易塌地层钻井提速中工程地质一体化作业方法的应用

2022-10-24胡丰波刘海霞沈文洁

录井工程 2022年3期

谭超胡丰波张泽刘海霞沈文洁刘伟

(①中国石油渤海钻探第一录井公司；②中国石油渤海钻探职工教育培训中心)

0 引言

福山凹陷位于海南省北部，是北部湾盆地富油气凹陷之一，古近系流沙港组为油气的主力产层，备受人们重视[1]。流沙港组共划分为三段(流一段、流二段、流三段)，本文主要研究福山凹陷花场地区流二段地层。该地层以脆硬性泥岩为主，多种地质因素导致该地层井壁稳定性较差，井径扩大率增加(最高可达63%)，在钻井过程中平均钻速低，易产生掉块、垮塌现象，易发生卡钻、起下钻遇阻等复杂事故。以往现场通过综合录井技术实时监测工程参数进行预警，由于方法模式较为单一，实际效果受外界因素影响较大。

本文从HS 1x井等5口井的地质成因分析着手，开展工程复杂成因的精细研究，应用XRF元素录井、XRD分析等录井技术，结合钻井液和各项工程参数，建立一套综合工程、地质、钻井液研究成果的钻井提速模型，进而加强现场工程事故复杂预警，缩短施工周期，充分发挥工程地质一体化在钻进过程中“提质增效”作用，也为后续同类型井的钻探开发提供了经验借鉴。

1 研究区地质概况

福山凹陷是北部湾盆地中次级负向构造单元，受燕山运动的影响在古生界及中生界白垩系变质岩基底上，发育起来的一个呈北断南超的箕状凹陷，构造上呈北东走向，具有平面上北断南超、纵向上发育双层断裂系统的特征[2]。钻井揭示地层分层依次为：第四系平原组，新近系望楼港组、灯楼角组、角尾组、下洋组，古近系涠洲组、流沙港组、长流组。流沙港组的沉积时期为半深湖-滨浅湖沉积环境，发育半深湖-滨浅湖-三角洲沉积体系。早期湖侵始于流三段沉积时期，流二段沉积时期湖侵达最大程度，在持续湖侵条件下发育广泛的半深湖亚相暗色泥岩沉积，流一段沉积时期湖盆开始收缩，暗色泥岩分布范围减小[3]。

研究区位于福山凹陷花场地区，具有泥岩厚度大、埋藏深、地温梯度高的特征，垂向泥岩厚度在600 m左右，埋藏深度介于3 000～4 000 m，平均地温梯度为4.25℃/100 m。岩石特征表现为硬、脆、碎等，岩石可钻性较差，导致该地层工程复杂事故频发，多为泥岩井壁失稳垮塌而导致的起下钻遇阻、电测遇阻以及循环遇阻。

2 工程复杂成因研究

对大多数井而言，井壁失稳是地质因素、钻井液性能因素和工程因素综合影响的结果。

2.1 地质因素

利用XRD分析技术对HS 1x井的139个岩屑样品进行分析，结果表明HS 1x井流二段岩性为泥岩、含砂质泥岩、含灰质泥岩互层分布，其中黏土矿物含量平均33.53%，石英含量平均27.39%，方解石、白云石及其他矿物含量平均39.08%。根据钻井行业划分泥页岩的标准[4]，花场地区泥岩属于硬脆性泥岩。同时该地层的压实程度较高，水平层理、裂缝发育(图1)。

图1 花场地区流二段泥岩微观裂缝及层理

当该地层被钻开后，钻井液与地层接触，若钻井液矿化度小于地层水矿化度，则地层泥岩中的黏土矿物开始吸附大量的淡水，发生水化膨胀。黏土矿物吸水膨胀后产生的水化应力使得井壁围岩应力增加[5]，井壁上的最大切向应力超过岩石自身强度时就会发生井壁失稳现象。

另外，该地区泥岩层理和裂缝的发育不仅使地层强度降低，同时为钻井液滤液进入地层内部提供了通道，钻井液在正向压差和毛细管作用下沿层理、裂缝缝隙进入地层内部，为其中的黏土矿物水化提供了优先水化空间[6]。由于这一过程加剧了弱面填充物的水化和分散，减弱了泥岩的结合强度和层理面之间的结合力，进一步降低结构面强度，导致泥岩在应力集中作用下发生井壁坍塌等复杂事故。

