陳 丹 朱 萌 曾 立

中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地西南部地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育[1-3]，多壓力系統(tǒng)共存，鉆井液安全密度窗口窄，近年來在該區(qū)域上鉆探的多口井均鉆遇井下復(fù)雜，側(cè)鉆頻繁。例如大深區(qū)塊的鉆探井，其平均故障率17.47%，復(fù)雜率18.58%，平均卡鉆4次，平均填井側(cè)鉆3次，且處理難度大、周期長。這些問題不僅大大減緩鉆井工程進(jìn)度，對于鉆井勘探以及井控安全都是非常不利的。針對川西南地區(qū)鉆井復(fù)雜頻發(fā)的問題，不少學(xué)者展開井壁失穩(wěn)應(yīng)對措施[4-6]、高壓鹽水層條件下鉆井液體系選擇和性能維護(hù)[2-3]等鉆井工程方面的研究工作，但是地質(zhì)原因的分析相對較少。為了減少該區(qū)塊的復(fù)雜故障率，為制定工程應(yīng)對措施提供準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，因此，從地質(zhì)方面對川西南部地區(qū)大興場、蓮花山、周公山等鉆探熱點區(qū)域的復(fù)雜原因開展分析工作。

1 井下復(fù)雜類型

截至2021年9月，四川盆地西南部地區(qū)鉆達(dá)二疊系及以下地層的共有12口井，通過研究區(qū)內(nèi)8口井的資料收集整理，主要的井下復(fù)雜有3類：井漏、井壁垮塌、高壓鹽水侵。從分布層段來看，井漏從淺表地層灌口組、蓬萊鎮(zhèn)組至深部峨眉山玄武巖、二疊系茅口—棲霞組等多層段均有發(fā)生，井壁垮塌多發(fā)生在蓬萊鎮(zhèn)組、自流井組、沙灣組等泥頁巖地層及峨眉山玄武巖中，高壓鹽水侵主要發(fā)生在中三疊統(tǒng)雷口坡組、下三疊統(tǒng)嘉陵江組。還有同一地層出現(xiàn)多種井下復(fù)雜的情況，例如雷口坡組、嘉陵江組是井漏與高壓鹽水侵的高發(fā)層段，峨眉山玄武巖是井漏與井壁垮塌的高發(fā)層段。

鉆井井下復(fù)雜類型多，發(fā)生頻繁，多種復(fù)雜同存，從側(cè)面印證了造成川西南部地區(qū)鉆井復(fù)雜狀況的因素很多。

2 復(fù)雜工況的地質(zhì)原因

2.1 井漏

井漏是一種在鉆井過程中鉆井液或其他工作液體漏失到地層的一種井下復(fù)雜現(xiàn)象，根據(jù)漏失通道類型和形成機理，范翔宇[7]將井漏分為了3類：①正壓差條件下以構(gòu)造裂縫和成巖裂縫為通道的裂縫性漏失；②正壓差條件下以疏松巖石的孔隙及喉道為通道的滲透性漏失；③井底壓力與地層壓力差值過大造成的巖石壓張性裂縫為通道的壓張性漏失。

川西南地區(qū)井漏頻繁，從淺表地層至中深地層均有發(fā)生。根據(jù)井漏的分類，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景、地層巖性特征、漏失特征分析，認(rèn)為造成研究區(qū)內(nèi)井漏原因有3個：①斷裂帶及裂縫引起裂縫性漏失；②采空區(qū)地層壓力下降造成壓張性漏失；③高密度鉆井液引起高壓鹽水層上部低壓地層壓張性漏失。

2.1.1 斷裂帶及裂縫引起裂縫性漏失

巖石因為成巖作用和構(gòu)造運動的影響，會產(chǎn)生裂縫及溶洞，在常規(guī)過平衡鉆井中，鉆井液會在正壓差作用下向地層滲流[8]。同時，由于巖石受到機械沖擊、鉆井液侵入、應(yīng)力釋放等因素影響，會對裂縫造成二次貫穿，從而加劇漏失程度，因此裂縫性漏失具有漏速快，漏失量大的特點[9]。

