渤海油田玄武巖地層坍塌周期影響因素研究

張磊,李治衡,霍宏博,袁偉偉,張羽臣

中海石油（中國）有限公司天津分公司 渤海石油研究院（天津300459）

渤中某油田東營組和沙河街組地層發育大段火成巖，特殊的巖性導致該段地層出現坍塌掉塊及井徑擴大的現象，阻卡、憋壓及蹩扭矩等復雜情況占比達20%左右，嚴重影響著鉆井安全及效率，因此有必要對火成巖地層開展坍塌周期的研究。但鑒于火成巖地層巖性的特殊性，目前很難利用傳統的力化耦合等模型分析其井壁穩定[1-3]，明確其坍塌周期并揭示影響坍塌周期的相關因素。因此在認識火成巖井壁垮塌機理的基礎上，基于渤中某油田鉆遇火成巖的實際因素，創新性地提出了基于灰色關聯度模型分析現場實際工程參數對坍塌周期的影響，為工程實際提供指導。

1 坍塌機制分析

1.1 礦物組成

渤海某油田火成巖地層主要由凝灰巖和玄武巖交錯組成。利用X射線儀分別針對凝灰巖和玄武巖巖心進行了全巖礦物和黏土礦物分析，圖1為凝灰巖全巖礦物和黏土含量分布圖。從圖1可以看到，凝灰巖以黏土礦物、輝石、石英、斜長石和方解石為主，黏土礦物含量較高，平均含量達到27%。黏土礦物以伊∕蒙混層為主，含量高達84%，在鉆井液的作用下極易發生水化膨脹，從而導致巖石力學性質降低，引起井壁垮塌[4-5]。而玄武巖則以輝石、石英、斜長石、鉀長石和黏土礦物為主，黏土礦物含量相對較低，其水化膨脹并非引起井壁穩定問題的主要原因。

圖1 火成巖地層凝灰巖全巖和黏土含量分布

1.2 實際結構

現場地質撈砂顯示，凝灰巖表現為灰色或者灰黑色的凝灰質結構，成分以細小火成巖碎屑為主，含少量石英，整體顯示較致密；玄武巖表現為灰黑色的塊狀構造、隱晶質結構，成分以輝石為主、長石及角閃石次之，少量黑云母，整體顯示堅硬、致密，局部有杏仁狀構造。

綜合巖石組分和現場實際結構的分析結果，導致該油田火成巖地層井壁垮塌的主要原因為：①凝灰巖黏土礦物含量較高且黏土礦物中以伊∕蒙混層為主，極易發生水化膨脹從而導致井壁失穩；②玄武巖局部發育杏仁狀構造，杏仁體的硬度與玄武巖本體硬度差別較大，鉆井過程中隨地層應力釋放、激動壓力過大或機械碰撞作用，極易在杏仁體處發生應力集中，從而導致井壁坍塌掉塊[6-8]。

2 基于灰色關聯度的現場因素對坍塌周期的影響

現場火成巖坍塌通常表現為劃眼或倒劃眼過程中遇阻卡、憋壓、蹩扭矩甚至憋停頂驅，通常這種情況下涉及到的鉆井因素較多，無法僅依靠理論研究來開展各類型參數的分析，對現場進行有針對性的指導。因此，基于灰色關聯度方法[9-10]開展了現場實際因素對坍塌周期影響的分析，作為理論分析的補充，從而提出建議。

2.1 現場因素

研究表明，影響坍塌周期的現場因素包括井眼軌跡參數、鉆井液密度參數及鉆井液性能參數3類。其中，井眼軌跡參數指井斜、方位數據；鉆井液性能參數則包括屈服值、漏斗黏度、塑性黏度、3轉讀數、6轉讀數、10 s靜切力、10 min靜切力、濾失量、n值、K值、氯離子含量及鉀離子含量等。

