哈拉哈塘碳酸鹽巖儲層井壁失穩動態評價及失穩形態分析

王方智，董長銀，白曉飛，周 博，王 鵬，鐘 婷

（1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒 841000；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）

塔里木盆地碳酸鹽巖儲層發育層系多、資源潛力大，在西部地區原油產量貢獻中占有重要地位[1–7]。塔里木盆地哈拉哈塘油田是典型的深層奧陶系碳酸鹽巖儲層，儲層基質孔隙發育差，儲集空間主要為裂縫、溶蝕孔洞和巖溶洞穴系統，以裸眼完井為主，多進行射孔、酸壓開發[8–11]。受儲層性質、儲集規模和區域地應力以及完井方式和儲層改造措施的影響，哈拉哈塘油田油井在投產、生產過程中多次出現井壁失穩問題，多口井出現了井壁坍塌和井筒泥砂埋現象，嚴重制約了油氣的高效開發[12–17]。就國內外對井壁失穩研究的現狀來看，國內外大部分學者的研究主要集中在井下宏觀應力狀態，針對各類力學參數對井壁圍巖應力、破裂壓力和坍塌壓力進行研究并建立模型進行預測。目前，對不同類型碳酸鹽巖儲層失穩機理、預測模型、失穩規律等已經有了初步認識[14–24]，但評價方法籠統，鮮有適用的碳酸鹽巖井壁垮塌評價方法，也缺乏失穩的定量數據描述和分析方法，井壁失穩的具體形態、失穩來源尚不明確。本文根據沖撈砂作業資料分析，提出井壁失穩動態評價方法，明確哈拉哈塘井壁失穩規律，同時開展一系列失穩模擬實驗與現場沖撈砂樣進行對比分析，得出井壁失穩產出物來源、失穩形態，為哈拉哈塘油田碳酸鹽巖儲層的失穩現象提供一套動態評價方法，也為碳酸鹽巖儲層油氣藏開發及井壁失穩治理帶來一定的啟示和參考。

1 井壁失穩動態評價方法

1.1 哈拉哈塘油田井壁失穩概況

塔里木盆地碳酸鹽巖分布區域大于30×104km2，油氣資源約占盆地總量的40%。哈拉哈塘油田屬于超深復雜縫洞型碳酸鹽巖油藏，埋深超過6 600 m，溫度高于150 ℃，經過多期巖溶、多期成藏，油藏具有多重孔隙特征和典型的非均質性。油井高產，但“見油不見田、高產不穩產”成為制約高效開發的主要瓶頸。哈拉哈塘油田位于塔里木盆地塔北隆起，面積為6 524 km2，主要包括7個區塊，其中塔河北有哈6、熱普、新墾和金躍區塊，塔河南包括富源、哈得奧陶系和躍滿區塊。哈拉哈塘油田的主要開發層系為奧陶系碳酸鹽巖儲層，層組自上而下分別為良里塔格組、吐木休克組、一間房組、鷹山組1段和鷹山組2段；其中良里塔格為非主力層，吐木休克為非生產隔層，主力生產層組為一間房組和鷹山組。哈拉哈塘油田油井主要采用裸眼完井方式，部分井裸眼段發生不同程度井壁垮塌，造成油井減產或者停產。通過對垮塌井返出砂樣及各項作業綜合分析認為，哈拉哈塘油田井壁失穩存在坍塌掉塊和產出大量泥砂兩種形態。

截至2017年6月，哈拉哈塘油田共有試采井283口，已證實垮塌101井次，砂埋深度為8.7～278.0 m，平均被埋深度達75.0 m，累計影響原油產量22.7×104t。油井地層出砂嚴重并伴隨有泥質，防砂管無法擋住粒徑小的細砂及泥質，細砂與泥質混在流體內進入電泵流道中造成流道堵塞導致井口不出液，電泵井無法正常生產。現場撈出物中含有大量油泥，哈拉哈塘油田油井普遍存在出泥砂的情況。哈拉哈塘油田部分油井裸眼段井壁垮塌存在以下特征：①油壓突然降低，產量大幅度下降或停產，關井后壓力仍能恢復到垮塌前水平；②井徑測井顯示擴徑現象；③鉆桿或電纜探底表明井底被埋數十米至上百米，撈砂筒撈出大塊垮塌物。為此，本文提出壁失穩程度動態評價方法，用于失穩程度分析、主控因素分析以及持續動態監測等。

