鄒靈戰(zhàn) 牟少敏 耿明明 張 軍 馬 勇 魏風(fēng)奇 王 慶

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

0 前 言

在川西地區(qū)，以大興場(chǎng)、平落壩、蓮花山等構(gòu)造的二疊系棲霞組為主要勘探目標(biāo)，其地震剖面如圖1所示。該地區(qū)在二疊系中晚期曾發(fā)生規(guī)模巨大的火山噴發(fā)，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(qū)鉆井作業(yè)中常面臨高壓鹽水層、井壁垮塌、漏失等復(fù)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(fù)雜多發(fā)。井壁穩(wěn)定性不足，已成為影響該地區(qū)鉆井安全的難題之一。

圖1 川西地區(qū)地震剖面

通過(guò)相關(guān)研究，人們對(duì)泥頁(yè)巖地層和硬脆性地層的井壁穩(wěn)定性有了一定認(rèn)識(shí)。在泥頁(yè)巖地層，井壁失穩(wěn)主要緣于應(yīng)力-化學(xué)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(qiáng)化其抑制性，以保證井壁的穩(wěn)定性。在硬脆性地層，井壁失穩(wěn)主要緣于應(yīng)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(wěn)定性[7]。這兩類(lèi)地層井壁的失穩(wěn)機(jī)理不同，其應(yīng)對(duì)措施和技術(shù)方向也不盡相同。

本次研究將針對(duì)沙灣組泥頁(yè)巖、峨眉玄武巖的失穩(wěn)機(jī)理展開(kāi)討論，以明確這兩類(lèi)巖層之間的井身結(jié)構(gòu)必封點(diǎn)，結(jié)合地層壓力系統(tǒng)對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)川西平探1井應(yīng)用實(shí)踐加以驗(yàn)證。

1 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

1.1 地層巖性及礦物組分、巖石力學(xué)特性

沙灣組上部為暗棕色泥巖及黑色頁(yè)巖夾灰?guī)r和云巖；下部為淺灰色鋁土質(zhì)泥巖夾紫紅色泥巖及黑色頁(yè)巖(見(jiàn)圖2)。峨眉玄武巖地質(zhì)露頭有柱狀節(jié)理發(fā)育(見(jiàn)圖3)，為陸相環(huán)境下巖漿噴發(fā)的產(chǎn)物，地層厚度為200～400 m。

圖2 沙灣組泥巖地質(zhì)露頭

圖3 峨眉玄武巖地質(zhì)露頭

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得沙灣組泥巖地質(zhì)露頭的礦物組分：黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)為50%左右，其中以伊/蒙混層為主，高嶺石次之。同時(shí)，測(cè)得其巖石力學(xué)特性：彈性模量為12～24 GPa；泊松比為0.25～0.31；單軸抗壓強(qiáng)度為60～70 MPa；抗拉強(qiáng)度為 4～5 MPa。

同樣，測(cè)得玄武巖地質(zhì)露頭的礦物組分：SiO2(石英) 體積分?jǐn)?shù)為43.70%～54.40%，Al2O3體積分?jǐn)?shù)為7.50%～16.10%，TiO2體積分?jǐn)?shù)為2.42%～4.29%，不含黏土礦物。同時(shí)，測(cè)得其巖石力學(xué)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(qiáng)度為150～180 MPa；抗拉強(qiáng)度為7～8 MPa；節(jié)理面上黏聚力和抗拉強(qiáng)度幾乎喪失；內(nèi)摩擦角為35°。

1.2 力學(xué)建模與失穩(wěn)機(jī)理分析方法

應(yīng)用巖石破壞過(guò)程分析軟件RFPA實(shí)現(xiàn)力學(xué)建模?；谟邢拊纠碚?，結(jié)合巖石材料破裂過(guò)程中伴隨的非線(xiàn)性、非均勻性和各向異性等特點(diǎn)，按照彈性損傷力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述脆性材料的細(xì)觀(guān)力學(xué)性質(zhì)，并根據(jù)Weibull分布進(jìn)行賦值。RFPA中有2個(gè)準(zhǔn)則：最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。按照最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，當(dāng)細(xì)觀(guān)單元的最大拉伸主應(yīng)力達(dá)到其給定的極限值時(shí)，該單元即發(fā)生拉伸損傷；按照摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，當(dāng)細(xì)觀(guān)單元的應(yīng)力狀態(tài)滿(mǎn)足剪切破壞極限條件時(shí)，該單元即發(fā)生剪切損傷。在彈性狀態(tài)下，材料的應(yīng)力-滲透系數(shù)關(guān)系可通過(guò)負(fù)指數(shù)方程來(lái)描述，且當(dāng)材料破壞后滲透系數(shù)突跳增大[8-11]。