研究區(qū)從淺表地層至中深地層斷裂、裂縫發(fā)育。裂縫類型為構(gòu)造運動造成的構(gòu)造裂縫以及成巖作用造成的成巖裂縫，正是由于這兩類裂縫的發(fā)育，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)裂縫性漏失普遍存在。

1）構(gòu)造裂縫性漏失

構(gòu)造裂縫是由于地層的傾斜、褶皺、斷裂和巖漿活動等地殼運動產(chǎn)生的裂縫。

川西南部地區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育，與其構(gòu)造背景密切相關(guān)。研究區(qū)震旦系—下二疊統(tǒng)發(fā)育三大構(gòu)造體系：龍門山前構(gòu)造體系、大興場構(gòu)造體系、峨眉—瓦屋山構(gòu)造體系（圖1、表1）。龍門山前構(gòu)造體系表現(xiàn)為受逆沖斷層控制的地壘型，構(gòu)造和斷層走向為北東—南西向，包含蓮花山構(gòu)造、高家場構(gòu)造、平落壩構(gòu)造等；大興場構(gòu)造體系表現(xiàn)為受斷裂控制的斷塊型，構(gòu)造和斷層走向為北東東—南西西向，包含大興場構(gòu)造。龍門山構(gòu)造、中部大興場構(gòu)造均具有雙重構(gòu)造特征，淺部為逆沖構(gòu)造，構(gòu)造破壞嚴(yán)重，斷層向下延伸至中三疊統(tǒng)雷口坡組；深層為斷褶構(gòu)造，斷層向上延伸至下三疊統(tǒng)嘉陵江組，深部斷層未延伸至淺層（圖2），斷距相對較小。峨眉—瓦屋山構(gòu)造體系表現(xiàn)為受逆沖斷層控制的斷層—褶皺構(gòu)造，構(gòu)造走向為北西—南東向，包含漢王場構(gòu)造、周公山構(gòu)造、老龍壩構(gòu)造等，構(gòu)造體系內(nèi)發(fā)育北西向展布的通天斷層，相對龍門山山前構(gòu)造體系和大興場構(gòu)造體系，斷層斷距大（圖3）?？偟膩砜?，川西南部研究區(qū)構(gòu)造背景為受斷層控制的逆沖構(gòu)造體系[10-11]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖

表1 川西南部地區(qū)構(gòu)造統(tǒng)計表

圖2 龍門山山前構(gòu)造體系—大興場構(gòu)造體系地震時間偏移剖面圖

圖3 峨眉—瓦屋山構(gòu)造體系—大興場構(gòu)造體系地震時間偏移剖面圖

區(qū)域構(gòu)造背景表明，區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂及裂縫發(fā)育，淺表地層至中深地層的巖石構(gòu)造破壞嚴(yán)重。HS1井灌口組發(fā)現(xiàn)方井及地面竄漏，DS001-X1井電成像測井顯示須家河組發(fā)育多組裂縫（圖4），DS001-X1井鉆遇由于逆斷層造成的上三疊統(tǒng)須家河組與中三疊統(tǒng)雷口坡組、二疊系峨眉山玄武巖與茅口組的地層重復(fù)現(xiàn)象[5]，這些現(xiàn)象均是地層構(gòu)造裂縫及斷裂發(fā)育的直接證據(jù)。

圖4 DS001-X1井須家河組電成像測井圖

因此構(gòu)造裂縫性井漏在川西南部地區(qū)由淺至深均有發(fā)生，裂縫性漏失具有漏失速度快，漏失量大的典型特征，如淺表地層中，DS1井上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組漏失鉆井液686.4 m3，LT1井上白堊統(tǒng)灌口組漏失鉆井液939.4 m3，DS001-X1井須家河組漏失鉆井液595.6 m3；中深部地層中，DS001-X1井峨眉山玄武巖漏失鉆井液540.2 m3、DS001-X3井茅口組漏失鉆井液464.8 m3。