1.2 井壁失穩程度動態評價指標體系

一口井通過探沖砂作業的工程現象來表征井壁失穩，例如出現探砂面高、鉆桿或電纜探底表明井底被埋數十米至上百米，撈砂筒撈出砂、油泥和大塊垮塌物等。證實一口油井出現井壁失穩后，其失穩開始時間一定早于探砂作業時間，但無法精確描述失穩時間。根據現場沖撈砂作業時間給出的證實失穩時間并非發生失穩的時間，砂埋評價也存在周期確定模糊的問題。因此，井壁失穩程度動態評價方法需首先確定失穩評價周期，然后對失穩周期內表述失穩的特征提出評價指標，優選砂埋上升速度、砂埋產能損失速度、產層砂埋率三個值作為評價油井失穩程度的特征定量指標，并通過搜集整理109口井的124井次井壁失穩及泥砂產出數據計算砂埋速度、產層砂埋率和砂埋產能損失速度等各項數據，根據各項數據對失穩工程表象、井壁失穩程度等進行類型和程度劃分。

1.2.1 評價周期的確定

通過作業分析，劃定失穩開始時間處于探砂作業時間之前，進而根據生產動態資料進行判斷，認為失穩開始時間為產量出現大幅度下降、油壓突然出現明顯降低的時刻，結合產量動態數據，并以油壓特征作為驗證，提出產量遞減速率概念，如式（1）所示（產量遞減率為負值則不顯示），以產量遞減速率突升時刻標定為失穩開始時間，評價周期是從失穩開始時間到停產的時間，評價周期內有效生產天數為有效評價周期時長。某井生產動態數據及產量遞減速率曲線顯示，產量遞減速率在2016年1月3日達到最大值，說明產量突然下降。結合生產動態數據與探砂面作業時間標定該時間為失穩開始時間，該時間到停產日期時間段內的有效生產天數和即為失穩評價周期。

式中：I為產量遞減率，t/d；1q為第1次測定的產量，t/d；2q為第2次測定的產量，t/d；tΔ為兩次測定產量間隔時間，d。

1.2.2 評價指標計算方法

采用系列指標來表述失穩條件、砂埋速度、產能損失。具體包括：①生產作業評價指標：失穩時的靜壓/生產壓差、流壓/油壓、產液量/含水、靜壓降幅、產層砂埋率；②產能損失評價指標：失穩產能損失、失穩產能損失率、失穩產能損失速度；③砂埋程度評價指標：砂埋上升速度、砂埋體積速度、單位產層砂埋體積速度、單位液量砂埋體積速度。

優選砂埋上升速度、砂埋產能損失速度、產層砂埋率三個值作為評價油井失穩程度的特征定量指標。由于三個指標的量綱不相同，為了消除量綱的影響，此處對特征指標的數值做無量綱化處理，如式2所示。根據109井已有數據分布范圍，將三個未作歸一化處理的指標砂埋上升速度hv、砂埋產能損失速度mv和產層砂埋率pm，分別賦予權重A、B、C，加權平均法計算的綜合特征評價值S，如式（3）所示。劃分綜合評價等級，根據已有失穩井數據得到出砂/垮塌程度綜合評價等級劃分區間如表1所示。

表1 綜合評價等級劃分區間

2 井壁失穩及其關聯因素分析

利用上述井壁失穩程度動態評價方法，分析了109口出砂井的井壁失穩動態結果，明晰了井壁失穩時間、周期、指標，并進行了結果統計和關聯因素分析。

2.1 總體失穩嚴重程度分析

統計哈拉哈塘油田七個區塊109口出砂井失穩程度井次比例，按照井壁失穩動態評價方法進行綜合評定。裸眼完井條件下的平均砂埋速度約為13.870 0 L/d，產層段砂埋率中超過80%的井占比達60.63%，產層段100%被埋的井有59口，占比36.88%，平均砂埋產能損失速度達到0.353 t/d。全部109口失穩井次中評價為嚴重的有71口，占比65.1%，說明井壁失穩嚴重。將失穩嚴重的井按照區塊分類，哈6區塊失穩嚴重井次比例最高。

