G 构造深部地层井壁稳定研究

何阳子，邱 康，熊振宇，李 乾

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司石油工程技术研究院，上海 200120）

西湖凹陷位于东海陆架盆地浙东坳陷带中部,自西往东分为西部斜坡带、中央洼陷反转构造带、东部陡坡断阶带。G 构造位于中央反转带，是在走滑应力场背景下形成的背斜，呈北东向展布。该构造钻井过程中钻遇地层从上至下依次为：东海群、三潭组、柳浪组、玉泉组、龙井组、花港组和平湖组。目前，西湖凹陷G 构造已钻探井平均井深达4548 m，属于深井范畴，平均钻井周期58 天。花港组以下深部地层钻遇异常压力，频繁发生井壁垮塌、漏失等复杂情况，严重影响了钻井安全和钻井时效。本文通过对西湖凹陷已钻井的压力特征进行分析，开展钻后井壁稳定性分析，为后续安全，高效开发提供合理建议。

1 深部地层孔隙压力特征

根据现有研究资料[1-6]，西湖凹陷异常高压主要分布在3 300～3 800 m 的花港组深部地层，异常高压主要由快速沉积造成的欠压实作用和有机质生烃作用造成。对西湖凹陷中央反转构造带北部DST 测试的已钻井地层孔隙压力进行了统计（表1），深部花港组下段至平湖组存在异常高压，压力系数最高达1.57。

由于DST 测试获得实测点较少，难以反映地层孔隙压力的纵向分布特征。通过对钻后声波测井资料的解释，可以获得地层孔隙压力随井深变化的压力剖面。基于伊顿法对西湖凹陷深部地层已钻井进行地层孔隙压力计算，图1 为计算获得的地层孔隙压力剖面，与实测地层孔隙压力进行对比，结果与实测地层孔隙压力基本一致。

表1 西湖凹陷实测地层孔隙压力系数表

图1 G 构造探井地层孔隙压力剖面

通过对已钻井地层孔隙压力进行钻后压力解释，G 构造地层孔隙压力纵向特征具有一致性，即龙井组以上地层属于常压地层，压力系数小于1.1。地层孔隙压力在进入花港组后地层孔隙压力开始抬升，地层孔隙压力当量密度在1.03～1.30 g/cm3之间，整体规律随井深增加而增加。

2 已钻探井钻井情况

根据对G 构造已钻探井的工况统计，已钻4口探井共计发生遇阻90 次，划眼22 次，倒划眼24 次，漏失3 次。钻进过程中遇阻主要发生在龙井组、花港组地层，井漏发生在花港组下部地层。钻遇花港组地层时间井壁出现了不同程度的扩径现象，部分井花港组下部地层井径扩径率超过40%，返出大量泥岩掉块。井径扩大情况见图2。

以G2 井为例，在龙井组1 831～2 303.31 m、2 418～2 530 m、2 351～2 796 m 遇 阻12 次，划眼848.43 m，倒划眼918 m。花港组3 078～3 262 m、3 408～3 508 m 遇 阻16 次。3 700～4 000 m 发生卡仪器两次。3 580～4 244.9 m 发生井漏三次，累计漏失钻井液30 m3。处理钻井过程中井下复杂情况共计损失52.25 h。

图2 G 构造探井井径扩大率及复杂情况

3 G 构造井壁失稳机理分析

G 构造深部地层受泥岩的欠压实作用和生烃作用，地层发育高压。花港组砂泥岩地层含有水敏性矿物成分，易发生水化膨胀，钻井过程中频繁发生遇阻、井漏、井垮等井下复杂情况。G 构造深部地层井壁失稳的主要原因如下。

花港组异常高压影响地层井壁稳定性。由于地层孔隙压力直接影响井周应力状态，当地层孔隙压力升高，井壁剪切和张性破坏加剧。地层坍塌压力是指地层发生剪切破坏时的临界压力，钻井过程中保持井壁处于力学稳定的必要条件是钻井液液柱压力高于地层坍塌压力，且小于地层破裂压力。当钻井液液柱压力低于地层坍塌压力，井壁岩石发生剪切破坏，井壁发生力学失稳引起垮塌[7-8]，造成遇阻、卡钻等井下复杂情况。研究井区G1、G2、G4 井钻遇花港组深部地层时，未及时调整钻井液比重，钻井液液柱压力不能平衡地层坍塌压力造成井壁失稳。

