牛似成

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定北區(qū)塊盒1水平井鉆井復(fù)雜機(jī)理實(shí)驗(yàn)分析

牛似成

（中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006）

定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層水平井鉆井過程中發(fā)生井漏、井壁失穩(wěn)等現(xiàn)象，通過漏失情況分析、巖心觀察及室內(nèi)巖心裂縫可視化實(shí)驗(yàn)分析得出，和尚溝組、劉家溝組和石千峰組上部發(fā)育層理及微裂縫，且隨著井內(nèi)液注壓力增大，微裂縫張開度越大，漏失越嚴(yán)重。巖石礦物組分分析及理化性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖黏土礦物含量均在30%以上，多含伊利石、伊/蒙混層和高嶺石；劉家溝組和石千峰組泥巖經(jīng)鉆井液浸泡后，巖石強(qiáng)度下降明顯，易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)；石盒子組硬脆性泥巖變化不明顯，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，易受井內(nèi)波動(dòng)壓力影響， 發(fā)生井壁坍塌。定北區(qū)塊鉆井復(fù)雜機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究可為針對(duì)性措施的制定提供技術(shù)依據(jù)。

定北區(qū)塊；水平井；井壁失穩(wěn)；鉆井液漏失

定北區(qū)塊地處鄂爾多斯盆地西部，橫跨天環(huán)向斜和伊陜斜坡兩個(gè)構(gòu)造單元，已探明具有較好開發(fā)價(jià)值的下石盒子組盒1層，埋深3 600~3 900 m、地溫梯度2.95~3.12℃/100 m[1]。2014–2015年，定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層實(shí)施8口水平井，發(fā)生井漏、井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況，造成單井損失時(shí)間25天左右。井漏多發(fā)生在和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部，井壁失穩(wěn)則多發(fā)生在石盒子組，復(fù)雜機(jī)理尚不明確。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用成像測(cè)井、取心觀察、巖心室內(nèi)測(cè)試等方法分析此類復(fù)雜情況[2–8]。針對(duì)定北區(qū)塊水平井復(fù)雜情況，本文通過井況分析、巖心觀察及室內(nèi)裂縫可視化實(shí)驗(yàn)等手段分析漏失機(jī)理，同時(shí)通過易失穩(wěn)地層巖石礦物組分及理化性能分析明確井壁失穩(wěn)機(jī)理。

1 盒1儲(chǔ)層水平井漏失機(jī)理分析

定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層多口水平井在和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部發(fā)生漏失，統(tǒng)計(jì)分析了鉆進(jìn)漏失層鉆井液密度、漏失時(shí)鉆井液密度及漏失發(fā)生過程等。和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部在低密度鉆井液（1.05~1.10 g/cm3）下易發(fā)生滲漏，隨著鉆井液密度的增加，滲漏逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒月┦Щ蚴Х敌月┦?。由此判斷和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部地層破漏壓力較低，高密度鉆井液下易壓漏地層，造成惡性漏失或失返性漏失。通過觀察和尚溝組、劉家溝組取心結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其局部發(fā)育一定程度裂縫。對(duì)劉家溝組、石千峰組巖心的電鏡掃描結(jié)果表明，劉家溝組、石千峰組泥巖層理面較發(fā)育、含溶蝕孔洞和裂縫。綜合上述分析結(jié)果，和尚溝組、劉家溝組、石千峰組層理及裂縫發(fā)育且破漏壓力較低是造成該段地層低密度鉆井液下滲漏、高密度鉆井液下壓漏的主要原因。

借鑒硬脆性泥頁巖微裂縫封堵可視化模擬實(shí)驗(yàn)及裂縫性儲(chǔ)層可視化實(shí)驗(yàn)方法[9–12]，采用室內(nèi)裂縫可視化模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)劉家溝組、石千峰組層理及裂縫在地層打開過程中的變化過程進(jìn)行分析研究。打開劉家溝組、石千峰組后，在井內(nèi)鉆井液和地層流體壓差作用下，鉆井液進(jìn)入層理裂縫中，引起層理裂縫內(nèi)流體壓力變化，使得裂縫的有效應(yīng)力減小，裂縫發(fā)生變形，引起裂縫開啟和膨脹，裂縫寬度及滲透率隨之增加。室內(nèi)裂縫可視化實(shí)驗(yàn)即是通過測(cè)量裂縫寬度和裂縫滲透率來分析層理裂縫在地層打開過程中的變化過程，裂縫寬度可通過實(shí)際測(cè)量確定，裂縫滲透率通過式（1）和式（2）計(jì)算求得。

f=×/A （1）

f= 8.33×1062f（2）

式中:f為裂縫孔隙度（又稱裂縫性系數(shù)），小數(shù)；為裂縫寬度，mm；為裂縫總長(zhǎng)度，mm；為裂縫巖樣的滲濾面積，mm2；f為裂縫滲透率，μm2。

室內(nèi)裂縫可視化實(shí)驗(yàn)通過改變劉家溝組、石千峰組巖心的圍壓來模擬地層的打開過程，根據(jù)劉家溝組、石千峰組垂深2 000 m左右確定圍壓變化范圍在0~20 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2，可以明顯看出裂縫隨圍壓增大而增大。

圖1 劉家溝組巖心裂縫隨圍壓變化圖譜

圖2 石千峰組巖心裂縫隨圍壓變化圖譜

通過測(cè)量劉家溝組、石千峰組巖心裂縫寬度并計(jì)算裂縫滲透率，繪制出裂縫寬度、裂縫滲透率隨圍壓的變化曲線，分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可看出，劉家溝組、石千峰組巖心裂縫隨著圍壓減小，裂縫寬度及裂縫滲透率均大幅增加，即在劉家溝組、石千峰組被打開過程中，裂縫誘導(dǎo)展開，且隨著井內(nèi)液注壓力增加，微裂縫張開度越大。

