川西南部钻井井下复杂的地质原因

2021-12-23陈丹朱萌曾立

天然气勘探与开发 2021年4期

陈丹朱萌曾立

中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院

0 引言

四川盆地西南部地区构造复杂，区内断裂发育[1-3]，多压力系统共存，钻井液安全密度窗口窄，近年来在该区域上钻探的多口井均钻遇井下复杂，侧钻频繁。例如大深区块的钻探井，其平均故障率17.47%，复杂率18.58%，平均卡钻4次，平均填井侧钻3次，且处理难度大、周期长。这些问题不仅大大减缓钻井工程进度，对于钻井勘探以及井控安全都是非常不利的。针对川西南地区钻井复杂频发的问题，不少学者展开井壁失稳应对措施[4-6]、高压盐水层条件下钻井液体系选择和性能维护[2-3]等钻井工程方面的研究工作，但是地质原因的分析相对较少。为了减少该区块的复杂故障率，为制定工程应对措施提供准确的地质依据，因此，从地质方面对川西南部地区大兴场、莲花山、周公山等钻探热点区域的复杂原因开展分析工作。

1 井下复杂类型

截至2021年9月，四川盆地西南部地区钻达二叠系及以下地层的共有12口井，通过研究区内8口井的资料收集整理，主要的井下复杂有3类：井漏、井壁垮塌、高压盐水侵。从分布层段来看，井漏从浅表地层灌口组、蓬莱镇组至深部峨眉山玄武岩、二叠系茅口—栖霞组等多层段均有发生，井壁垮塌多发生在蓬莱镇组、自流井组、沙湾组等泥页岩地层及峨眉山玄武岩中，高压盐水侵主要发生在中三叠统雷口坡组、下三叠统嘉陵江组。还有同一地层出现多种井下复杂的情况，例如雷口坡组、嘉陵江组是井漏与高压盐水侵的高发层段，峨眉山玄武岩是井漏与井壁垮塌的高发层段。

钻井井下复杂类型多，发生频繁，多种复杂同存，从侧面印证了造成川西南部地区钻井复杂状况的因素很多。

2 复杂工况的地质原因

2.1 井漏

井漏是一种在钻井过程中钻井液或其他工作液体漏失到地层的一种井下复杂现象，根据漏失通道类型和形成机理，范翔宇[7]将井漏分为了3类：①正压差条件下以构造裂缝和成岩裂缝为通道的裂缝性漏失；②正压差条件下以疏松岩石的孔隙及喉道为通道的渗透性漏失；③井底压力与地层压力差值过大造成的岩石压张性裂缝为通道的压张性漏失。

川西南地区井漏频繁，从浅表地层至中深地层均有发生。根据井漏的分类，结合区域构造背景、地层岩性特征、漏失特征分析，认为造成研究区内井漏原因有3个：①断裂带及裂缝引起裂缝性漏失；②采空区地层压力下降造成压张性漏失；③高密度钻井液引起高压盐水层上部低压地层压张性漏失。

2.1.1 断裂带及裂缝引起裂缝性漏失

岩石因为成岩作用和构造运动的影响，会产生裂缝及溶洞，在常规过平衡钻井中，钻井液会在正压差作用下向地层渗流[8]。同时，由于岩石受到机械冲击、钻井液侵入、应力释放等因素影响，会对裂缝造成二次贯穿，从而加剧漏失程度，因此裂缝性漏失具有漏速快，漏失量大的特点[9]。

研究区从浅表地层至中深地层断裂、裂缝发育。裂缝类型为构造运动造成的构造裂缝以及成岩作用造成的成岩裂缝，正是由于这两类裂缝的发育，导致区域内裂缝性漏失普遍存在。

1）构造裂缝性漏失

构造裂缝是由于地层的倾斜、褶皱、断裂和岩浆活动等地壳运动产生的裂缝。

川西南部地区构造裂缝发育，与其构造背景密切相关。研究区震旦系—下二叠统发育三大构造体系：龙门山前构造体系、大兴场构造体系、峨眉—瓦屋山构造体系（图1、表1）。龙门山前构造体系表现为受逆冲断层控制的地垒型，构造和断层走向为北东—南西向，包含莲花山构造、高家场构造、平落坝构造等；大兴场构造体系表现为受断裂控制的断块型，构造和断层走向为北东东—南西西向，包含大兴场构造。龙门山构造、中部大兴场构造均具有双重构造特征，浅部为逆冲构造，构造破坏严重，断层向下延伸至中三叠统雷口坡组；深层为断褶构造，断层向上延伸至下三叠统嘉陵江组，深部断层未延伸至浅层（图2），断距相对较小。峨眉—瓦屋山构造体系表现为受逆冲断层控制的断层—褶皱构造，构造走向为北西—南东向，包含汉王场构造、周公山构造、老龙坝构造等，构造体系内发育北西向展布的通天断层，相对龙门山山前构造体系和大兴场构造体系，断层断距大（图3）。总的来看，川西南部研究区构造背景为受断层控制的逆冲构造体系[10-11]。