2）成巖裂縫性漏失

成巖裂縫是受成巖作用影響產(chǎn)生的。研究區(qū)內(nèi)成巖裂縫性漏失主要發(fā)生在三疊系的雷口坡組—嘉陵江組、二疊系的沙灣組、峨眉山玄武巖。而根據(jù)成巖作用的機理的不同，又可將研究區(qū)內(nèi)的成巖裂縫分為雷口坡—嘉陵江組的溶蝕孔洞與沙灣組、峨眉山玄武巖的巖石微裂縫。

雷口坡組—嘉陵江組：巖性特征為石灰?guī)r、白云巖、膏鹽巖互層[12-13]。由于膏鹽巖可溶性強，在地層水的溶蝕作用下，形成大量的溶孔、溶洞、溶縫，而碳酸鹽沉積物在成巖階段，可形成粒內(nèi)溶孔，粒間溶孔等次生孔隙，在成巖后生階段，這些次生孔隙可繼續(xù)發(fā)育擴大。這些溶蝕孔縫，構(gòu)成了鉆井液滲流通道，在井筒內(nèi)正壓差條件下就會發(fā)生裂縫性井漏，例如LT1井（側(cè)眼1）雷口坡組鉆遇較大溶蝕孔縫，鉆頭放空0.14 m發(fā)生井漏，鉆井液漏失325.6 m3。

沙灣組、峨眉山玄武巖：根據(jù)巖屑及巖心觀察，沙灣組、峨眉山玄武巖成巖裂縫發(fā)育[4-6]。沙灣組巖性總體以泥頁巖為主（圖5）。一般來說，泥頁巖地層不易發(fā)生井漏，但從沙灣組泥巖巖屑電子掃描分析發(fā)現(xiàn)，泥巖原生的微裂縫極為發(fā)育。峨眉山玄武巖屬于巖漿巖，是巖漿噴出地表冷卻凝固所形成的巖石，巖體在冷凝過程中，由于收縮，造成巖體破裂，因此成巖裂縫發(fā)育。裂縫面之間力學(xué)強度較弱，在井筒正壓差、機械沖擊影響下，很容易張開，從而造成裂縫性漏失。

圖5 大興場地區(qū)沙灣組巖性及井徑測井曲線對比圖

綜合以上分析，因構(gòu)造運動、成巖作用的影響，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育、成巖裂縫發(fā)育，地層巖石破碎疏松。而統(tǒng)計數(shù)據(jù)也顯示研究區(qū)內(nèi)裂縫性漏失發(fā)生的井?dāng)?shù)多，分布的層位多，漏失鉆井液量巨大。因此認(rèn)為斷裂帶和裂縫的發(fā)育是川西南地區(qū)井漏的主要原因。

2.1.2 采空區(qū)地層壓力下降造成壓張性漏失

由于氣層長期大量的開采，地層壓力會逐漸降低，這種地層壓力低、儲量大大減少的產(chǎn)層俗稱為“采空區(qū)”[14]。當(dāng)使用的鉆井液密度過高，井內(nèi)液柱壓力與地層壓力的差值超過地層的抗張強度，地層就會出現(xiàn)壓張裂縫，發(fā)生井漏。

比如LT1井在上三疊統(tǒng)須家河組發(fā)生的井漏就是采空區(qū)的典型例子。蓮花山構(gòu)造須二段為主力產(chǎn)層，儲層孔隙度及滲透性較好，原始地層壓力系數(shù)1.40，經(jīng)多年開采，地層壓力大大降低，蓮花山構(gòu)造多口井實測地層壓力系數(shù)為1.01，實際鉆井中，LT1井須二段采用鉆井液密度為1.22 g/cm3，造成井筒鉆井液液柱壓力過高，遠(yuǎn)超井底地層孔隙壓力，壓開地層，進(jìn)而造成采空區(qū)壓張性漏失。