分析各區塊特征定量指標得到如圖1所示結果，其中富源區塊的砂埋上升速度、砂埋產能損失速度、產層砂埋率這幾項特征指標明顯高于其他區塊，并且產層砂埋率為100%。除了富源區塊，這幾項指標較高的是金躍區塊。哈6區塊失穩井次較多，但各項特征指標程度并非最嚴重。

圖1 各區塊特征定量指標結果分析

2.2 失穩主控因素關聯分析

2.2.1 井型與完井方式對井壁穩定性的影響

截止2018年7月，哈拉哈塘油田共完鉆465井次鉆井作業，目的層為良里塔格組、一間房組和鷹山組。井型包括直井、定向井（含側鉆井）和水平井，直井/定向井共442口，占比95.05%，水平井共23口，占比4.95%。初次完井方式包括裸眼完井（401口）、篩管完井（58口）和射孔完井（6口）三種，其中以裸眼完井為主，占比86.24%。哈拉哈塘油田完井方式及平均砂埋上升速度見表2。

從表2可以看出，直井（定向井）中裸眼完井是影響油井垮塌、出泥砂的主要因素，失穩井占比高達94.5%，平均砂埋上升速度0.539 9 m/d。從井型上看，水平井失穩比例為0.92%，直井（定向井）是失穩的主要井型，需要盡早提出預防對策。

表2 哈拉哈塘油田完井方式、失穩井數及平均砂埋上升速度對比

哈拉哈塘地區下古生界碳酸鹽巖斷裂十分發育，從現場資料統計來看，垮塌井裸眼段裂縫大多處于裂縫發育帶，裂縫以高角度（60°～85°）為主。鉆遇后地層受到極大擾動，此時大量縫洞系統的存在使井周巖石的松馳程度大幅增加，削弱了井周巖石與整體巖層的聯接性和固結性，地層易發生弱面破壞。長裸眼井段存在不同壓力系數地層，三疊系、石炭系、志留系地層互層發育，極易剝落掉塊、垮塌擴徑；目的層段因開采、改造等原因造成裂縫和孔洞中充填的泥砂易產出。

2.2.2 吐木休克組地層對井壁穩定性的影響

根據現場資料，對出泥砂/垮塌的主要層位進行總結分析，發現目的產層與吐木休克組地層砂埋比例各占50%左右，其中，吐木休克組地層砂埋后基本不能維持生產。砂埋時，產層能繼續維持生產和不能維持生產的井各占50%左右，說明吐木休克組地層多發生垮塌以至于不能繼續生產。針對吐木休克組地層裸眼段是否全封堵對井壁失穩的影響問題，通過井壁失穩程度動態評價指標計算，得出套管完全封堵吐木休克組地層的井平均砂埋體積速度為2.760 0 L/d，未完全封堵吐木休克層組地層的平均砂埋體積速度為14.106 1 L/d，失穩產物多為大巖塊。這表明是否完全封堵吐木休克組地層是失穩的重要因素。

封堵吐木休克組地層情況下，失穩速度較低，但仍有井壁失穩現象。也說明主要失穩源頭層組是吐木休克組地層，同時裸眼目的產層同樣是井壁失穩源。對目的層為一間房組和鷹山組，可考慮用套管封住吐木休克組地層易出泥砂/垮塌層組，將哈拉哈塘油田套管深下或采用篩管完井，以減少儲層出泥砂。

2.2.3 井眼特征對井壁穩定性的影響

根據現場資料對油井進行井壁失穩程度動態評價，發現井眼特征與失穩關系密切。圖2a為生產段方位角和砂埋上升速度的關系，失穩程度在方位角80°～100°和300°～330°附近有明顯高值，說明這兩個方位角上的井壁失穩較為嚴重。圖2b為井眼直徑和砂埋上升速度的關系，小井眼尺寸（指完井井眼尺寸小于152.4 mm或全井60%以上開眼尺寸為152.4 mm）下出現高砂埋速度的幾率更低，171.5 mm井眼失穩速度高于其他井徑。

圖2 109口失穩井砂埋上升速度與井眼特征關系

對于定向井的方位角，沿著最大水平地應力方位鉆進有助于井壁穩定。對于井眼尺寸，從力學角度來說，造成井壁坍塌的原因主要是井內液柱壓力較低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石強度而產生剪切破壞。研究表明，隨著井眼尺寸減小，維持井壁穩定的臨界鉆井液密度降低，井眼尺寸越小，臨界鉆井液密度降低越明顯，小井眼井比常規井的穩定性好。在地層強度適當的條件下，小井眼鉆完井是最佳選擇。