图1 研究区构造位置图

表1 川西南部地区构造统计表

图2 龙门山山前构造体系—大兴场构造体系地震时间偏移剖面图

图3 峨眉—瓦屋山构造体系—大兴场构造体系地震时间偏移剖面图

区域构造背景表明，区内构造断裂及裂缝发育，浅表地层至中深地层的岩石构造破坏严重。HS1井灌口组发现方井及地面窜漏，DS001-X1井电成像测井显示须家河组发育多组裂缝（图4），DS001-X1井钻遇由于逆断层造成的上三叠统须家河组与中三叠统雷口坡组、二叠系峨眉山玄武岩与茅口组的地层重复现象[5]，这些现象均是地层构造裂缝及断裂发育的直接证据。

图4 DS001-X1井须家河组电成像测井图

因此构造裂缝性井漏在川西南部地区由浅至深均有发生，裂缝性漏失具有漏失速度快，漏失量大的典型特征，如浅表地层中，DS1井上侏罗统蓬莱镇组漏失钻井液686.4 m3，LT1井上白垩统灌口组漏失钻井液939.4 m3，DS001-X1井须家河组漏失钻井液595.6 m3；中深部地层中，DS001-X1井峨眉山玄武岩漏失钻井液540.2 m3、DS001-X3井茅口组漏失钻井液464.8 m3。

2）成岩裂缝性漏失

成岩裂缝是受成岩作用影响产生的。研究区内成岩裂缝性漏失主要发生在三叠系的雷口坡组—嘉陵江组、二叠系的沙湾组、峨眉山玄武岩。而根据成岩作用的机理的不同，又可将研究区内的成岩裂缝分为雷口坡—嘉陵江组的溶蚀孔洞与沙湾组、峨眉山玄武岩的岩石微裂缝。

雷口坡组—嘉陵江组：岩性特征为石灰岩、白云岩、膏盐岩互层[12-13]。由于膏盐岩可溶性强，在地层水的溶蚀作用下，形成大量的溶孔、溶洞、溶缝，而碳酸盐沉积物在成岩阶段，可形成粒内溶孔，粒间溶孔等次生孔隙，在成岩后生阶段，这些次生孔隙可继续发育扩大。这些溶蚀孔缝，构成了钻井液渗流通道，在井筒内正压差条件下就会发生裂缝性井漏，例如LT1井（侧眼1）雷口坡组钻遇较大溶蚀孔缝，钻头放空0.14 m发生井漏，钻井液漏失325.6 m3。

沙湾组、峨眉山玄武岩：根据岩屑及岩心观察，沙湾组、峨眉山玄武岩成岩裂缝发育[4-6]。沙湾组岩性总体以泥页岩为主（图5）。一般来说，泥页岩地层不易发生井漏，但从沙湾组泥岩岩屑电子扫描分析发现，泥岩原生的微裂缝极为发育。峨眉山玄武岩属于岩浆岩，是岩浆喷出地表冷却凝固所形成的岩石，岩体在冷凝过程中，由于收缩，造成岩体破裂，因此成岩裂缝发育。裂缝面之间力学强度较弱，在井筒正压差、机械冲击影响下，很容易张开，从而造成裂缝性漏失。

图5 大兴场地区沙湾组岩性及井径测井曲线对比图

综合以上分析，因构造运动、成岩作用的影响，研究区内构造断裂发育、成岩裂缝发育，地层岩石破碎疏松。而统计数据也显示研究区内裂缝性漏失发生的井数多，分布的层位多，漏失钻井液量巨大。因此认为断裂带和裂缝的发育是川西南地区井漏的主要原因。

2.1.2 采空区地层压力下降造成压张性漏失

由于气层长期大量的开采，地层压力会逐渐降低，这种地层压力低、储量大大减少的产层俗称为“采空区”[14]。当使用的钻井液密度过高，井内液柱压力与地层压力的差值超过地层的抗张强度，地层就会出现压张裂缝，发生井漏。

比如LT1井在上三叠统须家河组发生的井漏就是采空区的典型例子。莲花山构造须二段为主力产层，储层孔隙度及渗透性较好，原始地层压力系数1.40，经多年开采，地层压力大大降低，莲花山构造多口井实测地层压力系数为1.01，实际钻井中，LT1井须二段采用钻井液密度为1.22 g/cm3，造成井筒钻井液液柱压力过高，远超井底地层孔隙压力，压开地层，进而造成采空区压张性漏失。

2.1.3 高密度钻井液引起高压盐水层上部低压地层压张性漏失

研究区内多口井在雷口坡组—嘉陵江组钻遇高压盐水侵，不仅污染钻井液，还有引起井喷的井控风险，为平衡地层中的高压盐水层，只有提高钻井液密度，如DS001-X1井、DS001-X4井高压盐水层段采用钻井液密度介于2.15～2.27 g/cm3，折算盐水层压力系数2.10左右。川西南部雷口坡组—嘉陵江组地层压力系数为1.50左右，盐水层压力系数超过地层压力系数。高密度钻井液的使用导致钻井液液柱压力与高压盐水层上部低压地层的孔隙压力差值过大，超过其承压能力，从而导致压张性井漏。

