群庫恰克地區井壁失穩影響因素的研究

樊明皓，湯超，藍天宇，郝以順

(1.桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541006；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000)

?

地質與礦產

群庫恰克地區井壁失穩影響因素的研究

樊明皓1，湯超2，藍天宇1，郝以順1

(1.桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541006；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000)

群庫恰克地區鉆井復雜事件統計表明，群6、群601及群7井中共發生各類復雜事件129次，嚴重影響了鉆井工程安全和工程進度。對此問題，通過分析失穩井段巖石礦物組分與巖石理化的情況并結合實際鉆探中遇到的問題，研究了井壁失穩的主要影響因素，并分析了鉆井液在鉆探過程中所起的作用及其重要性，為該地區井壁穩定技術的研究提供了合理的依據。

井壁穩定性；鉆井液；影響因素；井壁穩定技術；群庫恰克

1 概況

1.1 區塊概況

群庫恰克構造帶位于塔里木盆地西南坳陷麥蓋提斜坡西段，是麥蓋提斜坡的一個次級構造單元，其東部與巴楚斷隆相接。麥蓋提斜坡西段海西期發育群庫恰克和西克爾南2個近EW走向、SN排列的古構造帶；由于新近系以來西昆侖山向北強烈的擠壓以及南天山向南強烈的逆沖推覆作用，使得喀什凹陷和葉城凹陷急劇沉降，巴楚斷隆劇烈隆升；更新世后期群庫恰克和西克爾南2個古構造發生翹傾，西翼沉降、東翼抬升，形成與古構造相反的現今構造格局(圖1)。

1—一極構造帶；2—二級構造帶；3—研究區范圍；4—工業油流；5—低產油流井；6—油氣顯示井；7—干井；8—野外露頭圖1 群庫恰克地區構造位置圖

1.2 區塊鉆井復雜事件統計與分析

群庫恰克地區地層情況復雜，在鉆井過程中會鉆遇到軟泥頁巖、鹽膏層復雜井段，造成卡鉆、遇阻等復雜事件的發生，筆者對群6井、群601井及群7井所發生的鉆井復雜事件進行了分類統計，群6井共計49次，群601井共計38次，群7井共計42次，上述3口井發生各類鉆井復雜事件共計129次,其中又以群6井最具代表性[1]。

群6井共發生各類鉆井復雜事件49次，上提鉆具遇卡和下鉆遇阻，即卡鉆，在群6井鉆井過程中共發生34次，占群6井鉆井復雜事件總次數的69.4%；發生嚴重鉆井事故(鉆具落井、鉆井井漏)8次，占群6井鉆井復雜事件總次數的16.3%[2]。

鉆井復雜事件發生的井段集中在3000～6000m井段，在此井段內，經歷了褐色細砂巖，砂質泥巖、泥巖互層、巨厚石膏夾白云巖、泥巖等復雜巖層，共計發生各類鉆井復雜事件45次，占總次數的91.8%。巖性復雜，巨厚層白色石膏夾淺灰色泥巖及膏質泥巖，膏質泥巖表現為“軟泥巖”特征，易發生蠕變卡鉆；石炭系含礫狀砂巖、灰巖，志留系含石英砂巖，可鉆性差。從地層N2a-D，發生多次鉆井復雜事件，其中以N2a和D層位居多，分別占鉆井復雜事件總次數的36.7%和22.4%[3]。

1.3 區塊鉆井液使用情況

由表1可以看出，在群庫恰克區塊所鉆井中，一開井段使用的鉆井液為聚合物般土體系，二開后開始使用聚合物鉆井液和KCl-聚磺鉆井液。KCl-聚磺鉆井液與普通鉆井液相比，加進了抑制粘土分散的K+，它能進入粘土晶層之間，抑制粘土和頁巖的水化膨脹作用，改善井眼穩定性。另外，聚磺鉀鹽鉆井液有較好的穩定性，長時間靜止后性能無大的變化，而且可改善泥餅質量，保護油氣層，進而降低鉆井液成本[2，3]。

