伊明 黃志強(qiáng) 張景虹 李冰青 許陽(yáng)陽(yáng) 張抒夏

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院；2.中國(guó)石油西部鉆探工程技術(shù)研究院；3.中國(guó)石油西部鉆探巴州分公司

準(zhǔn)噶爾盆地南緣高泉構(gòu)造是中國(guó)石油重點(diǎn)勘探區(qū)域。該區(qū)域因重點(diǎn)探井高探1井鉆至白堊系清水河組油氣顯示強(qiáng)烈，獲日產(chǎn)油1 213 t、產(chǎn)氣32.17萬(wàn)m3而實(shí)現(xiàn)勘探重大突破。

該區(qū)塊已鉆井及待鉆井均鉆遇超高壓(93 MPa)和高溫,在鉆井過(guò)程中暴露出很多風(fēng)險(xiǎn)，包括卡鉆、井漏和接單根氣等，鉆井液密度窗口窄，易導(dǎo)致嚴(yán)重的井控事故并增加鉆井成本。因此，迫切需要建立地質(zhì)力學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)高泉構(gòu)造下組合安全密度窗口,從而降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)并提高鉆井效率。

由于儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，工程常用的一維地質(zhì)模型無(wú)法為目標(biāo)井提供準(zhǔn)確的孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力，達(dá)不到預(yù)期要求，需要建立三維地質(zhì)力學(xué)模型來(lái)提高目標(biāo)井的預(yù)測(cè)精度［1-4］。

1 鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

高探1井取得勘探突破后，新疆油田公司部署了12口井來(lái)進(jìn)一步評(píng)價(jià)油氣資源。高泉構(gòu)造基本采用四開(kāi)備五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)241.3 mm技術(shù)套管下至白堊系泥巖頂,四開(kāi)對(duì)清水河地層下部侏羅系三工河地層專打(圖1)。這些井在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)了一系列復(fù)雜事故。

圖1 高泉構(gòu)造地質(zhì)分層、地層壓力預(yù)測(cè)及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Geological stratification,formation pressure prediction and casing program design of Gaoquan structure

在建立地質(zhì)力學(xué)模型并將其用于指導(dǎo)勘探區(qū)域的鉆井、完井和開(kāi)發(fā)之前，有必要研究該區(qū)域井眼穩(wěn)定性特征，并認(rèn)真分析和研究該區(qū)域的地質(zhì)力學(xué)情況。井隊(duì)鉆井日?qǐng)?bào)的分析主要集中在可能與井壁失穩(wěn)有關(guān)的鉆井事項(xiàng)(縮徑、卡鉆、巖屑堆積、井漏、部分井漏、接立柱氣、地層流體侵入等)上［5-7］，這將有助于建立準(zhǔn)確的地質(zhì)力學(xué)模型，并用于校準(zhǔn)和驗(yàn)證地質(zhì)力學(xué)模型。

當(dāng)量鉆井液密度超過(guò)最小主應(yīng)力時(shí)，井壁就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，因此，鉆井中出現(xiàn)的井漏可幫助驗(yàn)證最小主應(yīng)力的范圍。若當(dāng)量鉆井液密度低于孔隙壓力，油藏中的氣體和流體便會(huì)進(jìn)入井筒［8］，由此可見(jiàn)，孔隙壓力模型可通過(guò)地層流體侵入和接單跟氣來(lái)予以驗(yàn)證。若鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)了卡鉆、巖屑堆積、大面積掉塊等現(xiàn)象，則意味著鉆進(jìn)時(shí)井筒出現(xiàn)了剪切破壞和井壁坍塌［9］。將所有復(fù)雜事件發(fā)生的井深、時(shí)間，以及當(dāng)時(shí)的鉆井液密度均繪制在高探1井鉆井摘要中(圖2)，以便分析和驗(yàn)證地質(zhì)力學(xué)模型。