圖3 劉家溝組裂縫寬度、滲透率與圍壓關(guān)系

圖4 石千峰組裂縫寬度、滲透率與圍壓關(guān)系

2 盒1儲(chǔ)層水平井井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

定北區(qū)塊多口水平井在石盒子組發(fā)生井壁失穩(wěn)，造成遇阻或卡鉆，通過統(tǒng)計(jì)分析遇阻或卡鉆發(fā)生層位、鉆井液密度等，初步明確了井壁失穩(wěn)的發(fā)生原因，見表1。LP10H和LP11H井長(zhǎng)時(shí)間堵漏造成泥巖井壁失穩(wěn)，LP12H、LP14H、LP15H、LP13H、LP16H和LP17H井均在二開或三開完鉆后，在泥巖段發(fā)生遇阻或卡鉆。石盒子組在鉆進(jìn)過程中采用高密度鉆井液，一定程度上抑制了井壁垮塌，但長(zhǎng)時(shí)間浸泡后仍會(huì)發(fā)生膨脹或掉塊。

分析失穩(wěn)地層巖石礦物組分及理化性能是明確井壁失穩(wěn)機(jī)理的常用方法[13–16]，劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖的礦物組分分析結(jié)果表明，劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖黏土礦物含量30%以上，黏土礦物以伊利石、伊/蒙混層及高嶺石為主，易發(fā)生分散運(yùn)移、水化膨脹等[4]，見表2。采用等溫平衡吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定劉家溝組、石千峰組和石盒子組泥巖吸水膨脹能力，等溫平衡吸附實(shí)驗(yàn)以不同飽和鹽溶液標(biāo)定相對(duì)濕度，得到了不同層位泥巖在一系列相對(duì)濕度下的等溫平衡吸附量，見表3。石千峰組和石盒子組泥巖等溫吸附量略高于劉家溝組，即吸水膨脹能力稍強(qiáng)[4]。

采用巖石三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)定劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖經(jīng)鉆井液浸泡后的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并由此計(jì)算出巖石抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等參數(shù)；測(cè)試圍壓根據(jù)地層埋深而定，測(cè)定結(jié)果見表4。由表4可看出，石千峰組泥巖浸泡后巖石強(qiáng)度參數(shù)變化最大，其次為劉家溝組泥巖，浸泡前后巖石強(qiáng)度參數(shù)變化最小的是石盒子組，這與泥巖黏土礦物組分和等溫吸附結(jié)果相對(duì)應(yīng)。易水化伊/蒙混層含量由高至低依次為劉家溝組、石千峰組和石盒子組，劉家溝組、石千峰組易水化膨脹造成掉塊，石盒子組泥巖偏向硬脆性，施工過程中易受應(yīng)力變化產(chǎn)生掉塊造成鉆具遇阻或卡鉆[7]，多口水平井在通井劃眼過程中因波動(dòng)壓力大誘發(fā)井內(nèi)掉塊遇阻。

表1 定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層水平井井壁失穩(wěn)情況統(tǒng)計(jì)

表2 各層位泥巖全巖性及黏土礦物分析

表3 不同層位泥巖在不同飽和鹽溶液下的等溫平衡吸附量 %

表4 不同層位泥巖經(jīng)鉆井液浸泡前后的巖石強(qiáng)度參數(shù)

3 水平井井漏、井塌相關(guān)性分析

以上分析結(jié)果表明，和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部地層層理及裂縫發(fā)育且破漏壓力較低，劉家溝組、石千峰組泥巖易水化，石盒子組泥巖易受應(yīng)力變化發(fā)生掉塊、地層坍塌，壓力較低。定北區(qū)塊盒1儲(chǔ)層水平井實(shí)鉆過程中，直井段穿越和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部，斜井段穿越石千峰組及石盒子組；直井段打開和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部；后續(xù)鉆進(jìn)過程中，應(yīng)采用較低的鉆井液密度和低波動(dòng)壓力，以有效防漏；斜井段鉆進(jìn)石千峰組及石盒子組，需要鉆井液具有較高的密度和抑制性，以防井壁坍塌，由此造成斜井段鉆井液密度窗口窄，井內(nèi)液注壓力控制不當(dāng)或波動(dòng)壓力過大，即誘發(fā)井漏或井壁失穩(wěn)。

4 結(jié)論及建議

（1）定北區(qū)塊直井段和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部層理及裂縫易誘導(dǎo)張開造成漏失，斜井段石盒子組泥巖坍塌壓力較高，安全鉆井液密度較窄，井內(nèi)液注壓力控制不當(dāng)或波動(dòng)壓力過大會(huì)誘發(fā)井漏或井壁失穩(wěn)。

（2）建議針對(duì)定北區(qū)塊“上漏下塌”復(fù)雜特征，采用先進(jìn)防漏技術(shù)封堵和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部，斜井段提升鉆井液封堵性和抑制性，以有效防止井壁坍塌。

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編輯：張 凡

1673–8217（2017）05–0106–04

TE25

A

2016–11–15

牛似成，1987年生，2012年獲中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣井工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事鉆完井優(yōu)化設(shè)計(jì)、油氣井流體力學(xué)等方面的研究工作。

“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“低豐度致密低滲油氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”（2016ZX05048）。