花港组地层岩石以泥岩、粉沙质泥岩、砂岩、泥质砂岩不等厚互层为主，夹杂若干煤层。根据花港组泥岩地层岩样矿物组分分析（表2），花港组地层岩石主要含有的矿物成分以石英、长石、黏土矿物为主。其中石英长石等脆性矿物含量较高，占49.5%～76%。黏土矿物含量占19.2%～56.5%。地层岩石矿物组分分析如表2 所示，可以看出花港组泥岩虽然黏土矿物总体含量不高，但黏土矿物中易水化膨胀的伊利石、伊蒙混层含量高，因此该地区的泥岩具有较强的水化特性。当井筒中钻井液滤液进入井壁地层，会引起地层中黏土矿物水化膨胀，导致井壁失稳。

表2 花港组地层岩石黏土矿物组分分析结果

4 G2 井井壁稳定钻后分析

根据岩石力学原理，利用测井数据计算得到岩石力学参数、地层孔隙压力、地应力。选取莫尔库伦破坏准则建立岩石坍塌，破裂压力计算模型，从而得到安全钻井液密度窗口[9-10]。结合实际钻井过程中使用的钻井液密度及发生的复杂情况，对G2 井进行井壁稳定性分析。

通过对G2 井钻后三压力剖面（图3）分析，可以看出龙井组地层井径较为规则，扩径率低于10%。龙井组地层处于常压状态，地层孔隙压力当量密度为0.91～1.10 g/cm3，地层坍塌压力当量密度为0.97～1.20 g/cm3，实际使用钻井液密度高于坍塌压力，井壁保持稳定。进入花港组后，随深度增加，地层孔隙压力开始抬升，地层坍塌压力升高，安全钻井液密度窗口变窄。花港组地层孔隙压力升高至1.06～1.35 g/cm3，坍塌压力为1.14～1.44 g/cm3。进入花港组地层后没有及时加重钻井液密度，导致井径扩径明显，3 555～3 753 m、3 958～4 085 m 井段扩径率超过了50%，井壁发生垮塌引起了遇阻、卡钻等复杂情况。

对G2 井3691～4248 m 井段的岩心及岩屑进行X 衍射分析，全岩矿物分析结果如图4 所示，含有的矿物成分以石英、长石、黏土矿物为主，还含有少量的方解石，白云石。黏土矿物含量在4.9%～25.8%，黏土矿物的含量如图4 所示，3 811～4 010 m 井段黏土矿物中伊蒙混层含量较多，为19%～54%，G2 井主要使用水基钻井液，泥岩中黏土矿物吸水引起的泥岩水化膨胀是造成井壁发生坍塌的原因之一。

为实现在西湖凹陷后续钻井作业中的安全高效钻进，建议开展地层压力预测研究，预测地层三压力剖面；确定较为准确的钻井液安全密度窗口，钻遇高压地层时，及时提高钻井液密度；调整钻井液性能，采用油基钻井液，减少花港组泥岩水化。

图3 NB22-1-2 井钻后三压力剖面

图4 G2 井黏土矿物成分

5 应用实例

2019 年在相邻W 构造钻探2 口探井W3、W4 井，在钻前开展了井壁稳定研究，准确预测钻井液安全密度窗口，现场及时调整钻井液密度，在花港组地层采用Mo-Drill 油基钻井液体系。在钻井过程中未发生明显井壁失稳情况，钻井周期较G 构造探井明显缩短（表3），大幅降低了作业成本。

表3 G 构造探井与W 构造探井钻井指标对比

6 结论与建议

（1）由于快速沉积造成的欠压实作用和生烃作用，G 构造花港组地层发育异常高压，最高地层压力系数1.41。通过对已钻探井的井壁稳定性分析，造成G 构造深部地层井壁失稳的主要原因是：由于深部地层异常高压造成的地层坍塌压力升高，导致钻井液安全密度变窄，由于没有及时调整钻井液密度造成了井壁力学失稳。花港组泥岩黏土矿物中伊蒙混层含量高，使用水基钻井液易引起泥岩水化膨胀导致井壁失稳，形成掉块。

（2）通过对G 构造井壁失稳原因分析，采取相应井壁失稳对策。在相邻探井钻井过程中开展钻前井壁稳定研究，确定钻井液安全密度窗口，及时调整钻井液密度。在花港组地层采用油基钻井液体系，取得了较好的应用效果。大幅缩短了钻井周期，有效解决了西湖凹陷深部地层井壁失稳问题。