圖2 高探1井鉆井摘要Fig.2 Drilling summary of Well Gaotan 1

高探1井的鉆井摘要顯示了鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生的各種類型(如接單根氣、縮徑、卡鉆等)的復(fù)雜時(shí)間。結(jié)合巖性數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)和巖屑照片，得出以下鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論：(1)第四系地層上部礫巖層可鉆性差，獨(dú)山子組中部以下有許多夾層，該井段循環(huán)至井口的礫石大小在3~5 cm，頂驅(qū)經(jīng)常憋停，鉆頭磨損嚴(yán)重；(2)塔西河組上部為裂縫性地層，出現(xiàn)了嚴(yán)重的井壁坍塌和巖屑堆積，塔西河組和沙灣組下部地層石膏含量高，可鉆性差，容易導(dǎo)致縮徑和卡鉆，紫泥泉子組穿過(guò)裂縫和斷層帶，具有很強(qiáng)的水敏性和很高的井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)；(3)清水河組夾雜著砂巖和泥巖，在相同的裸眼段下同時(shí)存在不同深度的高、低孔隙壓力，低孔隙壓力地層中存在鉆井液滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，在高孔隙壓力下存在接立柱氣和地層流體侵入的風(fēng)險(xiǎn)。該區(qū)塊最大的挑戰(zhàn)是如何在窄密度窗口中控制鉆井安全。為了降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)超高壓力的起源和分步有一定的了解，為后續(xù)精準(zhǔn)三維地質(zhì)力學(xué)預(yù)測(cè)打下基礎(chǔ)。

2 地質(zhì)力學(xué)模型建立

三維地質(zhì)力學(xué)模型是三維空間中儲(chǔ)層非均質(zhì)性的準(zhǔn)確表示，三維地質(zhì)力學(xué)模型的屬性與一維地質(zhì)力學(xué)模型相同［10］。一個(gè)完整的一維地質(zhì)力學(xué)模型包含6部分：孔隙壓力、上覆巖層壓力、最小水平主應(yīng)力(Shmin)、最大水平主應(yīng)力(SHmax)、最大水平主應(yīng)力方向和巖石力學(xué)性質(zhì)。巖石力學(xué)性質(zhì)包括巖石的多種屬性，例如單軸抗壓強(qiáng)度(UCS orC0)、內(nèi)摩擦系數(shù)(μ)、彈性模量(E)、泊松比(ν)和畢奧特系數(shù)(α)。所有的模型屬性對(duì)于井壁穩(wěn)定性都很重要。地質(zhì)力學(xué)模型的屬性不是獨(dú)立的而是相互影響的，如果鉆井工程師選擇了不合理的鉆井液密度，則會(huì)發(fā)生相關(guān)的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，包括井壁坍塌、井漏和地層流體侵入等［11-12］。

在鉆井過(guò)程中低密度的鉆井液替代了所鉆的巖石，因此原始應(yīng)力場(chǎng)受到干擾，應(yīng)力集中在井眼周圍。在直井中，井筒周圍的周向壓應(yīng)力在Shmin方向上最大，如果周向壓應(yīng)力超過(guò)地層的巖石強(qiáng)度，則在Shmin方向上會(huì)發(fā)生剪切破壞，巖石會(huì)從井壁中崩落，井眼會(huì)形成一個(gè)橢圓形的橫截面，橢圓的長(zhǎng)軸平行于直井中的Shmin方向。連續(xù)的井壁坍塌將在井筒兩側(cè)沿Shmin方向形成對(duì)稱的垂直特征［13］。

此外，在垂直于井壁坍塌且平行于SHmax的方向上，當(dāng)周向應(yīng)力小于或等于0時(shí)，將發(fā)生鉆井誘導(dǎo)張性縫(DITF)。拉伸裂縫的形成是由井眼周圍的局部應(yīng)力集中所致，如果鉆井液密度或環(huán)空當(dāng)量鉆井液密度(ECD)大于最小主應(yīng)力，它將從井眼向外延伸并造成井漏［14］。

2.1 三維地質(zhì)力學(xué)模型建模流程

三維地質(zhì)力學(xué)建模的目的是建立能夠顯示地質(zhì)力學(xué)特性的三維空間分布特征的數(shù)字模型。由于結(jié)構(gòu)模型深度的變化和儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，直接用深度尺度法從一維模型生成的三維地質(zhì)力學(xué)模型的精度往往低于預(yù)期。為了生成高精度和高分辨率的三維地質(zhì)力學(xué)模型，結(jié)合所有鄰井可用數(shù)據(jù)，包括裸眼測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、巖心地質(zhì)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、地漏測(cè)試、孔隙壓力測(cè)試和鉆井日志等，構(gòu)建由巖石強(qiáng)度特性和應(yīng)力分布組成的一維地質(zhì)力學(xué)模型。與此同時(shí)，基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和先進(jìn)的模擬技術(shù)，使用現(xiàn)場(chǎng)可用的一維地質(zhì)模型來(lái)生成三維地質(zhì)力學(xué)模型，并以地震解釋數(shù)據(jù)為分布控制方法在整個(gè)油田中進(jìn)行分布，建模流程如圖3所示。