引入Weibull統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)來(lái)描述巖石介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，如式(1)所示：

(1)

式中：φ—— 概率密度函數(shù)；

α—— 強(qiáng)度隨機(jī)變量；

α0—— 強(qiáng)度；

m—— 比例參數(shù)。

細(xì)觀(guān)損傷力學(xué)的損傷和巖石發(fā)生剪切破壞準(zhǔn)則。當(dāng)單元的應(yīng)力狀態(tài)或者應(yīng)變狀態(tài)滿(mǎn)足某個(gè)給定的損傷閾值條件時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)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(wú)損傷單元的彈性模量。

當(dāng)單元的剪切應(yīng)力滿(mǎn)足準(zhǔn)則時(shí)即可確定已達(dá)到損傷的閾值，Mohr-Cloulomb準(zhǔn)則為：

(3)

式中：F—— 剪切應(yīng)力；

σ1—— 最大主應(yīng)力;

σ3—— 最小主應(yīng)力；

φ—— 內(nèi)摩擦角；

fc—— 單軸抗壓強(qiáng)度。

剪切破壞的損傷表征，如式(4)所示：

(4)

式中：fcr—— 殘余強(qiáng)度；

ε—— 應(yīng)變；

εc0—— 無(wú)損傷的最大彈性應(yīng)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(wú)損傷的滲流速度；

ξ、β—— 無(wú)量綱系數(shù)；

σiii—— 單元應(yīng)力；

p—— 孔隙壓力。

巖石發(fā)生拉張破壞的準(zhǔn)則，如式(6)所示：

σ3≤-ft

(6)

式中：ft—— 巖石抗拉強(qiáng)度。

拉張破壞的損傷表征，如式(7)所示：

(7)

式中：εt0—— 無(wú)損傷的最大拉應(yīng)變；

εtu—— 殘余強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(wěn)定力學(xué)分析模型

分別針對(duì)沙灣組巖石和峨眉玄武巖建立井眼穩(wěn)定力學(xué)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(kāi)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(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果對(duì)巖石的強(qiáng)度和彈性參數(shù)進(jìn)行賦值。沙灣組巖石是完整的地層巖石，可直接對(duì)其強(qiáng)度和參數(shù)賦值，在水化作用下其強(qiáng)度逐步減小。峨眉玄武巖分為基體和節(jié)理面，分別對(duì)其強(qiáng)度和彈性參數(shù)賦值?；w無(wú)滲流，于是將其滲流速度設(shè)定為0；節(jié)理面容易發(fā)生滲流，因此需計(jì)算其滲流速度。同時(shí)，節(jié)理面也是強(qiáng)度弱面，將其黏聚力和拉應(yīng)力賦值為0，內(nèi)摩擦角賦值為35°。

(3) 設(shè)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(yīng)力和水平最小地應(yīng)力分別賦值; 待應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)后開(kāi)挖井眼，向井眼內(nèi)施加液柱壓力，參考鉆井液密度來(lái)賦值。

(4) 模擬開(kāi)挖沙灣組。開(kāi)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(yīng)力方向上，井壁巖石出現(xiàn)剪切破壞，破壞區(qū)域?yàn)闄E圓形(見(jiàn)圖4)。在水化作用下降低圍巖的強(qiáng)度，此橢圓區(qū)域會(huì)擴(kuò)大，表明水化作用和鉆井液的抑制性密切相關(guān)。提高鉆井液的抑制性可以保持圍巖的強(qiáng)度，從而延緩剪切破壞的發(fā)生，減輕破壞程度；提高液柱壓力、鉆井液密度，可以有效預(yù)防剪切破壞的發(fā)生。