3 井壁失穩形態分析

3.1 失穩沖撈砂樣粒度對比分析

根據井底撈砂樣品，采用振動篩篩分法進行沖撈砂樣品粒度分析。取2 000 g巖屑/泥砂樣品，通過振動篩進行篩分，得到大于4.75 mm、2.36～4.75 mm、1.7～2.36 mm、1.0～1.7 mm、0.6～1.0 mm、0.3～0.6 mm、小于0.3 mm，共計7類砂樣（圖3左）。樣品粒度跨度較大，可將小于0.3 mm的樣品放入激光粒度分布儀進行測試。圖3右為井底泥砂樣品及其篩分后質量百分比。

圖3 井底泥砂樣品及篩分后各粒徑分布下質量百分比

按照碎屑巖粒度分級標準（SY/T5368–2016），結合激光粒度分布儀的篩析數據表明，所取泥砂樣品，礫級樣品占51.05%，砂級樣品占48.11%，泥級樣品占0.84%。根據以上分析，初步認為泥砂的來源主要有兩個，一是非目的層吐木休克組地層的坍塌掉塊，加之裸眼完井產出大量巖塊和碎屑；二是開發過程中目的層裂縫和孔洞中充填的泥砂，以及目的層基質中由于酸化等儲層改造釋放出來的泥砂，膠結程度差或酸蝕水化等作用隨流體產出。

3.2 宏觀失穩模擬實驗形態分析

為了揭示哈拉哈塘油田不同儲層宏觀力學失穩特征，選擇一間房組、鷹山組產層和非產層吐木休克組層位的巖心進行了單軸抗拉和三軸壓縮實驗。實驗后，對比分析巖心的破壞形態與沖撈砂樣，驗證泥砂來源并描述失穩形態。

3.2.1 單軸抗拉實驗

采用劈裂法間接測定巖石抗拉強度，沿圓柱體試樣直徑方向上施加相對線性荷載，試樣內部沿徑向引起拉應力而破壞。選取主要產層一間房組深度相近、高徑比為2.5的兩塊巖樣進行實驗，實驗后巖心形態如圖4所示。實驗后發現巖心在實驗后沿破裂面破壞成兩半，未產生大量泥砂。

圖4 碳酸鹽巖巖心單軸實驗后形態

3.2.2 三軸壓縮實驗

選擇一間房組、鷹山組和吐木休克組三塊標準巖樣，在80 MPa圍壓下開展巖樣三軸壓縮實驗，得到破壞后的巖心形態（圖5）。三軸實驗后將由巖心套包裹的完整巖心稱重，然后去除包裹套將實驗后巖石破壞的巖心按照＞8.00 mm、4.75～8.00 mm、1.00～4.75 mm和＜1.00 mm尺寸進行振動篩篩分，將各粒徑區間巖心破碎物分別稱重，結果見表3。

圖5 碳酸鹽巖巖心三軸實驗后形態

表3 三軸實驗后的粒徑分布

失穩實驗得到的各粒徑分布表明，產層一間房組、鷹山組和非產層吐木休克組都有大量巖塊產出，大于8.00 mm巖塊質量分數均超過70%，而砂泥質量占比均小于10%，其中泥質質量分數小于1%。結合沖撈砂樣的篩析數據分析得到，沖撈砂中泥砂質質量分數達到48.95%，而各層組宏觀失穩實驗中泥砂質量分數均小于10%，這也說明超過30%的泥砂產出并非來自儲層基質巖石的宏觀破壞。因此，井壁宏觀破壞失穩形成大量巖塊、巖屑和少量泥砂，即宏觀破壞失穩是碳酸鹽巖儲層井筒砂埋中巖塊和巖屑的重要來源之一。兩類宏觀失穩實驗產出泥砂量極少，這也驗證了哈拉哈塘油田泥和細砂主要靠生產過程中流體攜帶產出，而非來自儲層巖心的破壞。

