判定空气钻井井壁稳定性的临界内聚力计算新方法<br/>——以四川盆地东部黑楼门构造为例

判定空气钻井井壁稳定性的临界内聚力计算新方法
——以四川盆地东部黑楼门构造为例

2020-11-03夏宏泉刘素君

天然气工业 2020年10期

夏宏泉王舵刘素君

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

空气钻井是一种以压缩空气既作为循环介质又作为能量来破碎岩石的欠平衡钻井技术[1]。与常规使用钻井液来钻井有所不同，由于空气密度很小，空气钻井中井内气柱压力远低于地层孔隙压力，就会在井底形成负压差。这样不但能防止钻井液中的液相和固相进入地层，有效保护储集层，而且还可以极大地提高机械钻速[2]。

尽管空气钻井具有明显的优越性，然而由于诸多条件的限制，使其在现场应用中很难把握。如何选取适当的井段实施空气钻井是新钻井首先要解决的问题。四川盆地川东地区油气资源储量丰富，其上部陆相地层为高陡构造[3-4]，地表出露上三叠统须家河组，从上到下发育有三叠系、二叠系、泥盆系、志留系、奥陶系和寒武系，砂泥岩互层发育[3]，硬度大、研磨性强、可钻性差，而且存在着多套压力体系，漏层多[5]，导致机械钻速低和钻井周期长[6]。目前川东地区多口井已经采用了空气钻井技术[3]。川东黑楼门构造[3,7]的楼探1井实钻使用了钻井液钻井，但鉴于空气钻井的紧迫性以及工区的地质情况，需要对该井520～7 265 m井段进行空气钻井的地层适应性分析，以便为钻新井推荐出适合空气钻井的地质层段。

为此，从传统的地层坍塌压力计算模型出发，建立了判定空气钻井井壁稳定性的临界内聚力计算模型，旨在推荐与优选适合空气钻井的井段，以期为该区乃至整个四川盆地实施空气钻井提供决策依据。

1 空气钻井的适应性条件

1.1 空气钻井的地层要求

1.1.1 不明显出水的坚硬地层[8-9]

在坚硬地层中，采用空气钻井可以大幅度地提高机械钻速。由于地层水能使黏土颗粒凝结膨胀，容易造成环空堵塞及卡钻事故。如果地层出水量小于5 m3/h，可加大气量排水；如果出水量大于5 m3/h，建议采用雾化钻井方法；当出水量超过7.9 m3/h时，应立即停止空气钻井，需转为钻井液钻井。

1.1.2 不明显出气的地层[8]。

若气测全烃含量连续介于3%～5%时，应立即停止空气钻井，这可能引起井下燃爆或有井控风险；若检测到有毒气体H2S浓度大于30 g/cm3，应立即停止空气钻井[10]。

1.1.3 严重漏失地层

在这些地层常规钻井方式难以实施，这时就可以考虑采用空气钻井方式。

1.1.4 地层压力低且分布规律清楚的地层[8]

空气钻井的静气柱压力极小，不太适合于破碎性（包括弱胶结）不稳定地层、异常地应力不稳定地层，较高的地层压力会加重井控设备的负担[11]。此外，如果不清楚地层压力的分布规律，空气钻井施工的安全性就难以得到保证。

1.1.5 Ø 444.5 mm以下尺寸井眼

在这以上的大尺寸井眼，空气需求量大而不适用空气钻井。

1.2 空气钻井技术的局限性

1.2.1 井壁稳定性问题[11-12]

在井眼钻开前，围岩处于应力平衡状态，钻开后围岩应力会发生重分布。在常规欠平衡钻进过程中，井内的钻井液压力可以对井壁产生一个支撑作用，而使用空气钻进则没有这种支护作用。井壁周围岩石是否稳定取决于地应力的状态、岩石本身的力学参数、实际地层压力和井眼的形状等因素。

1.2.2 地层水的侵入问题

在空气钻井时，如果地层出水量超过了空气的携带能力，地层流体就会和岩屑在钻头处产生泥饼，导致钻头形成泥包而降低机械钻速[11]。如果在井筒内形成泥环可能会造成卡钻，大量地层流体的侵入会使得井底流动压力急速升高，降低了气体流动速度和气体携岩能力，若发现不及时就会进一步引起卡钻等其他井下复杂事故的发生。当有水敏性地层（如泥页岩地层）时，地层产水会使水敏性地层中的黏土矿物会发生水化膨胀，产生水化应力，造成其自身岩石力学参数以及井壁围岩应力的改变，影响井壁的稳定性[8,13]。产水地层也会发生流固耦合作用，改变围岩的应力状态，影响井壁的稳定性。地层流体侵入量过大时，就需要转换钻井方式，使用携水效果更好的雾化欠平衡钻井或泡沫平衡钻井[14]。