表1 群601井鉆井液使用情況

2 失穩井段巖石礦物組分與巖石理化

2.1 失穩井段巖石膨脹性分析

群6井失穩井段巖石線性膨脹量實驗方法按SY/T5613—2000(泥頁巖理化性能試驗方法)，各井段巖石不同評價時間的線性膨脹量見圖2。由圖2可以看出，群6井失穩井段巖石線膨脹率較低，在5.57%～18.35%之間，屬不易膨脹泥頁巖地層，巖石的最大膨脹量在2.5mm以下。圖2表明，由于各井段巖石粘土礦物種類和含量的影響，各井段達到膨脹平衡的時間也不相同，如4300～4600m及4700～4750m這中間的7個井段1h后膨脹基本達到平衡，而剩余的4600～4650m等3個時間點膨脹量差異較大，達到膨脹平衡的時間較長[1]。

為進一步探尋泥頁巖膨脹的影響因素，研究考察了粘土礦物種類和含量、井深及巖石中可溶性鹽對泥頁巖膨脹量的影響。

圖2 群6井失穩井段巖石線膨脹量

2.1.1 粘土礦物種類和含量對巖石膨脹量的影響

群6井失穩井段多為泥頁巖層，泥頁巖中粘土礦物種類和含量是影響泥頁巖膨脹量的主要因素，由于所分析的群6井失穩井段蒙脫石缺失，故粘土礦物對泥頁巖的膨脹率影響表現在伊蒙間層的含量上。圖3表明，伊/蒙間層對泥頁巖線膨脹率的影響非直線性影響，即隨著伊/蒙間層相對含量的增大，泥頁巖線膨脹率并非直線型增大或降低，而成折線型，這主要是由于巖石粘土礦物中的伊利石、綠泥石也對巖石的膨脹產生影響，是一個綜合作用的結果。伊/蒙間層相對含量較大，伊利石、綠泥石相對含量也較大的井段，其線膨脹率也較大。

圖3 群6井失穩井段粘土礦物伊/蒙間層對線膨脹率的影響

2.1.2 井深對巖石膨脹量的影響

群6井失穩井段不同井深巖石2h和16h線性膨脹率見圖4。圖4中泥頁巖膨脹率整體呈下降趨勢，但在4700～4750m井段出現異常，線膨脹率較上一井段增大，這主要因為在此井段伊/蒙間層相對含量最高，為46%，同其他因素相比，伊/蒙間層對膨脹率影響起主要作用。

圖4 群6井失穩井段2h和16h巖石線膨脹率

2.1.3 可溶性鹽對巖石膨脹量的影響

圖5 群6井失穩井段可溶性鹽含量對巖石線膨脹率的影響

可溶性鹽含量對巖石線膨脹率的影響見圖5。由圖5可以看出，隨著巖石可溶性鹽含量的增大，巖石線膨脹率整體也隨之增大。同時，對比巖石2h和16h線膨脹率隨可溶性鹽含量變化的趨勢可以發現，可溶性鹽含量對初始線膨脹率較大，但隨著鹽的溶解，由于鹽的抑制作用，膨脹率會出現下降，這也就是圖5中16h線膨脹率變化出現折點的原因[4-10]。

2.2 失穩井段巖石分散性分析

群6井失穩井段巖石線性頁巖回收率實驗方法按SY/T5613-2000(泥頁巖理化性能試驗方法)，各井段泥頁巖回收率變化見圖6。綜合分析圖6可以發現，粘土礦物中伊利石、綠泥石、高嶺石相對含量對地層巖石的分散性影響較大。巖石粘土礦物以伊利石、綠泥石為主的地層，成巖程度低，分散性較強，泥頁巖回收率低，如4350～4400m,4450～4500m,4650～4700m等幾個井段，泥頁巖回收率在10%以下；巖石粘土礦物以伊利石、高嶺石、綠泥石為主的地層，成巖性較好，分散性相對減弱，泥頁巖回收率也相對較高，如4500～4550m井段，泥頁巖回收率為52%，其正是此類性質的地層，伊利石、高嶺石、綠泥石三者的相對含量分別為36%，15%和35%。說明群庫恰克地區地層具有易水化分散的特點。

圖6 群6井失穩井段頁巖回收率

2.3 失穩井段巖石比表面積和比親水量概況

群6井失穩井段巖石比表面積和比親水量測定結果見圖7和圖8。可以看出：①群6井失穩井段各巖樣的比親水量、比表面積各不相同。比表面積與比親水量之間存在一定的對應關系，多數情況下，比表面積大的巖樣，其比親水量也較大；②在部分井段，其比表面積大，比親水量卻不很高，如4600～4650m，4750～4800m井段，此類地層往往容易引發地層膨脹縮徑，造成井壁不穩定；③含鹽、膏泥頁巖地層的比親水量很高，如4500～4500m井段，這類地層井壁穩定性問題較復雜，測試結果及分析也與實際情況相符[3，5]。