圖3 三維地質(zhì)模型建模流程Fig.3 Modeling process of three-dimensional geological model

為了減少由于異常地層壓力，井壁坍塌和其他井下復(fù)雜而導(dǎo)致的嚴(yán)重井眼不穩(wěn)定性，三維地質(zhì)模型建模流程通過(guò)使用多種技術(shù)和服務(wù)來(lái)提供集成解決方案。實(shí)踐證明，三維地質(zhì)模型建模流程在支撐高溫高壓井的鉆探方面取得了較佳的成績(jī)。

結(jié)合一維地質(zhì)力學(xué)模型和三維結(jié)構(gòu)模型，使用有效應(yīng)力比(ESR)方法進(jìn)行建模來(lái)預(yù)測(cè)三維地層空間中的性質(zhì)。使用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)從經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)巖石力學(xué)模塊進(jìn)行估算，并用巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得的UCS、彈性模數(shù)和泊松比與從測(cè)井得出的數(shù)值相匹配?？紫秹毫κ歉鶕?jù)測(cè)井曲線(聲波時(shí)差、密度和電阻率)、地層流體侵入和接立柱氣的觀測(cè)值估算的。通過(guò)在成像測(cè)井中觀察到的井眼坍塌和鉆井誘導(dǎo)張性縫來(lái)預(yù)測(cè)水平主應(yīng)力的方向。Shmin有效應(yīng)力比用Minifrac和XLOT校準(zhǔn)，SHmax有效應(yīng)力比用井眼破壞的觀測(cè)值校準(zhǔn)。

2.2 模型校準(zhǔn)參數(shù)的計(jì)算

使用不同的數(shù)據(jù)源對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。表1匯總了用于校準(zhǔn)各個(gè)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)。在建立地質(zhì)力學(xué)模型的過(guò)程中，以下所列出的數(shù)據(jù)源并非全都需要，但是可用的數(shù)據(jù)越多，模型的精確度就越高。

表1 校準(zhǔn)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)源Table 1 Data source of calibration geomechanical parameters

2.2.1 垂直應(yīng)力(上覆巖層壓力)

地表下任意一點(diǎn)的垂直應(yīng)力都是由該點(diǎn)之上的巖石柱重力引起的。深度z處的上覆應(yīng)力(Sv)通過(guò)使用公式(1)對(duì)點(diǎn)(z)上方的重量進(jìn)行積分來(lái)計(jì)算，涵蓋了從地表到深度z的所有范圍。

式中，Sv為垂直應(yīng)力/上覆巖層壓力；ρ(z)為巖石體積密度；g為重力加速度；z為深度；dw表示地表。

該公式涵蓋了從地表到深度z的所有范圍。分析的關(guān)鍵是使用可靠的密度曲線。校準(zhǔn)過(guò)的近地表密度信息、密度測(cè)井曲線以及聲波時(shí)差計(jì)算的偽密度(利用Gardner或Bellotti關(guān)系)都可以用來(lái)作為密度項(xiàng)來(lái)估算上覆巖層壓力。

上覆巖層壓力的計(jì)算需要從地面到完鉆井深連續(xù)的巖石密度曲線，但是在高探1井中密度曲線僅有500 m及以下的部分。為了表示缺失井段的密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，使用指數(shù)擬合進(jìn)行合成。近地表附近的密度曲線擬合為2.5 g/cm3，這與近地表的密度測(cè)量結(jié)果一致，也與鄰井相同深度井段的測(cè)井曲線一致。高探1井的上覆巖層壓力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。為了提高預(yù)測(cè)效果，實(shí)測(cè)密度曲線(實(shí)際密度曲線受經(jīng)驗(yàn)條件影響)計(jì)算上覆巖層壓力。高探1井清水河組的上覆巖層壓力在2.45~2.47 g/cm3。