2.2 钻井液性能因素

通过对花场地区井壁失稳井的钻井液对比分析，结果表明钻井液主要在以下3个方面导致井壁失稳。

2.2.1 钻井液密度

钻井液密度不能有效平衡该段地层压力。当地层钻开后，井壁周围发生应力集中现象，一旦最大切向应力超过岩石自身强度就会发生井壁失稳现象。同时当钻井液进入泥岩内部微裂缝后，黏土矿物吸水膨胀产生的水化应力也会使得井壁围岩应力增加[5]。地质设计中所提供的地层坍塌压力并没有将水化应力计算在内，因此在实钻过程中如果不能选择合适的钻井液密度，井壁就容易失稳坍塌。

2.2.2 钻井液性能

钻井液体系与性能不适合该段地层要求。从流二段岩性分析来看，增强钻井液的抑制性和封堵性是主要原则，但在实际钻探过程中钻井液性能往往未达到应有的效果。如在JF 9x、M 18x、H 1-7x井采用的钻井液体系分别为有机盐钻井液、聚胺钻井液、硅基防塌钻井液，虽然都使用了针对泥页岩防塌的钻井液体系，但从实钻效果上看钻井液的抑制性和封堵性还是未能达到要求。

2.2.3 钻井液流变性与携岩性

钻井液流变性与携岩性不适合该段地层。随着井深增加，温度及压力升高，钻井液流变性也发生改变[7]。当流体的雷诺数小于其临界值时，钻井液为层流状态，层流状态的钻井液对井壁造成的冲击较小，有助于井壁的稳定；反之，则向紊流过渡，此时液体质点的运动方向紊乱无规则，流速高，具有较大动能，对井壁有较强的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌。

2.3 工程因素

井眼轨迹与地层层理走向对井壁的稳定性有着重要的影响。通常井眼和层理法线面的夹角越小井壁越稳定，夹角越大越危险。因此垂直于层理面钻进是最安全的钻井方向，平行于层理面的方向是最危险的钻井方向[8]。

通过建立流二段层面三维构造图可以测量出流二段的地层倾角约为9.6°，地层倾向为北东方向。从对花场地区多口工程复杂井井眼轨迹数据统计来看，发生严重井壁垮塌的多口井井眼轨迹在流二段地层均为大角度的稳斜阶段，井斜角在30°及以上，方位角也与地层倾向一致，井眼轨迹与地层法线夹角为40°～50°。如H 1-10x井在进入流二段后开始降斜，井斜角基本都在20°以上，从该井井径曲线上反映出井壁质量较差。

3 方法的建立

3.1 井壁稳定性模型

矿物成分中石英的化学性质极其稳定，硬度为7，刚性强、硬度大，地层层理不发育，完整性较好，所以石英矿物含量的增加会使泥岩的抗压强度和弹性模量呈上升趋势，而泊松比呈下降趋势。黏土矿物中蒙脱石、伊利石、高岭土的矿物刚性弱、硬度小，多呈片状结构，层间裂隙发育，因此黏土矿物对泥岩抗压性及泊松比的影响与石英相反[9]。通过利用XRD分析技术对所钻地层泥岩进行矿物分析，并建立石英含量、黏土矿物含量与井径交会图(图2)。

图2 石英含量、黏土矿物含量与井径交会图

从石英和黏土矿物含量与井径交会图对比来看，石英和黏土矿物含量与井径基本满足线性关系，即在黏土矿物含量高、石英含量低的情况下，井径容易扩大，可以通过矿物含量分析来判断地层的稳定性。

利用XRF元素分析技术对花场地区流二段泥岩进行分析，总结得到泥岩元素与矿物含量关系尤其是Si、Al元素与石英、黏土矿物含量的交会图，进而确定其相关性(图3)。结果表明两者基本满足线性关系，相关系数比较高，Si、Al元素含量在一定程度上可以反映石英和黏土矿物的含量，因此可利用元素含量来判别泥岩抗压强度，建立Si、Al元素含量与井径交会图(图4)。

图3 Si、Al元素含量与石英、黏土矿物含量交会图

通过图4可知，Si元素的含量可判断泥岩抗压强度、泥岩稳定性，因此引入硅质指数(ISi)来定性评价泥岩的稳定性(表1)，公式如下：

表1 地层稳定性判别标准

图4 Si、Al元素含量与井径交会图

式中：ω(Si)为测定的硅含量，%；ω(Si)min为测定的硅含量最小值，%；ω(Si)max为测定的硅含量最大值，%。

3.2 易塌地层地质模型

利用研究区已完钻井的元素数据建立该区块地层属性三维模型，并将待钻井的靶点坐标、设计井轨迹等基础数据输入三维模型，建立邻井剖面，把不稳定地层可视化。通过模型的建立，在钻井过程中可以提前预警，在进入不稳定地层前做好预防工作。

