致密砂岩气长水平段泥岩井壁坍塌分析

张光伟

摘 要：针对致密砂岩长水平段泥岩井壁坍塌问题，以内蒙古鄂尔多斯气田钻井通过致密砂岩-泥岩过渡段为研究对象，采用地质分析、数值模拟的方法分析井壁坍塌的原因，并制定井壁坍塌防治措施。通过研究可知：坍塌区域为古地质水相地层，瓣状河砂岩沉积;井壁坍塌段出现应力集中现象，钻井上覆岩层应力整体呈现倒V形集中。

关键词：致密砂岩-泥岩过渡段;地质分析;数值模拟;防治措施

中图分类号：TE21 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）34-00-03

Analysis of Mudstone Shaft Wall Collapse in Long Horizontal Section of Tight Sandstone Gas

ZHANG Guangwei

（Exploration Institute of Guangdong Coal Geology Bureau， China Coal Geology Bureau， Guangzhou Guangdong 510440）

Abstract： Aiming at the problem of mudstone shaft wall collapse in the long horizontal section of tight sandstone， drilling through the tight sandstone-mudstone transition section of the Ordos gas field in Inner Mongolia was used as the research object. Geological analysis and numerical simulation methods were used to analyze the cause of shaft wall collapse， and the prevention of shaft wall collapse was formulated. The study shows that the collapse area is paleogeological water facies stratum and valvular river sandstone deposition; Stress concentration occurs in the collapsed section of the shaft wall， and the stress of the overlying strata of the drilling presents an inverted V-shaped concentration as a whole.

Keywords： tight sandstone-mudstone transition section;geological analysis;numerical simulation;prevention and control measures

油气田开采、煤矿开采过程中，施工钻井遇到复杂地质构造经常会出现塌孔现象，严重影响钻井安全生产。关于钻井问题，我国专家学者做过大量研究。刘万岭对苏里格气田裂缝性致密砂岩储层保护技术进行了研究，采用数值运算的方法对格气田裂缝性致密砂岩应力分布情况进行模拟研究，并制定了储层保护措施[1]。吴越对临兴多煤层高效开发井眼进行了工程研究，制定了钻孔轨迹优化措施[2]。董兵强等人对临兴区块致密砂岩气储层损害机理及钻井液优化进行了研究，对致密砂岩气储层损害机理进行数值模拟，并制定了钻井液优化措施[3]。还有一些学者对致密砂岩地质构造下的工程进行了相关研究[4-11]。但是，关于致密砂岩气长水平段泥岩井壁坍塌问题的研究较少。现以鄂尔多斯境内某致密砂岩气长水平段施工井壁坍塌为背景，采用数值模拟研究、地质分析的方法，探讨井壁坍塌的原因，以期为后期钻孔顺利钻进提供理论基础。

1 工程概况

鄂尔多斯某区块进行致密砂岩气开采，施工水平井2口。其中，1#井为Φ330 mm×260 mm+Φ180 mm+Φ120 mm。井口位置为方形开孔，下部位置为圆形钻孔。钻井工程如图1所示。

目前，钻井施工到Φ120 mm段，施工过程中穿过致密砂岩段后进入泥岩段，其间出现井壁坍塌的现象。

2 地质分析

本研究分析的气田位于鄂尔多斯境内，为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，主产层为二叠系，平均埋深3 400 m。气田主采层为典型的致密砂岩岩气，平均孔隙率为6%，渗透率为0.8×10-3 μm2。通过沉积条件分析，在古地质沉积过程中，该区域多为水相，最终形成瓣状河砂岩沉积，在强烈的成岩作用下形成致密砂岩。地质构造形成了坡斜，后期由于局部断层构造，砂岩储气层通过构造区域局部存在泥岩地层。根据储气层砂岩特性，可将储气层分为含气砂体、基质储集层。

3 数值运算及井壁坍塌分析

通过对该区域地质情况进行分析，对致密砂岩气长水平段泥岩段进行数值模拟运算，对该区域应力分布情况进行数值研究。假设泥岩段为均匀介质，细致砂岩段为均匀介质，现场运用岩石样本取芯技术进行取芯送到实验室，测得岩石样本基本力学参数，如表1所示。现场取得的岩层样本及实验过程如图2所示。

根据现场埋深推测，岩壁应力为8 MPa。井壁围岩应力分布等值线如图3所示。

由图3可知，井壁开凿通过细致砂岩段和泥岩段时出现应力集中区域。在地应力作用下，上覆岩层出现大面积集中区域，整体呈倒V形。岩层过渡段下部岩层出现局部变形，上覆岩层最大应力为48 MPa，下覆岩层最大处呈现80 MPa，上覆应力集中点处于井壁内，下部岩层内部出现形变。由于數值模拟基于有限元理论，分析材料均在材料介质弹性范围内。根据泥岩弹性极限应力可知，上覆岩层出现垮落。出现垮落主要是因为岩性过渡段岩壁应力分布不均匀。可通过局部注浆的方式增加过渡段井壁围岩的强度。

4 井壁坍塌的治理措施

通过数值分析可知，井壁出现坍塌的主要原因是不同岩性过渡带的应力分布不均匀。针对这种“双石”地质情况下的井壁失稳，必须制定加固措施。加固措施主要考虑两个方面：一是提高钻井技术;二是使用新型护孔材料。

4.1 钻井技术

钻井施工过程中，导致岩层坍塌的主要原因是钻头冲量较大。降低钻头冲量的主要措施为使用新型防塌钻井液。研究发现，无机盐钾盐CP-1、CC-2作为钻井液，在比较软的煤层中成孔效果较好，因此将该种新型钻井液应用于岩性较软的泥岩及致密砂岩-泥岩过渡段钻进过程中，可以满足相关安全要求。

4.2 新型护孔材料

注入的护孔材料要具备以下特征：具有一定的水稳定性，即耐冲击性;凝固后具有一定强度，可以支撑井壁;凝结时间不宜过长。

大量试验研究发现，硅酸盐水泥中加入适量的GSJ降水剂、GH-3缓凝剂，可大大提高水泥强度，抗压强度可增大至90 MPa，完全能满足护孔要求。

5 结语

为解决致密砂岩气长水平段泥岩井壁坍塌问题，对坍塌区域的地质情况进行分析，并对坍塌段进行数值模拟，分析坍塌原因，制定防止坍塌的措施，得到以下结论：①井壁坍塌区域为古地质水相地层，形成瓣状河砂岩沉积;②坍塌段出现应力集中现象，钻井上覆岩层应力整体呈现倒V形集中。

参考文献：

[1]刘万岭.苏里格气田裂缝性致密砂岩储层保护技术研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2019：4.

[2]吴越.临兴多煤层高效开发井眼轨迹优化方法[D].北京：中国石油大学（北京），2019：2.

[3]董兵强，邱正松，陆朝晖，等.临兴区块致密砂岩气储层损害机理及钻井液优化[J].钻井液与完井液，2018（6）：65-70.

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