圖4 高探1井上覆巖層壓力計(jì)算Fig.4 Calculated overburden pressure in Well Gaotan 1

2.2.2 孔隙壓力分析

孔隙壓力(pp)是地質(zhì)力學(xué)模型的重要元素，并且在整個(gè)區(qū)域的應(yīng)力變化中起著重要作用?？紫秹毫σ仓苯佑绊戙@井作業(yè)。一維孔隙壓力建模的典型工作流程始于使用鄰井鉆后孔隙壓力的測(cè)算值，尤其是直接壓力測(cè)量值。該建模過(guò)程需要對(duì)所有鄰井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估和校準(zhǔn)，包括測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、測(cè)得的地層壓力和鉆井日志。根據(jù)需要，將進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制并進(jìn)行更正。另外，重點(diǎn)放在了解普遍的地質(zhì)環(huán)境上。了解各種地質(zhì)參數(shù)對(duì)超高壓力產(chǎn)生的影響不僅對(duì)孔隙壓力(pp)的分析至關(guān)重要，而且對(duì)整體地質(zhì)力學(xué)模型也起著關(guān)鍵作用。高探1井清水河組的孔隙壓力為2.21~2.28 g/cm3，圖5顯示了高探1井的孔隙壓力預(yù)測(cè)。

2.2.3 計(jì)算最小水平主應(yīng)力S hmin

目前國(guó)內(nèi)外有多種計(jì)算最小水平主應(yīng)力的方法，包括基于測(cè)井曲線的方法、直接測(cè)量法、擴(kuò)張泄漏測(cè)試XLOT法等。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果最好的當(dāng)屬是擴(kuò)張泄漏測(cè)試XLOT法。通過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展?jié)B漏測(cè)試和微型壓裂測(cè)試，可測(cè)量產(chǎn)生和傳播水力誘發(fā)的裂縫所需的流體壓力，以及這些新產(chǎn)生的裂縫的閉合壓力。在關(guān)井期間監(jiān)控壓力擴(kuò)散隨時(shí)間的變化后，解釋裂縫的閉合壓力。裂縫的閉合壓力可抵消垂直于裂縫平面的巖石中的應(yīng)力，因此，可以認(rèn)為該壓力等于或等于Shmin大小的下限。根據(jù)定義，瞬時(shí)停泵壓力是立即停泵后水力壓裂中的壓力。根據(jù)處理和巖石類型的不同，該壓力可能會(huì)比閉合壓力高出0.04~0.4 MPa。瞬時(shí)停泵壓力通常大于閉合應(yīng)力，可以認(rèn)為是Shmin值的上限。如果關(guān)閉時(shí)間太短而無(wú)法解釋瞬時(shí)停泵壓力和裂縫的閉合壓力，則裂縫擴(kuò)展壓力也可以用作Shmin的上限。地層破裂和壓裂起始?jí)毫赡軙?huì)受到井眼周圍應(yīng)力集中的強(qiáng)烈影響，尤其是在斜井中。

圖5 高探1井孔隙壓力預(yù)測(cè)Fig.5 Predicted pore pressure in Well Gaotan 1

在產(chǎn)生裂縫之前，許多井下壓力測(cè)試都已終止。這種測(cè)試是地層完整性或極限測(cè)試。這些測(cè)試不能用于提供有關(guān)Shmin的信息。隨鉆壓力數(shù)據(jù)也可以用于約束最小主應(yīng)力梯度。井漏時(shí)鉆井液的當(dāng)量循環(huán)密度可提供Shmin的估計(jì)值。一旦裂縫張啟，只需在幾個(gè)深度處測(cè)試Shmin的大小，就可以將其用作推斷所有井段的Shmin大小。在這項(xiàng)研究中，已使用2種方法來(lái)估算整個(gè)井深范圍的Shmin曲線，其中，有效應(yīng)力比值法的應(yīng)用最為廣泛，其定義如式(2)所示

式中，E為彈性模量；pp為孔隙壓力；S為面積；R為半徑。

2.2.4 計(jì)算最大水平主應(yīng)力S Hmax

完全構(gòu)建地質(zhì)力學(xué)模型所需的其余參數(shù)是SHmax的大小，這是最難計(jì)算的應(yīng)力參數(shù)。計(jì)算SHmax通過(guò)2種方法(有效應(yīng)力比值法和應(yīng)力多邊形的SHmax方法)在與成像測(cè)井和井徑測(cè)井中的井眼破壞觀察結(jié)果一致的應(yīng)力條件下進(jìn)行建模。有效應(yīng)力比值法類似于用于定義SHmax的方法，其定義如公式(2)所示。SHmax的確定需要使用孔隙壓力、上覆巖層壓力、最小主應(yīng)力、內(nèi)摩擦系數(shù)、滑動(dòng)摩擦系數(shù)、畢奧特系數(shù)、泊松比和在觀察到的破裂深度處的鉆井液密度