2 空气钻井井壁稳定性分析

2.1 空气钻井井壁稳定性判定模型的建立

基于摩尔—库仑强度准则[2,15-16]，并考虑钻井井眼围岩的岩性和渗透性，可得到井壁周围不同岩性和渗透性地层的坍塌压力的计算模型[17]为如下所述。

1）储层及其他渗透性岩层（δ=1、φ＞2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

2）泥页岩和致密岩层（δ=0、0.5%≤φ≤2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

3）泥页岩和致密岩层（δ=0、0.5＜φ、ppg≤1.0 MPa/100 m）：

式中δ表示岩石渗透系数，泥页岩和致密岩层取0，储层及其他渗透性岩层取1；φ表示岩石孔隙度；ppg表示孔隙压力梯度，MPa/100 m；BP表示坍塌压力，MPa；η表示应力非线性修正系数，一般取0.95，无量纲；σH、σh分别表示最大、最小水平主应力，MPa；C表示岩石内聚力，MPa；K表示计算岩石内摩擦力的中间变量，无量纲；pp表示孔隙压力，MPa；α表示有效应力系数；ξ表示包含有效应力系数和泊松比的关系系数；φ表示岩石内摩擦角，（°）；μ表示岩石泊松比，无量纲。

但是对于空气钻井这种非常规欠平衡钻井来说，井筒中没有液柱压力[18]，即液柱压力近似等于零。此时，井眼周围岩石的力学环境已不同于有钻井液的力学环境，井壁的稳定性主要取决于地层岩石内聚力的变化。空气钻井地层坍塌压力近似于零，如果坍塌压力为零，即令BP=0，此时可对式（1）、式（2）和式（3）进行变形，推导出C值，这个C值即为用来平衡地层应力的岩石内聚力，实质上就是岩石内聚力的临界值（C'）。则判定空气钻井井壁稳定性的C'计算模型如下所述。

1）储层及其他渗透性岩层（δ=1、φ＞2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

2）泥页岩和致密岩层（δ=0、0.5%≤φ≤2.0%、ppg＞1.0 MPa/100 m）：

3）泥页岩和致密岩层（δ=0、0.5＜φ、ppg≤1.0 MPa/100 m）：

式中C'表示岩石临界内聚力，MPa。

于是，可给出井眼周围岩石发生剪切破坏时井壁稳定的判断准则：当C＞C'时，井壁稳定、适合空气钻；当C＜C'时，井壁失稳、不利于空气钻。结合岩石力学实验数据，利用伽马、密度和纵横波时差测井曲线，逐点计算已钻井段钻井地质剖面的岩石内聚力（C）与临界内聚力（C'），相互比较就可判断哪一井段适用于空气钻井。

2.2 模型主要参数的计算方法

2.2.1 地层孔隙压力

由改进后的变指数伊顿法求得，其计算公式为：

式中：σν表示上覆岩层压力，MPa；pwn表示静水柱压力，MPa；Δtcn表示基于声波时差法的正常压实趋势线而求得的纵波时差值，μs/ft（1 ft=30.48 cm，下同）；Δtc表示岩石的纵波时差，μs/ft；T914表示变伊顿压实指数，取值范围介于0.2～1.5，无量纲。

2.2.2 岩石泊松比

式中Δts表示岩石横波时差，μs/ft。

当某井段未测横波时差曲线时，可根据GR和Δtc构建的横波时差公式来计算一条连续的Δts曲线，即

式中GR表示岩石自然伽马测井值，API。

2.2.3 岩石内聚力

可由密度、声波和自然伽马测井资料根据Brules研究的公式来计算内聚力，即

式中ρ表示岩石密度，g/cm3；vc表示岩石纵波速度（时差的倒数），ft/μs；Vcl表示泥质含量，无量纲。

2.2.4 有效应力系数

式中Cr、Cb分别表示岩石骨架的体积压缩系数、岩石体积压缩系数，无量纲； ρs表示岩石骨架的密度，g/cm3；vmc、vms分别表示岩石骨架的纵波、横波速度（时差的倒数），ft/μs。

2.2.5 最大、最小水平主应力

式中E表示杨氏模量，MPa；εH、εh分别表示沿水平最大、最小主应力方向的应变，一般取0.000 5、0.000 2。

3 应用实例分析

基于上述方法和模型及计算程序，处理单井测井数据，解释油气水层[19]并计算岩石力学参数、地应力和地层三压力及安全钻井液密度窗口，建立岩石内聚力和临界内聚力剖面，通过比较岩石内聚力、临界内聚力与地层坍塌压力变化特征来判定适合空气钻井的井段。以川东地区黑楼门构造楼探1井520～7 265 m井段实钻情况为例，进行应用分析。