2.1.3 高密度鉆井液引起高壓鹽水層上部低壓地層壓張性漏失

研究區(qū)內(nèi)多口井在雷口坡組—嘉陵江組鉆遇高壓鹽水侵，不僅污染鉆井液，還有引起井噴的井控風(fēng)險，為平衡地層中的高壓鹽水層，只有提高鉆井液密度，如DS001-X1井、DS001-X4井高壓鹽水層段采用鉆井液密度介于2.15～2.27 g/cm3，折算鹽水層壓力系數(shù)2.10左右。川西南部雷口坡組—嘉陵江組地層壓力系數(shù)為1.50左右，鹽水層壓力系數(shù)超過地層壓力系數(shù)。高密度鉆井液的使用導(dǎo)致鉆井液液柱壓力與高壓鹽水層上部低壓地層的孔隙壓力差值過大，超過其承壓能力，從而導(dǎo)致壓張性井漏。

2.2 井壁垮塌

井壁圍巖垮塌對鉆井工程安全和進(jìn)度的制約不容忽視，其經(jīng)常和坍塌卡鉆結(jié)合在一起，鉆井風(fēng)險極大。自流井組、沙灣組、峨眉山玄武巖為川西南部地區(qū)主要的垮塌層段。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)垮塌層的巖石結(jié)構(gòu)和巖石成分分析，造成井壁垮塌的原因主要為裂縫降低巖石強度和泥頁巖水化。

2.2.1 裂縫降低井壁穩(wěn)定性

如前文所述，峨眉山玄武巖的成巖裂縫、構(gòu)造裂縫都極為發(fā)育，且縱橫交錯。根據(jù)王星媛[4]、羅成波[6]等對峨眉山玄武巖力學(xué)性能測試分析（表2），不含裂縫的峨眉山玄武巖巖石抗壓強度最高達(dá)到288.8 MPa，巖石基質(zhì)本身具有較強的抗壓能力，裂縫普遍發(fā)育的峨眉山玄武巖抗壓強度最高為91.4 MPa，因此裂縫的發(fā)育，大大弱化了巖體力學(xué)強度。由于承壓能力降低，地層在鉆井液沖蝕下，極易引起井壁坍塌。

表2 峨眉山玄武巖巖樣三軸巖石力學(xué)實驗結(jié)果統(tǒng)計表

2.2.2 泥頁巖水化

泥頁巖力學(xué)強度的變化與其水化后的含水量密切相關(guān)，吸水量越多，抗壓強度的幅度下降越大[15-16]，泥頁巖中一般含有20%～30%黏土礦物，具有較強吸水性，其吸水后具有不同的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)變化，如蒙脫石吸水后發(fā)生膨脹，綠泥石吸水后裂解、剝落。在常規(guī)過平衡鉆井中，鉆井液在井筒與地層的正壓差作用下沿微裂縫及孔隙向地層滲流，黏土礦物吸收鉆井液中的水分，發(fā)生或膨脹或裂解的結(jié)構(gòu)變化。因此在微裂縫中產(chǎn)生新的應(yīng)力，如孔隙壓力、膨脹壓力，削弱了泥巖的結(jié)構(gòu)，造成泥頁巖地層快速破碎、坍塌，造成井徑大于鉆頭直徑的“大肚子”現(xiàn)象。

川西南部地區(qū)上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、下侏羅統(tǒng)自流井組、上二疊統(tǒng)沙灣組多發(fā)生坍塌卡鉆事故，分析原因為地層以泥頁巖為主，泥巖水化作用明顯，比如研究區(qū)內(nèi)大興場構(gòu)造的沙灣組發(fā)生明顯的擴徑現(xiàn)象就是泥頁巖水化的直接證據(jù)（圖5）。正是由于泥巖的水化作用，造成泥巖地層基質(zhì)分散、巖體強度嚴(yán)重弱化、失去承壓能力，進(jìn)而引起井壁垮塌，發(fā)生卡鉆。

2.3 高壓鹽水侵

研究區(qū)內(nèi)DS1井、DS001-X1井、DS001-X4井、LT1井等多口井在雷口坡組—嘉陵江組均鉆遇高壓鹽水侵。同時由于處理高壓鹽水層，還引起了井漏、卡鉆等一系列的工程復(fù)雜，對于鉆井安全影響極大。

