火成巖地層氣體鉆井井壁穩定性實驗研究

趙洪山，王宗鋼

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

火成巖地層氣體鉆井井壁穩定性實驗研究

趙洪山*，王宗鋼

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

準噶爾盆地深部石炭系地層具有較大的勘探潛力。前期鉆探實踐表明，石炭系火成巖地層厚度大、巖石堅硬、可鉆性極差，導致了該層段鉆進過程中機械鉆速低、鉆井周期較長。利用烏參1井的火成巖地層取芯巖樣，開展了巖芯室內準三軸圍壓力學實驗，表明40MPa圍壓下火成巖巖石失效表現為脆性斷裂；根據摩爾—庫倫強度理論，通過對氣體鉆井發生井壁失穩時的最大正應力進行計算，并與上覆地層壓力比較，提出了準噶爾盆地火成巖地層氣體鉆井的井壁穩定性實驗分析方法，并據此得到了準噶爾盆地埋深小于6110m的石炭系火成巖地層均可以嘗試氣體鉆井技術應用的結論。研究成果為實施氣體鉆井解決石炭系深探井火成巖井段的鉆井提速瓶頸問題提供了理論依據。

氣體鉆井；井壁穩定；斷裂準則；火成巖；巖芯實驗

準噶爾盆地深部石炭系地層勘探潛力較大，尤其是近年來在石炭系地層中發現了石西油氣田、滴西氣田等多個油氣田，中石化為此部署了烏參1井、紅1等多口深探井。根據前期已鉆資料分析，石炭系地層主要以火成巖為主，火成巖厚度大、巖石堅硬、可鉆性極差，從而導致了該層段鉆進過程中機械鉆速低、鉆井周期較長。位于盆地北緣區塊的烏參1井自井深4286m進入石炭系巴山組至井深6323.6m完鉆，采用傳統泥漿鉆井方式，先后應用了“高效牙輪+螺桿”復合鉆井、“孕鑲鉆頭+高速螺桿”復合鉆井、水力脈沖射流發生器配合貝克休斯高效鉆頭等多種新型提速技術，均沒有起到顯著提速效果，平均機械鉆速僅0.72m/h，鉆井周期高達239d，占到全井鉆井周期的一半以上。

在相同地層條件下，由于氣體鉆井鉆頭壽命和機械鉆速較常規泥漿鉆進均有大幅度提高[1-3]，因此探索石炭系火成巖地層實施氣體鉆井的可行性將有助于解決西部新區石炭系深探井的鉆井提速瓶頸問題。現場應用情況表明，氣體鉆井的井壁穩定性問題是限制其優勢發揮的最主要原因[4-6]。利用烏參1井火成巖地層取芯巖樣，通過開展井壁圍巖力學性質實驗研究，對氣體鉆井在準噶爾盆地火成巖地層的適用性進行了分析評價，對于今后準噶爾盆地火成巖地層的優快鉆井具有重要指導意義。

1 火成巖巖芯室內力學實驗

準噶爾盆地火成巖廣泛分布于盆地北緣、哈密等地區的二疊系和石炭系地層中。如圖1所示為烏參1井石炭系火成巖巖芯，取芯井段4265.01～4265.63m。可知火成巖巖石呈灰黑色，主要由碎屑物及火山灰填隙物組成；巖石致密堅硬、凝灰結構、塊狀構造，牙輪鉆頭可鉆性極值高達7.82～8.38，硬度最高2900MPa；局部發育裂縫，被白色方解石充填，裂縫寬度1～10mm，與下部地層呈漸變接觸。

圖1 石炭系巴塔瑪依內山組“糖葫蘆”狀火成巖巖芯

氣體鉆井施工時，井壁附近的巖石應力狀態為三向受壓狀態[7-8]，包括上覆巖層壓力σ1，井筒徑向壓力σ3，地應力在井周產生的切向應力σ2，沒有剪切應力或者剪切應力可以忽略不計。另外根據烏參1井等多口井測井資料分析，盆地內上覆巖層壓力最大，切向地應力為中間主應力，井筒內壓力最小。上述3個應力大小滿足關系式：

將烏參1井火成巖巖芯制作成標準的圓柱形巖石試件，開展了室內準三軸圍壓實驗，實驗期間圍壓值p分別取40MPa和5MPa，實驗前后的巖石試件及實驗結果分別如圖2、3所示。由圖3可以看出，實驗期間隨著施加應變的逐漸增加，兩種圍壓狀態下火成巖巖石的真實差應力首先呈直線增加，表明巖石處于彈性變形階段，其彈性模量近似為125GPa；一旦超過真實差應力峰值，試樣則迅速失效（見圖2b）；并且當圍壓40MPa時，該巖石的真實差應力峰值為σe1=240MPa，此時的應變為0.003，當圍壓5MPa時，真實差應力的峰值為σe2=170MPa，出現時的應變為0.0015，表明火成巖的抗壓強度比較大，較大圍壓下巖石的失效形式表現為脆性斷裂。