利用H 1区建立的地层Si属性地质模型，在开钻前对HS 1x井第三次侧钻易垮塌井段作出了预测：预测4 379～4 430 m、4 450～4 470 m、4 629～4 658 m三段为

易垮塌井段(图5)。后对比随钻元素录井曲线，以上三段地层分别对应硅质指数0.05≤ISi<0.15弱地层两段，0.15≤ISi<0.25较弱地层一段，预测结果基本准确。

图5 HS 1x井第三次侧钻元素录井地层稳定性评价

3.3 地层含气量监测

气测录井技术可以连续自动采集钻井液中的游离气和破碎气，正常情况下泥岩段中全烃值总体上处于稳定基值状态，但当泥岩裂缝发育或发生严重破碎时泥岩中的烃类气体将会大量进入钻井液中[10]，引起气测值突变。因此，可以通过实时分析地层含气量来监测地层的稳定状态，随钻调整钻井液性能，维护井壁的稳定性。如HS 1x原井眼分别在4 561、4 591、4 648、4 706、4 736、4 795 m井深全烃值突然增高，4 561～4 795 m井段钻井液密度为1.57 g/cm3，4 561 m～4 795 m井段全烃基值并无明显抬升，由此可知该段泥岩微裂缝发育、泥岩破碎严重，应为地层压力异常引起的气测值突变。结合XRF元素录井分析的硅质指数可以发现，这些井段多为0.05≤ISi<0.15的弱岩石强度井段，压力异常加之岩石抗压性弱导致泥岩大量破碎，引起气测异常(图6)。

图6 HS 1x原井眼地层抗压性评价

4 应用实例及效果

综合应用上述方法，在研究区进行效果验证，共验证HS 1x井等5口井，应用效果较好，均顺利完井。

4.1 一体化钻井提速模板

利用XRF元素录井、XRD录井技术与常规综合录井技术相结合，形成一套从前期设计优化、易塌井段预测到施工过程实时监测的钻井提速模板。

4.1.1 钻井工程参数优化

在钻井液排量方面既要减少对井壁的冲刷，又要保证钻井液携砂良好；在钻井流程优化方面，控制转速与钻具上提下放速度。花场地区流二段钻井参数优化方案为：施工中严格按照推荐参数钻进，每钻完一柱扩划眼时，将顶驱转速降至10～20 r/min，上提下放速度不超过0.5 m/s，以减少对井壁的物理冲击；每钻进100 m左右短起下一次，每次短起下经过之前阻卡井段，到底开泵排量不超过5 L/s，逐渐提高排量循环；下钻中途顶通尽量避开流二段，为此控制钻压为20～40 kN、排量为30～32 L/s、转速为40 r/min。

4.1.2 井身轨迹优化

井身轨迹与地层层理走向对井壁的稳定性有着重要的影响。通过流二段层面三维构造图测量出地层倾角以及地层倾斜方向，在设计优化井身轨迹时，将井斜方位角与地层倾向夹角设计在90°以上，井身轨迹与地层法线夹角小于20°，并将花场地区造斜段与稳斜段设计在流二段地层之上，将流二段井斜角设计保持在10°以内，通过井身轨迹优化提高井壁稳定性。

4.1.3 钻井液设计

针对流二段泥岩特征，增强钻井液抑制性与封堵性，并结合实施井的地层压力，采用合适的钻井液密度，及时调节钻井液性能，使其具备并保持良好的流变性与携岩性(表2)。

表2 钻井液性能参数

4.2 建立工程复杂预报卡

在实钻过程中，实时监测地层含气量和元素变化，判断下部地层稳定性，如出现气测全烃基值明显抬升或气测突然升高现象，及时观察岩屑中掉块含量变化情况，同时利用正钻井的元素曲线与邻井对比定位正钻地层层位，通过硅质指数及时判断地层稳定性，并以异常预报的形式通知工程加密钻井液密度监测，建立预测和随钻实时评价井壁稳定性的工程复杂预报卡，从而做到及时预报，提前采取相应的措施。