深部裂縫性碳酸鹽巖儲層井壁穩定技術研究現狀及展望

金軍斌， 歐彪，張杜杰，王希勇，李大奇，王逸

1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101 2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101 3.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000 4.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011

隨著全球能源消耗的不斷增大，目前深層、超深層油氣資源日益成為國內外油氣增儲上產的主戰場[1,2]。據統計，深層石油天然氣探明可采儲量高達729×108t油當量，占全球總可采儲量49.07%[3,4]，而我國70%的剩余石油天然氣資源位于深部地層。隨著國內勘探開發技術的不斷進步，目前我國已形成塔里木盆地和四川盆地等深層油氣資源重要區域[5-7]。作為深部油氣資源的重要組成部分，我國深層裂縫性碳酸鹽巖油氣藏分布廣泛、資源量大，具有良好的勘探開發潛力。其中，順北油氣田奧陶系碳酸鹽巖油氣藏儲層段埋深介于7500～8800m，初步估算油氣資源量為17×108t，有望建成百萬噸級的原油產能，順北油氣田已經成為中石化增儲上產的重點區塊[8]。

然而，由于構造歷史時間長，埋深大，地應力條件復雜，地層孔、縫、洞發育等特點，深部裂縫性碳酸鹽巖油氣層鉆井過程中井壁失穩情況十分突出，已經成為制約該類油氣藏高效建井的突出問題[9,10]。基于此，筆者以塔里木盆地深部碳酸鹽巖油氣藏為背景，系統介紹了其工程地質特征及井壁失穩情況。從井壁失穩機理和井壁穩定控制方法2個方面對國內外深部裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩定技術現狀進行總結，并對深部碳酸鹽巖地層井壁穩定技術發展趨勢進行展望，以期為國內外相關研究提供借鑒。

1 典型深部碳酸鹽巖井壁失穩現狀分析

順北油氣田主體位于塔里木盆地順托-果勒低隆起，其東南延伸至古城墟隆起的順南斜坡，其儲層主要發育段為一間房組～鷹山組上段，為斷縫體碳酸鹽巖油氣藏。儲層巖性為碳酸鹽巖，具有良好的洞穴、裂縫及沿縫溶蝕孔洞型儲集體，平均埋深超過7000m[11]。受強構造運動影響，該區碳酸鹽巖油氣層發育有大量網狀天然微裂縫，裂縫線密度介于1.47～4.25條/m，部分層段由于受多期次復雜構造運動影響，甚至出現明顯的破碎帶(見圖1)[12]。

注：σH為最大水平地應力；σv為垂向地應力；σh為最小水平地應力。圖1 順北工區地質構造及天然裂縫發育示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological structure and natural fracture development in Shunbei block

順北油氣田施工過程中在鉆進奧陶系碳酸鹽巖裂縫性地層時，掉塊嚴重，影響鉆井時效。據不完全統計，工區完鉆的5口勘探評價井因井壁坍塌、掉塊嚴重共側鉆了10余次，單井損失時間最長可達242d，累計損失時間超過669d，處理井筒周期占鉆井總周期最高可達48.2%(見表1)。不難發現，深部裂縫性碳酸鹽巖油氣層井壁失穩問題已經成為制約該類油氣藏高效建井的突出問題，深化深部碳酸鹽巖地層井壁穩定技術研究意義重大。

表1 順北區塊鉆井復雜及處置時間

2 深部碳酸鹽巖地層井壁失穩機理

從力學角度分析，深部裂縫性碳酸鹽巖地層井壁失穩的主要形式包括完整巖塊的剪切破壞，破碎巖體的結構調整型破壞以及含弱面碳酸鹽巖地層沿弱面切向的剪切滑移破壞等3種破壞形式(見圖2)。影響井壁失穩破壞的因素是多方面的，但從失穩機理上主要可劃分為力學以及力學-化學耦合2種失穩機理。

圖2 深部地層井壁典型失穩力學破壞形式Fig.2 Typical mechanical failure modes of borehole instability in deep formations