根據(jù)區(qū)內(nèi)鹽水侵的具體情況，總結(jié)其具有以下3個特征：①異常高壓，川西南部雷口坡組—嘉陵江組的地層壓力系數(shù)普遍為1.50左右，鹽水層折算壓力系數(shù)約2.10；②溢出量大，如DS001-X1井從鹽水侵到完全壓住，總溢流污染量為331.3 m3，其中日最大溢流污染量為61.0 m3；③鹽水性質(zhì)復(fù)雜，根據(jù)DS001-X1井現(xiàn)場鹽水取樣送檢結(jié)果，該鹽水為多種成分的復(fù)合鹽水，總礦化度高，K+、Mg2+、Ca2+均處于過飽和狀態(tài)。

鹽水可對鉆井液的性能造成極大的破壞，如DS001-X3井，鹽水污染后相對污染前，鉆井液密度下降0.04 g/cm3，黏度上升26 s，中壓失水上升12.8 mg/L，其性能發(fā)生明顯變化，對于鉆井的工程安全以及井控安全影響巨大（表3）。

表3 DS001-X3井受鹽水污染前后鉆井液性能表

根據(jù)鹽水侵的特征，對高壓鹽水層形成機理進(jìn)行了分析。

三疊紀(jì)嘉陵江初期四川盆地為西高東低的開闊陸棚海。嘉二段沉積后，周邊山系陸續(xù)隆升，盆地與外海海水溝通受阻，在干旱炎熱的氣候條件下，四川盆地演化為局限海盆[17]。川西南部地區(qū)雷口坡組—嘉陵江組主要為局限—蒸發(fā)臺地環(huán)境下的膏鹽巖、白云巖、石灰?guī)r的不等厚互層[18]。膏鹽層為塑性地層，在上覆地層壓力以及構(gòu)造應(yīng)力影響下，可發(fā)生塑性流動。沉積時封閉在地層中地層水由于受到膏巖層塑性流動的擠壓作用，形成水層內(nèi)部局部高壓，如大深區(qū)塊鹽水層，折合壓力系數(shù)為2.10左右，屬異常高壓鹽水層。

膏鹽層作為優(yōu)質(zhì)的隔離層，若沒有有效的運移通道，這些地層水不會發(fā)生遷移，從而形成膏鹽層下部碳酸鹽巖的局部封存水，橫向連續(xù)性差，這點從LT1井側(cè)眼鉆遇鹽水層而正眼未鉆遇以及DS1井-DS001-X1井2口同場井鹽水層發(fā)育層段不同可以證實（圖6）。若有裂縫及斷層貫穿膏鹽層，鹽水則可通過斷層或裂縫發(fā)生運移。如DS001-X1井實際鉆遇的水層相比測井解釋的水層提前215 m左右（圖6）。而地震上，對于碳酸鹽巖裂縫系統(tǒng)的預(yù)測是世界性難題，因此對高壓鹽水層的具體發(fā)育層段難以預(yù)判。

圖6 大興場地區(qū)雷口坡組—嘉陵江組水層測井解釋成果圖

3 結(jié)論

1）造成研究區(qū)井漏的地質(zhì)原因主要有三類：①區(qū)域構(gòu)造運動以及成巖作用形成的裂縫引起裂縫性井漏；②采空區(qū)地層壓力下降導(dǎo)致壓張性井漏；③平衡高壓鹽水層壓力的高密度鉆井液引起鹽水層上部低壓地層壓張性井漏。但從漏失發(fā)育的層段、漏失規(guī)模來看，研究區(qū)內(nèi)以裂縫性漏失為主。

2）引起研究區(qū)內(nèi)井壁垮塌的主要原因是斷裂和裂縫導(dǎo)致井壁圍巖力學(xué)強度降低以及泥頁巖水化導(dǎo)致泥巖基質(zhì)分散。

3）鹽水侵主要發(fā)生在雷口坡組、嘉陵江組等蒸發(fā)相的碳酸鹽巖地層中，鹽水礦化度高；水層由于膏鹽層的塑性流動擠壓具有異常高壓的特征；在地層中以局部封存水及可動水兩種富集形態(tài)存在，就目前的地質(zhì)手段難以對高壓鹽水層進(jìn)行預(yù)測，因此膏鹽層應(yīng)以整體井控安全預(yù)防為主。