定北區塊盒1水平井鉆井復雜機理實驗分析

牛似成

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定北區塊盒1水平井鉆井復雜機理實驗分析

牛似成

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006）

定北區塊盒1儲層水平井鉆井過程中發生井漏、井壁失穩等現象，通過漏失情況分析、巖心觀察及室內巖心裂縫可視化實驗分析得出，和尚溝組、劉家溝組和石千峰組上部發育層理及微裂縫，且隨著井內液注壓力增大，微裂縫張開度越大，漏失越嚴重。巖石礦物組分分析及理化性能實驗結果表明，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鉆井液浸泡后，巖石強度下降明顯，易出現井壁失穩；石盒子組硬脆性泥巖變化不明顯，應力敏感性較強，易受井內波動壓力影響， 發生井壁坍塌。定北區塊鉆井復雜機理實驗研究可為針對性措施的制定提供技術依據。

定北區塊；水平井；井壁失穩；鉆井液漏失

定北區塊地處鄂爾多斯盆地西部，橫跨天環向斜和伊陜斜坡兩個構造單元，已探明具有較好開發價值的下石盒子組盒1層，埋深3 600~3 900 m、地溫梯度2.95~3.12℃/100 m[1]。2014–2015年，定北區塊盒1儲層實施8口水平井，發生井漏、井壁失穩等復雜情況，造成單井損失時間25天左右。井漏多發生在和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部，井壁失穩則多發生在石盒子組，復雜機理尚不明確。國內外學者通常采用成像測井、取心觀察、巖心室內測試等方法分析此類復雜情況[2–8]。針對定北區塊水平井復雜情況，本文通過井況分析、巖心觀察及室內裂縫可視化實驗等手段分析漏失機理，同時通過易失穩地層巖石礦物組分及理化性能分析明確井壁失穩機理。

1 盒1儲層水平井漏失機理分析

定北區塊盒1儲層多口水平井在和尚溝組、劉家溝組及石千峰組上部發生漏失，統計分析了鉆進漏失層鉆井液密度、漏失時鉆井液密度及漏失發生過程等。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）下易發生滲漏，隨著鉆井液密度的增加，滲漏逐步轉變為惡性漏失或失返性漏失。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、劉家溝組取心結果，發現其局部發育一定程度裂縫。對劉家溝組、石千峰組巖心的電鏡掃描結果表明，劉家溝組、石千峰組泥巖層理面較發育、含溶蝕孔洞和裂縫。綜合上述分析結果，和尚溝組、劉家溝組、石千峰組層理及裂縫發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驗及裂縫性儲層可視化實驗方法[9–12]，采用室內裂縫可視化模擬實驗對劉家溝組、石千峰組層理及裂縫在地層打開過程中的變化過程進行分析研究。打開劉家溝組、石千峰組后，在井內鉆井液和地層流體壓差作用下，鉆井液進入層理裂縫中，引起層理裂縫內流體壓力變化，使得裂縫的有效應力減小，裂縫發生變形，引起裂縫開啟和膨脹，裂縫寬度及滲透率隨之增加。室內裂縫可視化實驗即是通過測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，裂縫寬度可通過實際測量確定，裂縫滲透率通過式（1）和式（2）計算求得。

f=×/A （1）

f= 8.33×1062f（2）

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

室內裂縫可視化實驗通過改變劉家溝組、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，實驗結果見圖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

通過測量劉家溝組、石千峰組巖心裂縫寬度并計算裂縫滲透率，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，裂縫誘導展開，且隨著井內液注壓力增加，微裂縫張開度越大。

圖3 劉家溝組裂縫寬度、滲透率與圍壓關系

圖4 石千峰組裂縫寬度、滲透率與圍壓關系

2 盒1儲層水平井井壁失穩機理分析

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

分析失穩地層巖石礦物組分及理化性能是明確井壁失穩機理的常用方法[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，易發生分散運移、水化膨脹等[4]，見表2。采用等溫平衡吸附實驗測定劉家溝組、石千峰組和石盒子組泥巖吸水膨脹能力，等溫平衡吸附實驗以不同飽和鹽溶液標定相對濕度，得到了不同層位泥巖在一系列相對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[4]。