2.1 力學失穩機理

2.1.1 靜力學失穩機理

靜力學理論是開展地層井壁失穩最常用的分析理論。未揭開地層時，受上覆地層壓力、原地水平應力以及流體孔隙壓力的綜合作用，地層處于力學平衡狀態。在鉆揭地層過程中，由于失去井筒內巖石的支撐，井壁巖石只受到原地應力及鉆井液液柱壓力的作用，井筒周圍應力狀態發生重新分布。如果重新分布應力場的局部應力值超過巖石的抗壓或者抗拉強度，就將導致井壁失穩。其中，巖石力學性質和裂縫發育程度是影響靜力學失穩的關鍵因素。順北W-1X井、順北W-3井等在鉆揭鷹山組碳酸鹽巖地層過程中，鉆開碳酸鹽巖地層即發生失穩。綜合分析認為，靜力學失穩是該類井壁失穩的主要機理。

1)巖石力學性質 地層巖石力學性質是靜力學分析井壁失穩的關鍵參數。根據不同的巖石破裂準則，巖石的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、內聚力和內摩擦角都對井壁穩定性有重要影響。研究發現，巖石強度越低，發生井壁失穩的風險越大。此外，地層巖石力學參數的各向異性對井壁失穩程度具有顯著影響。彈性模量各向異性比值的變化會對井周應力產生較大影響，對井壁坍塌壓力的影響程度較大，可能加劇井壁失穩風險。針對裂縫性地層，由于巖石膠結程度差，導致的巖石整體等效強度低，造成裂縫性地層更易發生井眼失穩[13]。

2)裂縫發育程度 地層裂縫發育程度不僅降低地層的等效巖體力學強度，同時可能導致高壓鉆井液流體侵入地層，改變地層流體孔隙壓力，加劇井壁失穩。張廣垠等[14]研究指出，鉆揭加蓬G區塊破碎性地層時，鉆井液濾液沿裂隙和微裂隙進入地層深部，使井筒附近孔隙壓力增大，造成井壁處力學平衡被打破，導致井壁坍塌掉塊。LABENSKI等[15]研究發現，當鉆井液液柱壓力高于地層孔隙壓力，且鉆井液封堵性能不足時，鉆井液極易侵入地層導致裂縫內壓力與鉆井液柱壓力相等，弱化鉆井液的井壁穩定效應，同時高角度裂縫將開啟，降低裂縫界面的粘合力，加劇井壁失穩。此外，含弱面地層中，沿裂縫弱面滑移的破壞形式相比完整巖石破壞更易發生，是裂縫發育地層井壁失穩的最主要破壞形式。裂縫表面形態及巖石力學特征，主要包括摩擦系數及黏聚力是影響弱面滑移破壞的關鍵參數[16,17]。ZHANG等[18]基于極限塊體平衡理論分析指出，裂縫面摩擦角和黏聚力越大井壁越穩定。此外，裂縫走向同樣對井壁穩定性有很大影響。LIU等[19]研究發現當裂縫走向與最大水平主應力夾角為40°～60°時井壁更易失穩。KARATELA等[20]通過離散元方法分析了裂縫傾角對井壁穩定的影響，分析顯示裂縫傾角從15°增加至60°過程中，井壁失穩有加劇的趨勢；而從60°增加至90°過程中，井壁失穩風險有所降低。

2.1.2 動力學失穩機理

動力學失穩在以往的井壁失穩研究中較少提到，但是在礦場實際生產過程中卻越來越突出。在鉆揭裂縫性地層過程中，井壁掉塊坍塌較為普遍，而當改變鉆具組合后再上提下放過程中，井壁掉塊的現象更加突出，這就是地層動力學失穩的主要表現。動力學失穩主要是針對裂縫性，尤其是破碎性地層，在起下鉆過程中鉆具組合將無可避免地與井壁發生機械碰擊，而地層塊體在外力動載荷作用下塊體動量增加。為了平衡巖石塊體的動量增量，地層塊體與塊體間將發生錯動，使地層產生結構調整型破壞，從而誘發井壁失穩掉塊(見圖2(c))。當改變鉆具組合進行起下鉆劃眼作業時，由于鉆具剛性發生顯著變化，鉆具與井壁掉塊接觸時間和接觸程度更大，造成地層塊體動量增加更大，從而造成地層塊體與塊體間錯動幅度及范圍更大，井壁失穩的風險更大。此外，上提下放鉆具過程中若速度越大，在相同接觸程度下，鉆具施加給井壁巖石塊體的動能也就越大，同樣將增加井壁失穩風險。鉆井液上返過程中，鉆井液流體將對井壁表面巖石塊體產生沖刷作用，在液體拖曳力的作用下巖石塊體動量同樣將會發生變化。環空返速越大，那么鉆井液流體對井壁巖石塊體的拖曳力作用就越明顯，同樣將加劇井壁失穩風險[21]。

