基于数据分析的随钻井壁稳定技术研究与应用

摘 要：为分析某3井在钻进过程中遇到大量井壁失稳，导致两次卡钻事故的问题，以井壁失稳与卡钻机理分析为目标，通过邻井资料审核，对测井、钻井等资料的适用性和完整性进行检查，基于数据情况建立一维岩石力学模型，得到该区域东营组存在明显超压，最大孔隙压力为1.4～1.5 g/cm3，建立一套基于有限量历史数据资源且工程可操作的井壁稳定分析方法。以此指导钻井作业，减少复杂情况及事故的发生。

关键词：历史数据；井壁稳定；工程可操作；分析方法；数据分析

中图分类号：TE21 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）22-0091-04

Abstract： In order to analyze the problems of two sticking accidents caused by a large number of sidewall instability encountered in a certain 3 well during drilling， aiming at wellbore instability and sticking mechanism analysis， through the examination of adjacent well data， the applicability and integrity of logging and drilling data are checked， an one-dimensional rock mechanics model is established based on the data， and it is found that there is obvious overpressure in Dongying formation in this area， and the maximum pore pressure is 1.4～1.5 g/cm3. A set of workable sidewall stability analysis method based on limited historical data resources is established. In order to guide drilling operations and reduce the occurrence of complex situations and accidents.

Keywords： historical data; wellbore stability; engineering operation; analysis method; data analysis

井壁稳定工作是近年来各石油院校和油气开发生产单位研究的主要内容，旨在解决钻完井过程中出现的井塌、钻井液适用性、压裂等作业的问题。虽然在理论研究层面取得了较多的进展，各类研究分析模型和机理认识不断深入，但真正在钻井随钻过程中能够快速转化应用，提供积极指导的方案较少，主要原因是研究层面所考虑的边界条件在数量和质量上在实际工程中均有较大的局限性。因为实际工程中所拥有的相关数据量是极少的，即便有些已经有的数据在质量方面仍需进一步筛选。海洋某3井设计井深5 000多米，在钻井过程中出现两次卡钻的恶性事故，由于该井为一口调整井，所在区块已有5口历史井，因此开展了基于有限数据量的井壁稳定分析工作，以指导某3井的钻井工程任务。

1 历史井分析与数据筛查

1.1 数据的审核

作为研究的第一步，首先进行数据审核。其目的是了解已有数据是否满足岩石力学分析和井壁稳定分析的需要。经过对所提供的数据资料（表1）进行审核后得到：

1）有5口已钻历史井（1井、2井、A2井、A5井和A6井），有部分井段的声波纵波测井数据和井径数据，有4口井（除1井外）有密度测井数据。

2）除1井和2井外，其他井均有钻井工程日志及随钻岩屑录井剖面。

3）五系统实验室岩心实验资料。

4）某3井在侧钻后的第二个井眼段3 635～4 610 m开展了套管内偶极声波及密度测井。

1.2 研究目标井的选择

根据所在井区历史5口井和事故井某3井之间的靶点距离位置关系，选择1井、2井、A5井和A6井为关键研究邻井，构建岩石力学模型，并开展井壁稳定分析验证一维模型，随后把模型映射到事故井A3井原井眼、侧钻后第一井眼和侧钻后第二井眼，开展井壁稳定分析及井壁破坏机理分析。

2 一维精细建模

要进行井壁稳定分析，需要建立力学模型，但限于实际工程资料量的限制，一维模型是可操作的。第一步是进行详细的数据分析评估以了解已有数据的可靠性，然后对统计可靠数据开展分析，对现有井出现的与岩石力学有关的钻井事故进行识别和分析，利于理论的破坏机理分析，也为模型提供标定数据[1-4]。随后利用已有数据确定岩石力学相关参数，包括弹性模量、上覆岩石压力、孔隙压力、岩石强度、应力方向、最大和最小水平主应力。在所有岩石力学参数确定后，可进行井壁稳定分析[5-7]。

2.1 井史分析及钻井复杂统计分析

钻井过程中可能出现许多类型的钻井事故，这些钻井事故可能源于不同的起因。在这些不同的钻井事故中，许多可能与岩石力学有关，例如井涌、井眼缩径、井壁坍塌、遇阻/遇卡、卡钻及泥浆漏失等[8-10]。通过对1井和2井的钻井复杂情况梳理，可以看出钻井复杂情况较为相似，主要复杂情况包括：遇阻/遇卡，漏失，钻头泥包-对应于低机械钻速，井壁崩落-对应于循环出大量掉块。对A5和A6井钻井复杂分析，得出A6所遇到的复杂情况明显多于A5井，特别在东二下段有大量的遇卡遇阻。某3井在上部12-1/4″井眼的复杂情况统计发现：在钻井过程中或在起下钻过程中观察到大量泥岩掉块返出，表明有明显的井壁崩落，也可能有潜在的井壁清洁问题。在起下钻过程中，频繁遇阻遇卡，导致持续划眼。在起下钻过程中岩屑封堵导致憋泵、憋扭矩及泥浆漏失。

为了揭示遇阻遇卡产生的原因，将钻井复杂情况深度地图和测井曲线联系，得到遇阻遇卡出现的深度并不是随机的，深度和低伽马和高电阻率岩层深度有较好的一致性。这可以认为可能是和砂泥岩互层岩性相关，因为在该层位钻井通过砂泥岩互层地层时，砂岩层胶结较好，可钻性较差，测井显示砂岩层相对于相邻泥岩层没有扩径或者扩径量较少，形成导致钻具组合上下时遇阻和遇卡的台阶。