2.2 井壁垮塌

井壁围岩垮塌对钻井工程安全和进度的制约不容忽视，其经常和坍塌卡钻结合在一起，钻井风险极大。自流井组、沙湾组、峨眉山玄武岩为川西南部地区主要的垮塌层段。根据研究区内垮塌层的岩石结构和岩石成分分析，造成井壁垮塌的原因主要为裂缝降低岩石强度和泥页岩水化。

2.2.1 裂缝降低井壁稳定性

如前文所述，峨眉山玄武岩的成岩裂缝、构造裂缝都极为发育，且纵横交错。根据王星媛[4]、罗成波[6]等对峨眉山玄武岩力学性能测试分析（表2），不含裂缝的峨眉山玄武岩岩石抗压强度最高达到288.8 MPa，岩石基质本身具有较强的抗压能力，裂缝普遍发育的峨眉山玄武岩抗压强度最高为91.4 MPa，因此裂缝的发育，大大弱化了岩体力学强度。由于承压能力降低，地层在钻井液冲蚀下，极易引起井壁坍塌。

表2 峨眉山玄武岩岩样三轴岩石力学实验结果统计表

2.2.2 泥页岩水化

泥页岩力学强度的变化与其水化后的含水量密切相关，吸水量越多，抗压强度的幅度下降越大[15-16]，泥页岩中一般含有20%～30%黏土矿物，具有较强吸水性，其吸水后具有不同的结构及力学性质变化，如蒙脱石吸水后发生膨胀，绿泥石吸水后裂解、剥落。在常规过平衡钻井中，钻井液在井筒与地层的正压差作用下沿微裂缝及孔隙向地层渗流，黏土矿物吸收钻井液中的水分，发生或膨胀或裂解的结构变化。因此在微裂缝中产生新的应力，如孔隙压力、膨胀压力，削弱了泥岩的结构，造成泥页岩地层快速破碎、坍塌，造成井径大于钻头直径的“大肚子”现象。

川西南部地区上侏罗统蓬莱镇组、下侏罗统自流井组、上二叠统沙湾组多发生坍塌卡钻事故，分析原因为地层以泥页岩为主，泥岩水化作用明显，比如研究区内大兴场构造的沙湾组发生明显的扩径现象就是泥页岩水化的直接证据（图5）。正是由于泥岩的水化作用，造成泥岩地层基质分散、岩体强度严重弱化、失去承压能力，进而引起井壁垮塌，发生卡钻。

2.3 高压盐水侵

研究区内DS1井、DS001-X1井、DS001-X4井、LT1井等多口井在雷口坡组—嘉陵江组均钻遇高压盐水侵。同时由于处理高压盐水层，还引起了井漏、卡钻等一系列的工程复杂，对于钻井安全影响极大。

根据区内盐水侵的具体情况，总结其具有以下3个特征：①异常高压，川西南部雷口坡组—嘉陵江组的地层压力系数普遍为1.50左右，盐水层折算压力系数约2.10；②溢出量大，如DS001-X1井从盐水侵到完全压住，总溢流污染量为331.3 m3，其中日最大溢流污染量为61.0 m3；③盐水性质复杂，根据DS001-X1井现场盐水取样送检结果，该盐水为多种成分的复合盐水，总矿化度高，K+、Mg2+、Ca2+均处于过饱和状态。

盐水可对钻井液的性能造成极大的破坏，如DS001-X3井，盐水污染后相对污染前，钻井液密度下降0.04 g/cm3，黏度上升26 s，中压失水上升12.8 mg/L，其性能发生明显变化，对于钻井的工程安全以及井控安全影响巨大（表3）。

表3 DS001-X3井受盐水污染前后钻井液性能表

根据盐水侵的特征，对高压盐水层形成机理进行了分析。

三叠纪嘉陵江初期四川盆地为西高东低的开阔陆棚海。嘉二段沉积后，周边山系陆续隆升，盆地与外海海水沟通受阻，在干旱炎热的气候条件下，四川盆地演化为局限海盆[17]。川西南部地区雷口坡组—嘉陵江组主要为局限—蒸发台地环境下的膏盐岩、白云岩、石灰岩的不等厚互层[18]。膏盐层为塑性地层，在上覆地层压力以及构造应力影响下，可发生塑性流动。沉积时封闭在地层中地层水由于受到膏岩层塑性流动的挤压作用，形成水层内部局部高压，如大深区块盐水层，折合压力系数为2.10左右，属异常高压盐水层。

膏盐层作为优质的隔离层，若没有有效的运移通道，这些地层水不会发生迁移，从而形成膏盐层下部碳酸盐岩的局部封存水，横向连续性差，这点从LT1井侧眼钻遇盐水层而正眼未钻遇以及DS1井-DS001-X1井2口同场井盐水层发育层段不同可以证实（图6）。若有裂缝及断层贯穿膏盐层，盐水则可通过断层或裂缝发生运移。如DS001-X1井实际钻遇的水层相比测井解释的水层提前215 m左右（图6）。而地震上，对于碳酸盐岩裂缝系统的预测是世界性难题，因此对高压盐水层的具体发育层段难以预判。