2.3 三維結(jié)構(gòu)模型

在地層精細(xì)劃分和微觀結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，三維結(jié)構(gòu)建模將地震數(shù)據(jù)與7口井的分層數(shù)據(jù)相結(jié)合。研究區(qū)域的三維地質(zhì)力學(xué)建模面積為900 km2，包括12個(gè)結(jié)構(gòu)地層模型、24個(gè)斷層模型和9個(gè)地質(zhì)力學(xué)特性，總模型網(wǎng)格超過(guò)1 150萬(wàn)。圖6為研究區(qū)的3D結(jié)構(gòu)建模，僅展示出了部分井位、斷層和構(gòu)造信息。

圖6 研究區(qū)域的三維構(gòu)造模型Fig.6 Three-dimensional structural model of the study area

2.3.1 三維地質(zhì)力學(xué)模型

三維地質(zhì)力學(xué)模型針對(duì)三維空間中的屬性進(jìn)行定量表征，將三維結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格化并計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的值，以顯示地質(zhì)力學(xué)各向異性的變化。因此，基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)的地質(zhì)力學(xué)建模技術(shù)的關(guān)鍵是如何根據(jù)已知的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間和之外的地層特征進(jìn)行內(nèi)插和外推。

根據(jù)不同地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的分布特征和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，為三維地質(zhì)力學(xué)建模選擇合適的理論模型。因此，已為該方法建立了10個(gè)地質(zhì)力學(xué)特性模型，包括垂直應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力、孔隙壓力、上覆巖層壓力、單軸抗壓強(qiáng)度(UCS或C0)、內(nèi)摩擦系數(shù)、彈性模量、泊松比和畢奧特系數(shù)。從圖7~圖9展示了部分三維地質(zhì)力學(xué)模型。

圖7 研究區(qū)域的三維單軸抗壓強(qiáng)度模型Fig.7 Three-dimensional uniaxial compression strength model of the study area

圖8 研究區(qū)域三維孔隙壓力模型Fig.8 Three-dimensional pore pressure model of the study area

圖9 研究區(qū)域三維S Hmin模型Fig.9 Three-dimensional S Hmin model of the study area

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

精確的三維地質(zhì)力學(xué)模型可用于在鉆井之前指導(dǎo)和優(yōu)化目標(biāo)井(高泉5井)的鉆井設(shè)計(jì)。研究人員通過(guò)三維模型預(yù)測(cè)井眼周圍的孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力?；诟呷?井的三維地質(zhì)力學(xué)模型，四開(kāi)以最大地層壓力為目標(biāo)選取密度為2.35 g/cm3油基鉆井液，套管下至吐谷魯群頂以有效封隔高低壓層，實(shí)現(xiàn)了鉆井過(guò)程中的井眼穩(wěn)定性。

2020年3月26日，高泉5井成功完鉆，該井的總深度為7 200 m。與高101、高102井相比，機(jī)械鉆速提高了35.3%；非生產(chǎn)時(shí)間減少了25.3%。

4 結(jié)論

(1)為了生成高精度和高分辨率的三維地質(zhì)力學(xué)模型，結(jié)合所有鄰井可用數(shù)據(jù)，包括裸眼測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、巖心地質(zhì)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、地漏測(cè)試、孔隙壓力測(cè)試和鉆井日志等，構(gòu)建了由巖石強(qiáng)度特性和應(yīng)力分布組成的一維地質(zhì)力學(xué)模型。與此同時(shí)，基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和先進(jìn)的模擬技術(shù)，使用現(xiàn)場(chǎng)可用的一維地質(zhì)模型來(lái)生成三維地質(zhì)力學(xué)模型，并以地震解釋數(shù)據(jù)為分布控制方法在整個(gè)油田中進(jìn)行分布。

(2)以三維地質(zhì)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，可以減少超深井因異常地層壓力、井壁坍塌和其他復(fù)雜鉆井問(wèn)題引起的井眼不穩(wěn)定問(wèn)題。

(3)將三維地質(zhì)力學(xué)模型用于實(shí)鉆，與鄰井相比，因復(fù)雜導(dǎo)致的非生產(chǎn)時(shí)間降低了25.3%。該方法為在南緣高泉構(gòu)造鉆探深探井鉆井液密度優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和高溫高壓井安全評(píng)估提供了便利的手段,為降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和改善鉆井情況提供了指導(dǎo)。