SHBe-1井在鉆揭一間房組碳酸鹽巖地層過程中發生了嚴重井壁失穩，持續鉆揭過程中上部井壁基本穩定。考慮定向及提高鉆速，起鉆下螺桿，下鉆劃眼過程中上部層段遇阻明顯，劃眼過程中阻卡顯著。分析認為，動力學失穩機理是碳酸鹽巖地層該類井壁失穩的主控因素。

2.2 力學-化學耦合失穩機理

力學-化學耦合失穩是泥頁巖等黏土礦物豐富地層的常見失穩機理[22,23]。通常認為，泥頁巖地層膨脹性黏土礦物含量高，在表面水化和滲透水化的綜合作用下，泥頁巖吸水后大量的黏土礦物將發生水化膨脹、分散，產生水化應力、應變。泥頁巖吸水后進行井壁受力狀態分析時，井壁處應力-應變公式可轉化為[24]：

(1)

式中：E為巖石彈性模量，Pa；μ為泊松比，1；εh、εv分別為水平、垂直方向上產生的膨脹應變，1；εr、εθ、εz分別為井壁徑向、切向、垂向的應變分量，1；σr、σθ、σz分別為井壁徑向、切向、垂向的應力分量，Pa。

黏土礦物水化應力加劇了井壁失穩風險。此外，由于泥頁巖層理發育，是水基工作液侵入泥頁巖的主要通道。黃榮樽等[25]研究明確隨著含水量增加，泥頁巖層理面內聚力和內摩擦角將發生顯著降低，因此考慮水化作用時含弱面泥頁巖更易失穩。

通過全巖及黏土礦物分析可知，碳酸鹽巖地層主要由石灰石和白云石組成，黏土礦物含量低，水敏性黏土礦物含量低。因此大部分學者認為，碳酸鹽巖地層由力學-化學耦合誘發的井壁失穩情況非常少，因此并沒有進行深入研究。然而，通過調研發現，碳酸鹽巖地層中普遍存在的大量的白云石可與NaOH發生反應。如化學式(2)～化學式(4)所示，ISLAM[26]通過實驗及理論研究發現，當堿性溶液與白云石發生反應后將生成碳酸鈣和氫氧化鎂等產物，部分產物溶解后再沉淀將在裂縫面微凸體頂部等表面能大的部位發生結核沉淀，造成裂縫面形態及力學性質發生變化:

(2)

(3)

(4)

邵園芳等[27]通過實驗研究發現，在常壓條件下NaOH便可與鉀長石發生水熱反應，使鉀長石發生溶解。目前，深部碳酸鹽巖油氣藏常用的水基鉆井液均通過補充NaOH維持鉆井液為強堿性狀態。鉆揭天然裂縫發育層段時，若鉆井液封堵能力不足，鉆井液濾液大量侵入地層，則侵入濾液中的OH-將與裸露在裂縫面上的鉀長石發生反應，降低裂縫面摩擦系數，從而誘發碳酸鹽巖地層井壁失穩。

