液密度條件下石千峰組地層井徑的擴大情況。

分別計算了不同鉆井液密度下，沿最大及最小水平地應(yīng)力方位鉆井時的井徑擴大率情況如圖3 和圖4。

圖3 最大地應(yīng)力方位鉆井

圖4 最小地應(yīng)力方位鉆井

計算結(jié)果表明，沿著最大地應(yīng)力方位鉆進時，隨著井斜角的增大井徑擴大率逐漸增大，需要適當提高鉆井液密度來控制井壁的失穩(wěn)狀況；沿著最小地應(yīng)力方位鉆進時，隨著井斜角的增大井徑擴大率表現(xiàn)為先降低后增大。同等鉆井液密度條件下，沿最大地應(yīng)力方位鉆進時井徑擴大率比沿最小地應(yīng)力方位約大10%～20%?，F(xiàn)場實測，石千峰組與石盒子組平均井徑擴大率均高于30%，石千峰組井徑擴大率相對于石盒子組更為嚴重。因此，合理的控制鉆井液密度對于維護井徑十分重要。

3 鉆井液性能對井壁穩(wěn)定性的影響

天然氣鉆井現(xiàn)場實際工況是，為了保護油氣儲層，實鉆鉆井液密度小于設(shè)計密度。大部分井壁坍塌發(fā)生在起下鉆或停止循環(huán)時，此時作用在地層的壓力僅為鉆井液靜液柱壓力，且鉆井液濾液的長時間浸泡，近井地帶地層強度進一步下降，井壁更容易發(fā)生坍塌。

延長氣田鉆進過程中，主要難點是地層微裂縫發(fā)育的劉家溝組、石千峰組至石盒子組地層，井壁垮塌及井漏，泥頁巖易水化膨脹及進入油氣層后的儲層保護等難題。石千峰組與石盒子組泥巖中黏土礦物（以伊蒙混合與高嶺石為主）含量為65%～86%，且微裂縫發(fā)育，長時間浸泡下泥巖水化膨脹，巖石強度降低，井壁坍塌壓力增大。

強抑制強封堵胺基鉆井液與KCL 型聚磺鉆井液體系在延長氣田定向井與水平井開發(fā)過程中取得了良好的使用效果。良好的流變性、低濾失性、強抑制性及具有一定的封堵性能。特別對于劉家溝組、石千峰組漏失性及黏土礦物含量較高的地層，能有效封堵漏失層，減少井壁坍塌的概率，縮短鉆井周期，提高開發(fā)經(jīng)濟效益[6-7]。

4 結(jié)論

1）地層微裂縫發(fā)育且脆性強是地質(zhì)因素，井壁長時間浸泡及鉆井液密度低造成井壁坍塌井徑擴大率超標是工程因素；

2）在允許一定程度上的井徑擴大率下，可以適當降低鉆井液密度，既滿足井身質(zhì)量要求，又能滿足儲層保護的要求；

3）良好的鉆井液體系對于維護井壁穩(wěn)定十分重要。