圖7 群6井失穩井段巖石比表面積

圖8 群6井失穩井段巖石比親水量

綜合以上分析結果，群6井失穩井段地層特點為：存在不易膨脹強分散的砂巖與泥頁巖互層、中等分散的砂巖與泥頁巖互層和大段鹽膏層，這也是群庫恰克地區地層的共有特性。為防止鉆井過程中井壁失穩，應重點加強針對泥頁巖地層和鹽膏層的防塌鉆井液技術和工藝研究。

3 井壁失穩的影響因素

3.1 地質因素

沉積巖中最常見的是砂巖、礫巖、泥頁巖、石灰巖等，由于沉積環境、礦物組分、埋藏時間、膠結程度、壓實程度不同而各具特性。未膠結或膠結不好的砂巖、礫巖容易發生坍塌。同時，在井眼形成之后，由于其濾失量大，鉆井過程中鉆井液在井壁上形成一層厚厚的濾餅，而造成井眼縮徑[2，6]。對于泥頁巖、鹽水層及石膏巖層等地層，由于粘土礦物含量的不同，也容易發生井塌和縮徑等復雜事件。

3.2 力學因素

鉆井液等流體在井眼中的流動，井眼內靜流體壓力和地層壓力之間的低壓或超壓關系易引起頁巖剝落和斷裂，造成井壁失穩。井壁失穩力學因素與鉆井液密度密切相關，井壁失穩主要由2方面的力學原因引起：①鉆井液密度過低，鉆井液液柱壓力難以支撐力學不穩定的地層，導致井壁周圍巖石的應力大于巖石本身的強度而產生剪切破壞作用，對于脆性地層會發生坍塌掉塊，使井徑擴大，對于塑性地層則向井眼內發生塑性變性，造成縮徑；②鉆井液液柱壓力高于地層孔隙應力，驅使鉆井液進入泥頁巖孔隙，產生壓力穿透效應,使井眼附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁巖強度降低。后一方面的原因已被石油鉆井界公認為主要的井壁失穩原因[7，11]。

3.3 化學因素

鉆井液性能是井壁失穩的主要化學影響因素，而鉆井液密度是調節井內液柱壓力確保安全快速鉆井的關鍵因素，由此形成的井內液柱壓力必須與各井段的地層壓力相平衡，鉆井液密度過大或過小，會引起卡、塌、漏、噴等各種井下復雜問題。鉆井液的濾失量大，容易引起水敏性頁巖層膨脹，造成井徑縮小甚至井壁垮塌，并會損害油氣層。如果濾餅較厚，又比較疏松，容易阻卡鉆具，甚至發生卡鉆事故。

沖洗井底巖屑并把它帶到地面，這是鉆井液的重要功能。鉆井液流變性則是影響這些功能的重要因素。鉆井過程中對井眼凈化、攜帶巖屑和性能處理都是通過鉆井液的流變性來實現的。針對地層巖性的特點，使用合適的防塌鉆井液體系是影響井壁穩定的一個重要因素[8]。為了防塌，鉆井液中常使用防塌劑(抑制劑)，但是各種防塌劑的作用機理和適用范圍各不相同，需要根據地層發育情況和地層巖性特點來選擇和使用鉆井液防塌劑。

3.4 鉆具組合的影響

為保持井眼垂直或穩斜鉆進，下部鉆具往往采用剛性組合，如果鉆挺直徑太大、扶正起器過多，下部鉆具與井眼之間的間隙太小，起下鉆時容易產生激動，導致井壁失穩。

3.5 壓力激動影響

鉆進過程中，如開泵過猛，下鉆速度過快，易形成壓力激動，使瞬間的井內壓力大于地層破裂壓力而壓裂地層，造成鉆井井漏[4，12]。另外，在有鉆頭泥包或扶正器泥包的情況下，起鉆速度過大，也會產生相當大的抽吸力，導致井內壓力低于地層坍塌應力，促使地層過早地發生坍塌造成井壁失穩。