采用巖石三軸抗壓強度實驗，測定劉家溝組、石千峰組及石盒子組泥巖經鉆井液浸泡后的應力—應變曲線，并由此計算出巖石抗壓強度、泊松比、彈性模量等參數；測試圍壓根據地層埋深而定，測定結果見表4。由表4可看出，石千峰組泥巖浸泡后巖石強度參數變化最大，其次為劉家溝組泥巖，浸泡前后巖石強度參數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果相對應。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，施工過程中易受應力變化產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壓力大誘發井內掉塊遇阻。

表1 定北區塊盒1儲層水平井井壁失穩情況統計

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 不同層位泥巖經鉆井液浸泡前后的巖石強度參數

3 水平井井漏、井塌相關性分析

以上分析結果表明，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力變化發生掉塊、地層坍塌，壓力較低。定北區塊盒1儲層水平井實鉆過程中，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；后續鉆進過程中，應采用較低的鉆井液密度和低波動壓力，以有效防漏；斜井段鉆進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，井內液注壓力控制不當或波動壓力過大，即誘發井漏或井壁失穩。

4 結論及建議

（1）定北區塊直井段和尚溝組、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，井內液注壓力控制不當或波動壓力過大會誘發井漏或井壁失穩。

（2）建議針對定北區塊“上漏下塌”復雜特征，采用先進防漏技術封堵和尚溝組、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。

[1] 薛成國，劉玉祥，牛似成，等.鄂爾多斯盆地定北區塊滾動勘探評價方案（工程部分）[Z]. 2015.

[2] 石林，蔣宏偉，郭慶豐. 易漏地層的漏失壓力分析[J].石油鉆采工藝，2010，32（3）：40–44.

[3] 王業眾，康毅力，游利軍，等. 裂縫性儲層漏失機理及控制技術進展[J]. 鉆井液與完井液，2007，24（4）：74–77.

[4] 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，2011，18（3）：38–41.

[5] 汪傳磊，李皋，嚴俊濤. 川南硬脆性頁巖井壁失穩機理實驗研究[J]. 科學技術與工程，2012，12（30）：8012–8014.

[6] 王炳印，鄧金根，宋念友. 力學溫度和化學耦合作用下泥頁巖地層井壁失穩研究[J]. 鉆采工藝， 2006，29（6）：1–4.

[7] 武宇偉. 蘇里格氣田鉆井復雜處理技術探索[J]. 石油科技論壇，2013（2）：11–14.

[8] 吳應凱，石曉兵，陳平，等. 低壓易漏地層防漏堵漏機理探討及現場應用[J]. 天然氣工業，2004，24（3）：81–83.

[9] 陳瑩瑩，孫雷，田同輝，等. 裂縫性碳酸鹽巖油藏可視化模型水驅油實驗[J]. 斷塊油氣田，2012，19（01）：92–94.

[10] 石秉忠，胡旭輝，高書陽，等. 硬脆性泥頁巖微裂縫封堵可視化模擬試驗與評價[J]. 石油鉆探技術，2014，42（03）：32–37.

[11] 孫林港. 儲層巖石微觀裂縫可視化與測量技術研究[D].中國石油大學，2011.

[12] 張浩，康毅力，陳景山，等. 儲層裂縫寬度應力敏感性可視化研究[J]. 鉆采工藝，2007，30（01）：41–43+145.

[13] 王建華，鄢捷年，蘇山林. 硬脆性泥頁巖井壁穩定評價新方法[J]. 石油鉆采工藝，2006，28（2）：28–30.

[14] 蔚寶華，王治中，郭彬. 泥頁巖地層井壁失穩理論研究及其進展[J]. 鉆采工藝，2007，30（3）：16–20.

[15] 趙凱，鄧金根，蔚寶華，等. 層理性泥頁巖大斜度井井壁穩定性研究[J]. 科學技術與工程，2013，13（5）：1147–1149.

[16] 蔚寶華，鄧金根，閆偉. 層理性泥頁巖地層井壁坍塌控制方法研究[J]. 石油鉆探技術，2010，38（1）：56–59.

編輯：張 凡

1673–8217（2017）05–0106–04

TE25

A

2016–11–15

牛似成，1987年生，2012年獲中國石油大學（華東）油氣井工程碩士學位，現從事鉆完井優化設計、油氣井流體力學等方面的研究工作。

“十三五”國家科技重大專項“低豐度致密低滲油氣藏開發關鍵技術”（2016ZX05048）。