图1为楼探1井的声波时差、中子、电阻率测井值交会得到储层含流体性质识别图版，可以看出：①全井段储层含流体性质有4种类别，气层、含气层和差气层及气水同层，整体趋势符合电阻率由大到小的排列顺序；②特征参数lgRt=3.0为临界点，当lgRt＞3.0时为气层、含气层，当lgRt≤3.0时为差气层、气水同层；③特征参数lg(AC/CNL)=1.65为临界点，当lg(AC/CNL)＞1.65时为气层，当lg(AC/CNL)≤1.65时为含气层、差气层和气水同层。

由本井的测井解释结论可知，520～1 910 m发育含气层，1 910～3 432 m发育差气层，3 432～4 345 m发育气层，4 345～6 690 m发育差气层，6 690～7 265 m发育气水同层。综合考虑楼探1井实钻情况（表1）、岩性和井眼尺寸（表2）以及这5个井段的储层所含流体性质，并根据适合空气钻井的地层要求和井壁稳定性的临界内聚力计算值大小，便可优选出适合空气钻井的井段。

图1 楼探1井储层含流体性质的测井识别图版

表1 520～7 265 m井段实钻情况表

520～1 910 m（雷口坡组—嘉二段）发育含气层，由表1实钻情况可知气侵现象较为严重，实际施工时液面上升5%印证了这一点，全烃含量介于3%～5%，属于明显出气地层；由表2可知该段属碳酸盐岩地层，质地坚硬，空气破岩效率高，但实际井眼尺寸为444.5 mm，属于大尺寸井眼，空气需求量大，因此综合判断不符合空气钻井的条件，故该段不可使用空气钻井。利用空气钻井井壁稳定性的岩石临界内聚力计算模型对该层段井壁稳定性进行分析，如表3第1井段所示，该段坍塌压力、内聚力和临界内聚力都在增大。孔隙压力梯度介于0.99～1.03 MPa/100 m，地层压力正常，但内聚力由21.63 MPa增大至43.91 MPa，临界内聚力由31.75 MPa增大至60.77 MPa，可以看出内聚力明显小于临界内聚力，即C＜C'，判断为井壁失稳，综合可知该层段应采用钻井液钻进。这与实钻情况一致。

表2 520～7 265 m井段岩性及井眼尺寸表

图2 1 910～3 432 m井段岩石力学参数测井解释成果图

1 910～3 432 m（嘉二段—韩家店组）发育差气层段，由表1实钻情况可知，虽有轻微气侵，但全烃含量远低于3%，可视为不出气地层，可以使用空气钻井；图2中理想钻井液密度介于1.53～1.72 g/cm3，实际钻井过程中使用1.41～1.42 g/cm3的聚磺钻井液已经导致井漏，地层漏失压力较低（21.8～44.5 MPa），可以使用空气钻井；由表2可知该段总体属碳酸盐岩地层，空气破岩效率高，实际井眼尺寸为333.4 mm，不属于大尺寸井眼，空气需求量一般，可以使用空气钻井，即1 910～3 432 m符合空气钻井的条件，故可预选出该层段适合空气钻井。对该层段井壁稳定性进行分析，如图2和表3第2井段所示，孔隙压力梯度介于1.29～1.53 MPa/100 m，虽属异常地层压力范围，但整体压力比较稳定，坍塌压力一直在增大，内聚力先减小后增大，但基本处于稳定状态，而临界内聚力总体呈现减小趋势。内聚力稳定在34 MPa左右，临界内聚力由29.95 MPa降低至16.42 MPa，可以看出此段岩石内聚力明显大于临界内聚力，即C＞C'，判断为井壁稳定，再结合预选结果，认为该层段适合采用空气钻井。

表3 520～7 265 m井段测井解释的岩石力学参数及空气钻适应性分析结果表

3 432～4 345 m（韩家店组—龙马溪组）发育气层段，由表1实钻情况可知，气侵现象严重，全烃含量连续大于38%，且显示持续10 min，全烃高达81.8%，属于明显出气地层；由表2可知该段属砂泥岩地层，较为疏松，空气破岩效率较低，实际井眼尺寸在井段3 432～3 934 m为333.4 mm、3 934～4 345 m为241.3 mm，均不属于大尺寸井眼，空气需求量一般，因此综合判断不符合空气钻井的条件，故认为该层段不可使用空气钻井。对该层段进行井壁稳定性分析，如表3第3井段所示，坍塌压力略有增加，但总体上处于稳定状态，临界内聚力减小、内聚力增大。孔隙压力梯度介于1.48～1.57 MPa/100 m，地层压力整体偏高，压差卡钻风险增大，内聚力由22.12 MPa增加至36.13 MPa，临界内聚力由37.93 MPa降低至14.68 MPa，可以看出内聚力还是明显小于临界内聚力，即C＜C'，判断为井壁失稳。综合考虑认为该层段应使用钻井液钻井，这与实钻情况一致。