圖2 準三軸圍壓實驗前后的巖石試樣

圖3 圍壓下火成巖的力學性質變化

2 氣體鉆井井壁穩定性分析

根據前面實驗結果分析，準噶爾盆地石炭系火成巖的力學性質較為簡單，在較大圍壓（40MPa）下仍然保持脆性斷裂的性質，彈性模量等基本力學性質并沒有發生重大改變，故在討論其強度失效時可以采取摩爾庫倫強度理論進行判斷[9]。

圖4為利用摩爾—庫倫理論求解的火成巖最大正應力示意圖。如圖所示，假設已知該巖石的2個應力狀態a和狀態b，知道其最大主應力σa1、σb1和最小主應力σa3、σb3，即可作出該巖石的2個摩爾圓。做兩圓的公切線，則不論巖石處于任何受力狀態，只要相應摩爾圓在該直線以下，巖石即保持穩定不失效，否則將會發生破壞。

圖4 烏參1井石炭系火成巖摩爾圓示意圖

在得到石炭系火成巖巖樣的摩爾圓包絡線之后，根據前面分析，已知氣體鉆井期間井筒壓力為最小主應力值σc3（近似為0MPa），則通過繪制與包絡線相切的圓，即可得到當巖石達到斷裂極限時的最大主應力σc1。

通過理論推導也可以得到σc1的表達式：

應力狀態a和b的摩爾圓半徑分別為：

包絡線與X軸夾角為：

根據式（2）～（5），則有σc1表達式為：

另外，根據巖芯的準三軸圍壓實驗條件可知：

因此，狀態a和狀態b的最大、最小主應力分別為：

分別將狀態a和狀態b的最大主應力σa1、σb1以及最小主應力σa3、σb3代入式（6），從而可得氣體鉆井期間（即 σc3=0MPa時）巖石的最大失效壓應力為σc1=165MPa，因此只要氣體鉆井期間的上覆地層壓力值滿足σ1＜σc1，井壁將不會垮塌[11-12]。

已知準噶爾盆地火成巖地層巖石密度為（2.1～2.7）×103kg/m3，按保守值2.7×103kg/m3計算，則根據上覆巖層壓力ρgH＜σc1（H為地層垂深），可得：

因此可以得出，準噶爾盆地埋深小于6110m的石炭系火成巖地層均可以嘗試氣體鉆井技術應用。

3 現場應用實例

滴北1井是新疆油田部署在準噶爾盆地陸梁隆起滴北凸起3個泉5號背斜的一口預探直井，設計井深4500m，三開?216mm井眼鉆遇石炭系巴塔瑪依內山組，巖性主要為凝灰巖夾凝灰質砂礫巖。為提高三開井段機械鉆速，加快該區塊的勘探步伐，在三開井段試驗了空氣鉆井，空氣鉆進井段3365～3924.56m，進尺559.56m，平均機械鉆速5.26m/h，是同尺寸井眼使用鉆井液鉆井機械鉆速（1.23m/h）的4.28倍。空氣鉆井在該井的成功實施，提高了機械鉆速，降低了鉆井周期，節約了鉆井成本，同時探索出了深部石炭系火成巖地層的提速工藝，為準噶爾盆地推廣應用空氣鉆井技術積累了經驗。

4 結論及建議

（1）準噶爾盆地火成巖地層致密堅硬，抗壓強度大，40MPa圍壓下巖石失效表現為脆性斷裂，可以采取摩爾—庫倫強度理論進行火成巖失效判斷；

（2）首先根據巖芯室內準三軸圍壓實驗確定出氣體鉆井狀態下巖石的最大失效主應力，然后與上覆地層壓力比較，提出了適合準噶爾盆地火成巖氣體鉆井的井壁穩定性分析方法，并據此得到了準噶爾盆地埋深小于6110m的石炭系火成巖地層均可以嘗試氣體鉆井技術應用的結論；

（3）為了更精確地預測氣體鉆井期間巖石的井壁穩定性，達到指導氣體鉆井現場施工的目的，建議參考相關地質資料和測井資料，繼續開展巖石全應力—應變曲線和峰后力學特性以及考慮巖石缺陷和應力集中的裂紋擴展等方面理論與實驗研究。

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TE242.6

A

1004-5716(2015)12-0093-03

2014-12-15

2015-01-15

趙洪山（1980-），男（漢族），河南開封人，工程師，現從事油氣井管柱力學方面的研究工作。