2.2 灰色關聯度模型及建立過程

1）確定參考數列和比較數列。將發生遇阻卡、憋壓、蹩扭矩時井眼揭開的時間作為比較數列，認為其即為工程上的坍塌周期；將井斜、方位、鉆井液密度、屈服值、漏斗黏度、塑性黏度、3轉讀數、6轉讀數、10 s靜切力、10 min靜切力、濾失量、n值、K值、氯離子含量及鉀離子含量作為參考數列。為提高分析的準確性，收集了渤海某油田45次火成巖坍塌時的參考數列及比較數列，見表1。

表1 火成巖坍塌周期影響因素數列分析

續表1

2）處理原始數據。需要對原始數據進行無量綱化處理，方法包括初值化、均值化、區間化等。利用均值法對表1中數據進行處理。

3）計算關聯系數。首先得到處理后的參考數列X0'={x'0(1),x'0(2),...,x'0(n)}與比較數列Xi'={x'i(1),x'i(2),...,x'i(n)}的絕對差序列，然后求取差序列中的兩級最大差與最小差，最后求得關聯系數ζi(k)。

式中：ζ為關聯系數；ρ為分辨系數，一般取0～1，其目的為提高關聯系數之間的差異性。

4）計算關聯度。對每個參考數列求取關聯系數的均值，即為灰色關聯度γ0。基于表1中數據，最終求得各比較序列的關聯度與灰色關聯度值[13]，并將其進行了排序，見表2。

表2 火成巖坍塌周期影響因素灰色關聯度結果

由表2知，在關聯度的基礎上引入密切關聯度的概念，即為各影響因素的相對關聯度。可看到，影響坍塌周期的主要因素為鉀離子含量、氯離子含量、3轉讀數、井斜、n值及塑性黏度，以密切關聯度0.85為劃分標準，相對來講，鉀離子含量、氯離子含量、3轉讀數及井斜對坍塌周期的影響程度更高。

2.3 現場因素對坍塌周期的影響分析

首先列出了現場實際坍塌周期與鉆井液密度的關系曲線，如圖2所示。可以看到，鉆井液密度與時間變化的趨勢和理論趨勢相符，也在一定程度上證明了將發生復雜情況時井眼揭開的時間作為工程坍塌周期的可靠性。

圖2 現場坍塌周期與鉆井液密度關系圖

由于現場施工時，井斜基本無法改變，因此列出了鉀離子含量、氯離子含量、3轉讀數與坍塌周期的變化規律，如圖3～圖4所示。可以看到，隨著鉀離子含量、氯離子含量及3轉讀數的增加，井壁坍塌周期呈現逐漸升高的趨勢。因此，為提高井壁坍塌周期，在現場可首先選擇增加鉀離子、氯離子含量以及提高鉆井液3轉讀數進行操作。

渤海某油田A井在倒劃眼過程中頻繁出現憋壓、蹩扭矩等復雜情況，花費時間96 h，判斷為因井眼發生坍塌導致。與其相鄰的B井井斜、方位與A井類似，在鉆井液密度、漏斗黏度、塑性黏度值基本相同的情況下，適當提高了鉀離子含量、氯離子含量、3轉讀數，主要是提高了鉀離子含量，倒劃眼過 程順利，證明了理論研究的可靠性（表3）。

圖3 鉀離子含量與坍塌周期的變化規律

圖4 3轉讀數與坍塌周期的變化規律

表3 渤海某油田開發井鉆井液參數對比表

3 結論及建議

1）凝灰巖黏土礦物含量較高且以伊、蒙混層為主，易發生水化膨脹引起井壁失穩；玄武巖局部發育杏仁狀構造，鉆井過程中易在杏仁體處發生應力集中引起井壁坍塌掉塊。

2）以密切關聯度0.85為劃分標準，研究表明，鉀離子含量、氯離子含量、3轉讀數及井斜對坍塌周期的影響程度更高，現場可首先選擇增加鉀離子、氯離子含量以及提高鉆井液3轉讀數來延長火成巖坍塌周期。