3.3 哈拉哈塘井壁失穩形態分析

根據哈拉哈塘井壁失穩規律及其關聯分析、沖撈砂樣粒度對比分析和宏觀失穩模擬實驗形態分析，綜合表明，哈拉哈塘地區失穩主要有兩個來源：①非產層吐木休克組的垮塌，其失穩形態主要以宏觀坍塌掉塊為主，形成大量巖塊、巖屑和少量泥砂，如圖6a所示；②生產層組裂縫和孔洞中充填的泥砂對裂縫應力敏感，誘發微觀應力敏感出砂，失穩形態主要以裂縫充填物破碎，流體攜帶泥砂產出為主（圖6b）。

圖6 哈拉哈塘井壁失穩形態示意圖

在井眼被鉆開前，地層巖石通常受兩個水平應力和一個垂向壓縮應力以及孔隙壓力的聯合作用。井眼的形成打破了原地應力的平衡狀態，導致井周圍巖應力狀態發生重新分布（應力集中效應）。如果這些重新分布的應力超過了巖石抗壓或抗拉強度，就會導致井壁失穩。井壁失穩一般表現為坍塌、縮徑和破裂三種形式，若井筒壓力太低，則井壁圍巖發生剪切破壞，導致坍塌失穩，井壁坍塌是碳酸鹽巖地層開發階段最為常見的井壁失穩形式，約70%的井壁失穩表現為井壁坍塌或掉塊。地質資料表明，吐木休克組地層巖性主要為厚層狀褐灰色、灰色灰巖、泥質灰巖互層夾中厚–厚層狀灰質泥巖，泥質含量為20%～43%，沉積層理多，抗壓強度低，易發生垮塌。吐木休克組地層缺失區，鉆井時井壁穩定，在裸眼完井后由于應力集中，易發生失穩現象。

在開發階段，裂縫內孔隙壓力衰減極易導致裂縫應力敏感，誘發微觀應力敏感出砂。裂縫充填物破碎被流體攜帶產出為主，其次還有縫面微凸體剝落產出。裂縫充填物破碎被流體攜帶產出機理是在應力的作用下，裂縫面產生滑移，引起裂縫充填物的破碎。由于裂縫是重要的儲油和流動通道，破碎的充填物在流體的高流速下就會被攜帶產出。哈拉哈塘地區裂縫發育，裂縫和孔洞中充填的泥砂在開發過程中不斷產出，這也是導致井筒快速砂埋的重要原因。

綜上所述，未來治理對策不但要針對宏觀失穩產生的巖塊進行治理和預防，也要進行井底防砂控制流體攜帶泥砂產出。鉆新井時應先針對產層采用篩管防砂完井，控制流體攜帶產出，其次封隔吐木休克組易坍地層，在鉆井時可以適當留出一段口袋用于沉砂。除此之外，在開發設計過程中應注意井眼軌跡和井眼尺寸等重要影響因素。針對老井裸眼井，進行探泥砂、沖撈砂作業，再進行合理參數的篩管完井，以保證油井產能最大化。

4 結論與認識

（1）針對哈拉哈塘碳酸鹽巖儲層井壁失穩問題井壁失穩程度動態評價方法，以砂埋上升速度、砂埋產能損失速度、產層砂埋率三個值作為井壁失穩（出砂/垮塌）程度的特征評價指標，結果表明，裸眼完井條件下的平均砂埋體積速度約為13.870 0 L/d，產層段砂埋率中超過80%的井占比達60.63%，平均砂埋產能損失速度達到0.353 t/d，哈6區塊、富源區塊失穩相對嚴重。

（2）哈拉哈塘地區失穩因素關聯分析表明，裸眼完井是垮塌/出泥砂井的主要的完井方式，直井和定向井比水平井砂埋概率高；吐木休克組是重要的失穩層位，完全封堵吐木休克組裸眼段的失穩比例是未完全封堵的半數，是否完全封堵吐木休克組裸眼段也是影響砂埋的主要因素；小井眼井比常規井穩定性好。

（3）結合沖撈砂樣粒度對比和失穩模擬分析得出的結果表明，哈拉哈塘油田失穩主要有兩個來源，其一為非產層吐木休克組地層，失穩形態主要表現為巖石宏觀失穩產生的巖塊和巖屑；其二為生產層組微觀應力敏感出砂，失穩形態主要表現為裂縫和孔洞中充填的泥砂產出以及目的層基質中生產或儲層改造等釋放出來的泥砂。