圖4 沙灣組井壁失穩(wěn)機(jī)理數(shù)值模擬結(jié)果

(5) 模擬開(kāi)挖峨眉玄武巖。開(kāi)挖后保持較高的井眼液柱壓力，當(dāng)鉆井液密度較大時(shí)節(jié)理面上會(huì)發(fā)生滲流。于是，在應(yīng)力-滲流耦合作用下，水平最大主應(yīng)力方向的井壁圍巖在節(jié)理面上被拉張破壞，呈不規(guī)則狀(見(jiàn)圖5)。保持液柱壓力、降低節(jié)理面上的滲流壓力差，或者通過(guò)封堵作業(yè)以減弱節(jié)理面上的滲流作用，都有助于減緩節(jié)理面上的拉張破壞作用。

圖5 峨眉玄武巖井壁失穩(wěn)機(jī)理數(shù)值模擬結(jié)果

沙灣組泥巖模擬結(jié)果顯示，在應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下井壁易因剪切破壞而垮塌。對(duì)于這種井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，可通過(guò)提高鉆井液的密度和抑制性加以改善。

峨眉玄武巖模擬結(jié)果顯示，由于柱狀節(jié)理發(fā)育，在應(yīng)力-滲流耦合作用下井壁易在節(jié)理面上發(fā)生垮塌。對(duì)于這種井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)合理控制鉆井液密度，并加強(qiáng)鉆井液封堵措施。

從壓力數(shù)據(jù)來(lái)看：對(duì)于沙灣組泥巖，在考慮水化作用的情況下垮塌壓力系數(shù)逐漸升高至接近2.00，漏失壓力系數(shù)大于2.30；對(duì)于峨眉玄武巖，其節(jié)理發(fā)育，易在應(yīng)力-滲流耦合作用主導(dǎo)下發(fā)生垮塌，垮塌壓力系數(shù)為1.70左右，漏失壓力系數(shù)小于1.90。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)必封點(diǎn)分析

在川西地區(qū)，鉆井作業(yè)中常面臨超深、高壓鹽水、膏巖層、含硫化氫等復(fù)雜地質(zhì)條件，井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)安全鉆井非常重要[12-15]。以川西平探1井為例，根據(jù)沙灣組泥巖和峨眉玄武巖的井壁失穩(wěn)機(jī)理及地層壓力系統(tǒng)特點(diǎn)確定其必封點(diǎn)。

按照防漏、防溢流、防卡鉆的壓力約束條件，確定了5個(gè)必封點(diǎn)，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為六開(kāi)。由于二疊系沙灣組泥巖在應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下易發(fā)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(wěn)定。由于峨眉玄武巖在應(yīng)力-滲流耦合作用下容易在節(jié)理面發(fā)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(wěn)定井壁，需要強(qiáng)化鉆井液的封堵性能，并設(shè)計(jì)合理的鉆井液密度。峨眉玄武巖具有多期噴發(fā)特點(diǎn)，適宜與其下部的茅口組放在同一裸眼段。針對(duì)主要目的層棲霞組采用儲(chǔ)層專(zhuān)打工藝，以利于地質(zhì)發(fā)現(xiàn)。

沙灣組泥巖與峨眉玄武巖分屬不同的壓力系統(tǒng)，需要通過(guò)井身結(jié)構(gòu)來(lái)區(qū)分，二者之間定然存在一個(gè)必封點(diǎn)。在優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮此必封點(diǎn)的作用。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

平探1井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為六開(kāi)(見(jiàn)圖6)，各開(kāi)次鉆深、套管下深、水泥漿返高等參數(shù)的設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 平探1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

圖6 平探1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 一開(kāi)：以20″(Φ508.00 mm)套管封隔表層。

(2) 二開(kāi)：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(kāi)：以103/4″(Φ273.05 mm)套管下至雷口坡組頂部，封隔相對(duì)低壓層。

(4) 四開(kāi)：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(kāi)，鉆井液密度為2.0 g/cm3，鉆至峨眉玄武巖頂部時(shí)下入85/8″(Φ219.08 mm)技術(shù)尾管(中完)。

(5) 五開(kāi)：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(qiáng)鉆井液的封堵性能，預(yù)防玄武巖失穩(wěn)，鉆至棲霞組頂部時(shí)下入65/8″(Φ168.30 mm)生產(chǎn)尾管(中完)。