某3井在8-1/2井眼的复杂情况分析。在钻井过程中或在起下钻过程中观察到大量泥岩掉块返出，表明有明显的井壁崩落，也可能有潜在的井壁清洁问题。在钻井过程中观察到了很高的背景气、后效气及单根气，表明所使用的钻井液密度（1.38～1.43 g/cm3）很可能低于地层孔隙压力，为欠平衡钻井。在起下钻过程中，频繁遇阻、遇卡，导致持续划眼。在起下钻过程中岩屑封堵导致憋泵、憋扭矩及泥浆漏失。在多个深度段出现可能由于钻头泥包导致的低达低机械钻速，钻速低至1 m/h。

某3井侧钻后第一井眼复杂情况分析。在钻井过程中或在起下钻过程中观察到大量泥岩掉块返出，表明有明显的井壁崩落，也可能有潜在的井壁清洁问题。在钻井过程中观察到了很高的背景气、后效气及单根气，表明所使用的钻井液密度（1.48～1.5 g/cm3）很可能低于地层孔隙压力，为欠平衡钻井。在起下钻过程中，频繁遇阻、遇卡，导致持续划眼。在起下钻过程中岩屑封堵导致憋泵、憋扭矩及泥浆漏失。在多个深度段出现可能由于钻头泥包导致的低达低机械钻速，钻速低至1 m/h。

通过上述统计分析，得到某3井第二侧钻井眼和第一侧钻井眼钻井复杂情况类似，但复杂事件的数量和风险程度明显降低，同时得到：在钻井过程中的背景气、后效气及单根气大幅降低，说明钻井液密度（1.50～1.55 g/cm3）已经足够平衡地层孔隙压力。钻进过程相对顺利，但一开始钻井壁就开始失稳。例如在5月12日开始钻进，15日钻进到4 306 m。循环在迟到深度4 306 m及4 293 m返出掉块，16日短起有多处卡点，表明所用钻井液密度并不足够抑制井壁崩落。

某3井原井眼和两次侧钻所用钻井液密度和气测结果对比分析，如图1所示。可以看出，原井眼用1.38～1.43 g/cm3钻井液密度，第一侧钻井眼用1.48～1.5 g/cm3均不能有效压制背景气、后效气及单根气，而第二侧钻井眼以1.50～1.55 g/cm3的钻井液密度有效地压制了后效气，表明地层压力在1.48～1.53 g/cm3之间。

2.2 岩石力学参数计算

对1井、2井、A2井、A5井和A6井开展一维岩石力学建模。

1）弹性参数。根据横纵波速度与岩石力学参数的理论关系，用声波测井资料得到纵波和横波时差。用密度测井得到体积密度，可计算岩石力学参数。

2）强度参数。单轴抗压强度、内摩擦角和抗拉强度是计算井眼稳定性的3个关键参数。主要通过已有的测井数据计算。

3）地层孔隙压力预测。主要采用伊顿法计算。通过孔隙压力计算结果，如图2可知，东二下段下部为超压和常压明确分割线。不同井孔隙压力预测结果不同，表面区域内存在孔隙压力非均质性。最大孔隙压力系数在1.4～1.5 g/cm3之间，与实测数据一致。

4）地应力。根据该区域地质研究结论最大水平主应力方向N65°E。上覆压力通过电缆测井密度数据积分计算得到，最小水平主应力通过地漏试验计算得到，最大水平主应力通过井眼图像和岩石破坏模型标定得到。

2.3 井壁稳定分析

通过上述分析，对于某3井缺乏数据的井段，采用邻井数据迁移的模式，最终得到井壁稳定分析结果，如图3所示。

1）某3井原井眼的井壁稳定分析。井壁稳定分析表明在4 100～4 400 m有明显超压及井壁崩落风险，超过一半的钻井复杂发生在4 100～4 400 m的井段，卡钻及落鱼发生在相同井段。

2）某3井第一侧钻井眼。井壁稳定分析表明在4 100～4 400 m有明显超压及井壁崩落风险，超过一半的钻井复杂发生在4 100～4 400 m的井段，卡钻及落鱼发生在相同井段。

3）某3井第二侧钻井眼。井壁稳定分析表明在4 100～4 400 m有明显超压及井壁崩落风险，超过一半的钻井复杂发生在4 100～4 400 m的井段。

3 工程应用建议

综合前面井壁稳定分析的结果可以看出，要有效地抑制井壁崩落，降低井的钻井风险，需要采用足够的钻井液密度来抑制井壁崩落。通过综合分析，发现把钻井液密度提高到1.6 g/cm3能够有效抑制井壁崩落，并且低于破裂压力梯度范围内。从图3中可以看出，在采用1.6 g/cm3的钻井液密度之后，在4 300～4 350 m超压区仍然会稍有井壁崩落，但总体情况可控。

4 结论

通过对某3井及邻井钻井复杂情况和数据分析，初步建立了有限数据资源条件下工程可操作的井壁稳定分析方法，给出了以数据为依据的工程操作钻井液密度依据，并得到以下结论。

1）部分遇阻遇卡点和砂泥互层相关。这主要是在钻井通过砂泥互层的地层时，泥岩相对软弱而砂岩层较为坚硬，砂岩层相对于相邻泥岩层没有扩径或扩径很少，形成导致钻具组合上下时遇阻与遇卡的台肩。

2）选择恰当的钻井液密度，特别是从井段开钻初期就使用该密度是解决此类钻井挑战的先决条件。

3）基于已有的测井数据及钻井日志结合岩石力学的方法开展井壁稳定分析工作是必要的，但如果要进一步提高分析精确度，对于数量的获取是必要的，主要包括岩心或者大尺寸掉块岩石强度分析，评估层面破坏风险性，开展时间效应研究，评估钻井液浸泡下时间的影响。

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第一作者简介：蒋天皓（1991-），男，硕士，工程师。研究方向为海洋石油钻完井作业管理。