图3 4 345～5 644 m井段岩石力学参数测井解释成果图

4 345～6 690 m（龙马溪组—高台组）发育差气层段，由表1实钻情况可知虽有轻微气侵和水侵，但全烃含量只有2.68%、小于3.00%，可视为不出气地层，地层出水量远小于5 m3/h，可以使用空气钻井；由表2可知该段属坚硬碳酸盐岩地层，空气破岩效率高，实际井眼尺寸在井段4 345～5 644 m为241.3 mm、5 644～6 690 m为190.5 mm，均不属于大尺寸井眼，空气需求量一般，可以使用空气钻井；如图3、4所示，理想钻井液密度介于1.42～1.82 g/cm3，实际钻井过程中使用的1.71 g/cm3普通水基钻井液导致井漏，地层漏失压力较低为37.4～45.9 MPa，可以使用空气钻井，即4 345～6 690 m符合空气钻井的条件，故可预选出该层段适合空气钻井。对该层段进行井壁稳定性分析，如图3、4和表3第4井段所示，孔隙压力梯度介于1.35～1.51 MPa/100 m，虽属异常地层压力范围，但整体压力比较稳定，坍塌压力、内聚力和临界内聚力一直在增大。内聚力由27.43 MPa增大至49.55 MPa，临界内聚力由21.96 MPa增加至38.78 MPa，可以看出岩石内聚力大于临界内聚力，即C＞C'，判断为井壁稳定，再结合预选结果，认为该层段可以使用空气钻井。

图4 5 644～6 690 m井段岩石力学参数测井解释成果图

6 690～7 265 m（高台组—筇竹寺组）发育气水同层段，由表1实钻情况可知气侵和水侵均很严重，属于明显出水、出气地层，由表2可知该段属碳酸盐岩、砂泥岩和煤层胶结地层，空气不适合破碎分布不清楚的地层，尤其是弱胶结、胶结地层，实际井眼尺寸为190.5 mm，不属于大尺寸井眼，空气需求量一般，因此综合判断不符合空气钻井的条件，即该层段不可使用空气钻井。对该段进行井壁稳定性分析，如表3第5井段所示，孔隙压力梯度在1.55 MPa/100 m左右，为异常地层压力，整体比较稳定，坍塌压力在增大，内聚力和临界内聚力趋于稳定。但内聚力稳定在45 MPa左右、临界内聚力在稳定在60 MPa左右。显然内聚力明显小于临界内聚力，即C＜C'，判断井壁失稳，再结合预选结果，认为该层段应使用钻井液钻井，这与实钻情况一致。

另外，位于川东岗岭—黑楼门剪切断裂带[20]上的老君1井[21]和普光4-2井[22]，实际采用空气钻井提速的井段也是上部陆相地层。老君1井为川东断褶带老君山西北向构造的一口预探井，实际完钻井深6 494 m。利用井壁力学稳定性分析软件预测了空气钻井地层井壁的稳定性，在上部陆相地层762.0～3 253.7 m，即上沙溪庙组—自流井组实施了空气钻井。其累计进尺2 491.70 m,钻井总时间为21.33 d,累计纯钻进时间219.08 h,平均机械钻速11.37 m/h，共使用钻头5只,平均单只钻头进尺498.34 m,与设计相比,钻井周期缩短11 d,节约钻头25只。而普光4-2井是普光气田的一口开发井，实际完钻井深6 222.99 m，在上部陆相地层（千佛崖组3 089 m以上），即上沙溪庙组—千佛崖组实施了空气钻井，根据实钻情况可知，地层出水量较小，且基本不含天然气和硫化氢，适宜于空气钻井。空气钻结果显示普光4-2井第二次开钻Ø314.1 mm井眼从上沙溪庙组到千佛崖组的平均机械钻速达到13.91 m/h,大幅度提高了机械钻速,缩短了钻井周期。

楼探1井所处的黑楼门构造与老君1井和普光4-2井皆属川东岗岭—黑楼门剪切断裂带，且均为上部陆相地层，3口井全井段地层特征虽有差异，但总体来看老君1井和普光4-2井实施空气钻井的井段均为地层压力正常且分布规律清楚的地层，地层岩性自沙溪庙组—千佛崖组分布大厚度的碳酸盐岩，质地坚硬，空气破岩效率十分理想，出水出气量较小。这两口井实施空气钻井的井段特点与楼探1井优选出的井段特点是高度一致的，由上述两口井能够印证楼探1井给出的采用空气钻井的井段是合理的。