順北區塊SHB-Y1井及SHB-P1井的碳酸鹽巖地層在揭開3～10d后失穩，具有滯后失穩特征。分析認為，力學-化學耦合作用是導致滯后失穩的主控因素。

3 深部碳酸鹽巖地層井壁穩定技術

3.1 鉆井液封堵能力提高

對于碳酸鹽巖裂縫性地層，提高鉆井液封堵能力將有效控制鉆井液濾液侵入地層的量，降低高壓濾液對地層孔隙壓力的擾動，減少濾液中OH-誘發的地層裂縫面摩擦系數的降低風險。邱正松等[28]提出“多元協同”穩定井壁理論，其中“物化封固井壁阻緩壓力傳遞”是井壁穩定的第一步。胡成軍等[29]基于“物化封堵+加強抑制+活度平衡+合理密度支撐”提出的“多元協同”鉆井液穩定井壁防塌技術，保證了渤海油田深部地層井壁穩定得到有效控制。烏效鳴等[30]驗證了細粒高強度骨架與耐高溫軟質懸浮體作為隨鉆泥漿封堵劑的封堵效果，建立了三顆粒橋組骨架自鎖理論，取得了良好的現場應用效果。

陳修平等[31]針對順北區塊地質特征，根據水基鉆井液中黏土粒徑1～3μm、加重材料粒徑30～100μm的實際情況，考慮全面封堵碳酸鹽巖地層裂縫需要在鉆井液中補充粒徑3～30μm的固相顆粒。為此設計了2種剛性顆粒、2種塑性可變形顆粒和1種微納米乳液，有效提高了鉆井液封堵性。李成等[32]針對順北工區，提出在裂縫性地層使用亞微米-微米(0.1～100μm)全面有效封堵的鉆井液體系，從而遏制鉆井液或濾液侵入井壁地層孔縫，達到穩定井壁的效果。

3.2 優化鉆井液密度

在鉆揭地層巖石強度低的地層時，通過提高鉆井液密度從而加強對井壁的力學支撐有助于維持井壁穩定性，因此合理優化鉆井液密度一直是學者關注的重點。地層坍塌壓力、破裂壓力和地層孔隙壓力組成的三壓力剖面是優化井壁穩定鉆井液密度的基礎，在保證地層不漏不溢的情況下維持井壁穩定是井壁穩定鉆井液密度優化的重要目標。林永學等[13]通過研究發現，當鉆井液密度由1.35g/cm3增加至1.55g/cm3后，順北Y1井奧陶系破碎帶地層起下鉆遇阻及劃眼困難情況有所好轉，井壁失穩現象明顯緩解，用礦場實踐證明了在裂縫性地層通過優化鉆井液密度仍然可以起到緩解井壁失穩的作用。

3.3 提高井壁強度

裂縫性地層失穩破壞的主要原因是地層破碎、巖石之間缺少膠結、巖石強度較低，如何提高裂縫性地層的井壁巖石強度是非常關鍵的問題[33,34]。宣揚等[35]模仿海洋生物貽貝分泌的貽貝蛋白具有超強黏附性能的特點，合成了仿生固壁劑GBFS-1和仿生頁巖抑制劑YZFS-1，并基于此研制了可有效加固井壁并維持井壁穩定的仿生鉆井液體系。LU等[36]研究了通過固壁漿液隨鉆注漿護壁的方式解決井下煤層氣抽采鉆井鉆遇松散段遇到的井壁失穩問題的可行性，形成了2種隨鉆注漿鉆井固壁漿液配方：①三醋酸甘油酯4%+20%～40%水玻璃；②1,4丁內酯+20%～40%水玻璃。通過煤粉對配方進行實驗評價，結果顯示煤粉固結45min后固結強度仍然不高，抗張強度僅為0.3MPa；固結72h后，煤粉顆粒間的固結材料形成了裂縫。實驗說明鉆井固壁漿液注入地層后在后續能夠起到連通裂縫的作用，有助于降低儲層損害。該研究思路對解決裂縫性碳酸鹽巖儲層井壁失穩問題具有一定借鑒意義。目前順北工區正探索采用聚氨酯類、殼聚糖-鄰苯二酚化學固壁劑化學固結類材料強化井壁強度，現場效果有待進一步研究。