4 結語

井壁失穩歸根到底還是巖石的力學失穩，即巖石的強度低于相應的應力而造成巖石的結構破壞。從上面的研究可以得出塔里木油田群庫恰克地區失穩井段地層巖石弱膨脹，易水化分散或溶解，回收率低，含有易污染鉆井液的鹽膏地層，比親水量大，易發生掉塊、垮塌和縮徑等井下復雜事故。在群庫恰克地區的鉆探過程中，所采用的實際鉆井液與設計鉆井液之間的性能有一定的差異，這是導致井下發生各種復雜事故的原因之一，工程措施不當等因素次之。因此，應針對群庫恰克地區地層巖性的特點，篩選和研制合適的防塌鉆井液處理劑及體系，提高鉆井液的抑制性，增強鉆井液的造壁性和封堵能力，優選鉆井液流型與流變參數，以滿足安全、快速鉆井的要求。

[1] 湯超,謝水祥,鄧皓,等. 塔里木油田群庫恰克地區井壁失穩機理研究[J].吐哈油氣,2011,169(2):185-188.

[2] 蔚寶華,王治中,郭彬.泥頁巖地層井壁失穩理論點研究及其進展[J].鉆采工藝,2007,(3):16-20+148.

[3] 謝水祥,蔣官澄,陳勉,等.破解塔里木盆地群庫恰克地區井壁失穩難題的鉆井液技術[J].天然氣工業,2011,(10):68-72+121-122.

[4] 郭榮光.淺談壓力平衡鉆進[J].山東國土資源,2007,23(12):30-31.

[5] 邱正松,李健鷹,沈忠厚.泥頁巖水敏性評價新方法——比親水量法研究[J].石油鉆采工藝,1999,(2):1-6+112.

[6] 姚新珠,時天鐘,于興東,等. 泥頁巖井壁失穩原因及對策分析[J].鉆井液與完井液,2001,(3):41-44.

[7] 陸斌. 鉆井井壁穩定性探討及對策[J].內蒙古石油化工,2009,(10):115-117.

[8] 楊振杰. 井壁失穩機理和幾種新型防塌泥漿的防塌機理——文獻綜述[J].油田化學,1999,(2):179-184.

[9] 魏武,鄧虎,李皋,等. 氣體鉆井井壁穩定處理劑評價方法探討[J].天然氣工業,2010,(9):51-54+124-125.

[10] 屈平,申瑞臣. 煤層井壁穩定的時間延遲效應探討[J].煤炭學報,2011,36(2):255-260.

[11] 金衍,陳勉,陳治喜. 弱面地層的直井井壁穩定力學模型[J].鉆采工藝,1999,22(3):13-14.

[12] 劉向君,葉仲斌,陳一健. 巖石弱面結構對井壁穩定性的影響[J].天然氣工業,2002,22(2):41-42.

Study on Influence Factors of Sidewall Instability in Qunkuqiake Area

FAN Minghao1，TANG Chao2，LAN Tianyu1，HAO Yishun1

(1.College of Earth Science, Guilin University of Technology，Guangxi Guilin 541006，China； 2. Tarim Oilfield Brand Company of Petro China，Xinjiang Ku’erle 841000， China)

Statistics of drilling complex events indicated that all kinds of complex events totally happened 129 times in group 6, group 601 and group 7 wells, and seriously affected safety and progress of drilling engineering in Qunkuqiake area. In this paper, through analyzing rock mineral composition and physical and chemical conditions of the rock, combining with practical problems encountered in drilling，main influencing factors of sidewall instability, the function and importance of drilling fluid in the drilling process have been analyzed. It will provide a reasonable basis for the research of sidewall stability in this area.

Sidewall stability; drilling fluid; influence factor; sidewall stability technique; Qunkuqiake area

2016-06-13；

2016-08-22；編輯：陶衛衛

樊明皓(1990—)，男，湖北紅安人，在讀碩士研究生，地質資源專業；E-mail:1263490484@qq.com

TE21

A

樊明皓，湯超，藍天宇，等.群庫恰克地區井壁失穩影響因素的研究[J].山東國土資源，2016,32(11)：7-11.FAN Minghao，TANG Chao ，LAN Tianyu，etc.Study on Influence Factors of Sidewall Instability in Qunkuqiake Area[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(11)：7-11.