(6) 六開(kāi)：對(duì)棲霞組儲(chǔ)層采用專(zhuān)打工藝，將鉆井液密度降低至1.50 g/cm3左右，以利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層，完鉆后下入41/2″(Φ114.30 mm)尾管(完井)。

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于，沙灣組和玄武巖的井壁破壞機(jī)理不同，且二者之間存在一個(gè)必封點(diǎn)，因此在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要將技術(shù)尾管下至峨眉玄武巖頂部。在之前的井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)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(kāi)，加劇了井壁失穩(wěn)和漏失復(fù)雜現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和驗(yàn)證

在平探1井，四開(kāi)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(wú)接箍套管固井(中完)。沙灣組井壁穩(wěn)定、井徑規(guī)則，未出現(xiàn)泥頁(yè)巖垮塌及漏失等復(fù)雜現(xiàn)象，這印證了沙灣組與高壓鹽水層放在同一開(kāi)次的合理性。圖7所示為四開(kāi)沙灣組泥頁(yè)巖地層的井徑曲線(xiàn)。

圖7 四開(kāi)沙灣組泥頁(yè)巖地層的井徑曲線(xiàn)

五開(kāi)71/2″(Φ190.50 mm)井眼專(zhuān)打峨眉玄武巖和茅口組灰?guī)r，采用強(qiáng)封堵鉆井液體系，鉆井液密度從四開(kāi)的1.95 g/cm3降低至1.85 g/cm3，并配合水泥護(hù)壁措施。峨眉玄武巖的井壁穩(wěn)定，鉆井井徑曲線(xiàn)規(guī)則，井徑擴(kuò)大率在8%以下，未發(fā)生井壁失穩(wěn)和漏失復(fù)雜現(xiàn)象。這表明峨眉玄武巖與茅口組灰?guī)r放在同一開(kāi)次，比較合理。圖8所示為五開(kāi)峨眉玄武巖和茅口組灰?guī)r地層的井徑曲線(xiàn)。

圖8 五開(kāi)峨眉玄武巖和茅口組灰?guī)r地層的井徑曲線(xiàn)

六開(kāi)51/2″(Φ139.70 mm)井眼專(zhuān)打棲霞組儲(chǔ)層，將鉆井液密度降低至1.65 g/cm3，鉆井過(guò)程中多次發(fā)生氣侵，油氣顯示良好。試油后日產(chǎn)氣量為66×104m3，為本地區(qū)棲霞組最高記錄。這表明針對(duì)井身結(jié)構(gòu)采用儲(chǔ)層專(zhuān)打工藝具有一定的合理性和優(yōu)越性。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了加強(qiáng)鉆井作業(yè)安全，對(duì)川西復(fù)雜地質(zhì)條件下的井壁穩(wěn)定及井身結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化?；诩?xì)觀(guān)損傷力學(xué)方法建立了井眼模型，在明確沙灣組泥頁(yè)巖和峨眉玄武巖失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)上提出了必封點(diǎn)和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新方案。經(jīng)分析，厘清了川西二疊系沙灣組泥頁(yè)巖和峨眉玄武巖的井壁穩(wěn)定機(jī)理。沙灣組主要是硬脆性泥巖和頁(yè)巖，兼有水化作用，垮塌壓力高，適宜與上部高壓鹽水層設(shè)計(jì)在同一裸眼段內(nèi)。峨眉玄武巖具有柱狀節(jié)理特點(diǎn)，易因應(yīng)力-滲流耦合作用在節(jié)理面發(fā)生拉張破壞，屬于相對(duì)低壓井段，宜與茅口組設(shè)計(jì)在同一裸眼段內(nèi)。同時(shí)，認(rèn)為沙灣組和峨眉玄武巖的交界位置存在一個(gè)必封點(diǎn)，需考慮此必封點(diǎn)并通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化將二者分隔開(kāi)。本次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路在平探1井鉆井中得以實(shí)踐，首次在川西地區(qū)安全鉆穿了沙灣組泥頁(yè)巖和峨眉玄武巖，井壁失穩(wěn)和漏失復(fù)雜現(xiàn)象得到了有效改善。