3.4 優化工程參數

由于深部碳酸鹽巖地層埋藏深、層厚大、巖石致密，鉆井施工工藝復雜，通常需要多趟鉆才能鉆穿整套碳酸鹽巖地層。起下鉆過程中，動力學失穩是井壁失穩掉塊的主要機理。因此，在鉆揭深部厚層碳酸鹽巖地層時，保持鉆具組合不發生較大幅度的變化將有助于保持地層井壁穩定；控制上提下放鉆具速度，防止急提快放，避免井壁與鉆具的高速接觸加劇井壁掉塊；合理控制鉆井液上返速度，在保證能及時將巖屑掉塊帶離井底的情況下適當降低鉆井液環空返速，減少由于鉆井液流體對巖石塊體拖曳力增大造成的破碎井壁失穩掉塊。

4 深部碳酸鹽巖地層井壁穩定技術展望

隨著近些年鉆井技術的不斷進步和井壁穩定技術研究的不斷深入，淺層-中深層碳酸鹽巖地層的井壁穩定技術已經取得了長足進步。然而，由于地質歷史時間長、地應力條件復雜，深部碳酸鹽巖地層出現了大量的裂縫性碳酸鹽巖地層，目前針對該類地層的井壁穩定技術研究還相對滯后，井壁穩定成為高效開發該類地層的主要難題之一。為了進一步攻克這個難題，深部裂縫性碳酸鹽巖地層尤其是破碎性地層的井壁穩定技術還需要從以下幾個方面進行重點研究：

1)深部碳酸鹽巖地層井壁失穩機理需要進一步明確。深部地層由于埋深大、構造歷史時間長，地質歷史時期可能經歷多期次大型的地質構造運動。由于處于不同的構造部位，可能造成局部裂縫性地層存在能量沒有及時釋放、局部巖石儲存能量較高的情況。目前的井壁失穩機理分析主要是從力學、力學-化學耦合以及熱流固化等角度分析，不能充分反映局部巖石彈性儲能的初始狀態。因此，可以嘗試從能量的角度對井壁失穩過程及機理進行分析。

2)深部裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩定性模型需要深化研究。深部裂縫性地層，尤其是破碎性地層難以獲得較為完整的巖心，且表征單元體積大，獲得有代表性的等效巖體力學參數非常困難，如何通過地層掉塊力學參數，基于一定的數學方法獲得裂縫性巖體的巖體力學參數至關重要。此外，裂縫性地層局部地應力條件復雜，探究基于地層裂縫發育特征的局部地應力快速計算方法同樣非常重要。

3)耐高溫高強度井筒固壁核心處理劑及施工工藝需要盡快建立。基于裂縫性地層井壁穩定模型，可以通過敏感性分析獲得地層井壁失穩的主控因素。根據目前研究基礎可以推測，提高井壁巖石力學強度是較為成熟的井壁穩定技術思路。然而，目前的井筒固壁劑存在耐溫性差、固結強度低、與鉆井液不配伍等諸多問題。研發耐高溫高強度井筒固壁核心處理劑，并形成可以礦場使用的配套工藝，諸如超前注入等，可能是突破深部裂縫性碳酸鹽巖地層的關鍵。

5 結語

深層碳酸鹽巖油氣藏分布廣泛、資源量大，具有良好的勘探開發潛力。然而，由于埋深大、地質條件復雜，井壁失穩成為阻礙深部裂縫性碳酸鹽巖油氣藏安全高效開發的突出問題，尤其是破碎帶地層，井壁失穩問題更為突出。目前，針對深部碳酸鹽巖地層井壁失穩的研究主要從失穩機理和井壁穩定技術2個方面進行:井壁失穩機理方面，力學失穩機理是目前分析深部碳酸鹽巖地層井壁失穩的主要機理，而對鉆井液中OH-溶蝕白云石及鉀長石從而改變碳酸鹽巖地層裂縫表面性質的力學-化學耦合失穩機理研究較少;井壁穩定技術方面，目前研究已經從提高鉆井液封堵性、優化鉆井液密度、提高井壁強度以及優化工程參數等4個方面進行，礦場應用效果得到了部分改善。通過分析目前技術的不足，認為深部碳酸鹽巖地層井壁穩定技術需要從基于能量角度的井壁失穩機理、深部裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩定性模型和耐高溫高強度井筒固壁核心處理劑及施工工藝等3個方面進行突破。