基于數據分析的隨鉆井壁穩定技術研究與應用

摘 要：為分析某3井在鉆進過程中遇到大量井壁失穩，導致兩次卡鉆事故的問題，以井壁失穩與卡鉆機理分析為目標，通過鄰井資料審核，對測井、鉆井等資料的適用性和完整性進行檢查，基于數據情況建立一維巖石力學模型，得到該區域東營組存在明顯超壓，最大孔隙壓力為1.4～1.5 g/cm3，建立一套基于有限量歷史數據資源且工程可操作的井壁穩定分析方法。以此指導鉆井作業，減少復雜情況及事故的發生。

關鍵詞：歷史數據；井壁穩定；工程可操作；分析方法；數據分析

中圖分類號：TE21 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0091-04

Abstract： In order to analyze the problems of two sticking accidents caused by a large number of sidewall instability encountered in a certain 3 well during drilling， aiming at wellbore instability and sticking mechanism analysis， through the examination of adjacent well data， the applicability and integrity of logging and drilling data are checked， an one-dimensional rock mechanics model is established based on the data， and it is found that there is obvious overpressure in Dongying formation in this area， and the maximum pore pressure is 1.4～1.5 g/cm3. A set of workable sidewall stability analysis method based on limited historical data resources is established. In order to guide drilling operations and reduce the occurrence of complex situations and accidents.

Keywords： historical data; wellbore stability; engineering operation; analysis method; data analysis

井壁穩定工作是近年來各石油院校和油氣開發生產單位研究的主要內容，旨在解決鉆完井過程中出現的井塌、鉆井液適用性、壓裂等作業的問題。雖然在理論研究層面取得了較多的進展，各類研究分析模型和機理認識不斷深入，但真正在鉆井隨鉆過程中能夠快速轉化應用，提供積極指導的方案較少，主要原因是研究層面所考慮的邊界條件在數量和質量上在實際工程中均有較大的局限性。因為實際工程中所擁有的相關數據量是極少的，即便有些已經有的數據在質量方面仍需進一步篩選。海洋某3井設計井深5 000多米，在鉆井過程中出現兩次卡鉆的惡性事故，由于該井為一口調整井，所在區塊已有5口歷史井，因此開展了基于有限數據量的井壁穩定分析工作，以指導某3井的鉆井工程任務。

1 歷史井分析與數據篩查

1.1 數據的審核

作為研究的第一步，首先進行數據審核。其目的是了解已有數據是否滿足巖石力學分析和井壁穩定分析的需要。經過對所提供的數據資料（表1）進行審核后得到：

1）有5口已鉆歷史井（1井、2井、A2井、A5井和A6井），有部分井段的聲波縱波測井數據和井徑數據，有4口井（除1井外）有密度測井數據。

2）除1井和2井外，其他井均有鉆井工程日志及隨鉆巖屑錄井剖面。

3）五系統實驗室巖心實驗資料。

4）某3井在側鉆后的第二個井眼段3 635～4 610 m開展了套管內偶極聲波及密度測井。

1.2 研究目標井的選擇

根據所在井區歷史5口井和事故井某3井之間的靶點距離位置關系，選擇1井、2井、A5井和A6井為關鍵研究鄰井，構建巖石力學模型，并開展井壁穩定分析驗證一維模型，隨后把模型映射到事故井A3井原井眼、側鉆后第一井眼和側鉆后第二井眼，開展井壁穩定分析及井壁破壞機理分析。

2 一維精細建模

要進行井壁穩定分析，需要建立力學模型，但限于實際工程資料量的限制，一維模型是可操作的。第一步是進行詳細的數據分析評估以了解已有數據的可靠性，然后對統計可靠數據開展分析，對現有井出現的與巖石力學有關的鉆井事故進行識別和分析，利于理論的破壞機理分析，也為模型提供標定數據[1-4]。隨后利用已有數據確定巖石力學相關參數，包括彈性模量、上覆巖石壓力、孔隙壓力、巖石強度、應力方向、最大和最小水平主應力。在所有巖石力學參數確定后，可進行井壁穩定分析[5-7]。

2.1 井史分析及鉆井復雜統計分析

鉆井過程中可能出現許多類型的鉆井事故，這些鉆井事故可能源于不同的起因。在這些不同的鉆井事故中，許多可能與巖石力學有關，例如井涌、井眼縮徑、井壁坍塌、遇阻/遇卡、卡鉆及泥漿漏失等[8-10]。通過對1井和2井的鉆井復雜情況梳理，可以看出鉆井復雜情況較為相似，主要復雜情況包括：遇阻/遇卡，漏失，鉆頭泥包-對應于低機械鉆速，井壁崩落-對應于循環出大量掉塊。對A5和A6井鉆井復雜分析，得出A6所遇到的復雜情況明顯多于A5井，特別在東二下段有大量的遇卡遇阻。某3井在上部12-1/4″井眼的復雜情況統計發現：在鉆井過程中或在起下鉆過程中觀察到大量泥巖掉塊返出，表明有明顯的井壁崩落，也可能有潛在的井壁清潔問題。在起下鉆過程中，頻繁遇阻遇卡，導致持續劃眼。在起下鉆過程中巖屑封堵導致憋泵、憋扭矩及泥漿漏失。

為了揭示遇阻遇卡產生的原因，將鉆井復雜情況深度地圖和測井曲線聯系，得到遇阻遇卡出現的深度并不是隨機的，深度和低伽馬和高電阻率巖層深度有較好的一致性。這可以認為可能是和砂泥巖互層巖性相關，因為在該層位鉆井通過砂泥巖互層地層時，砂巖層膠結較好，可鉆性較差，測井顯示砂巖層相對于相鄰泥巖層沒有擴徑或者擴徑量較少，形成導致鉆具組合上下時遇阻和遇卡的臺階。

某3井在8-1/2井眼的復雜情況分析。在鉆井過程中或在起下鉆過程中觀察到大量泥巖掉塊返出，表明有明顯的井壁崩落，也可能有潛在的井壁清潔問題。在鉆井過程中觀察到了很高的背景氣、后效氣及單根氣，表明所使用的鉆井液密度（1.38～1.43 g/cm3）很可能低于地層孔隙壓力，為欠平衡鉆井。在起下鉆過程中，頻繁遇阻、遇卡，導致持續劃眼。在起下鉆過程中巖屑封堵導致憋泵、憋扭矩及泥漿漏失。在多個深度段出現可能由于鉆頭泥包導致的低達低機械鉆速，鉆速低至1 m/h。

某3井側鉆后第一井眼復雜情況分析。在鉆井過程中或在起下鉆過程中觀察到大量泥巖掉塊返出，表明有明顯的井壁崩落，也可能有潛在的井壁清潔問題。在鉆井過程中觀察到了很高的背景氣、后效氣及單根氣，表明所使用的鉆井液密度（1.48～1.5 g/cm3）很可能低于地層孔隙壓力，為欠平衡鉆井。在起下鉆過程中，頻繁遇阻、遇卡，導致持續劃眼。在起下鉆過程中巖屑封堵導致憋泵、憋扭矩及泥漿漏失。在多個深度段出現可能由于鉆頭泥包導致的低達低機械鉆速，鉆速低至1 m/h。

通過上述統計分析，得到某3井第二側鉆井眼和第一側鉆井眼鉆井復雜情況類似，但復雜事件的數量和風險程度明顯降低，同時得到：在鉆井過程中的背景氣、后效氣及單根氣大幅降低，說明鉆井液密度（1.50～1.55 g/cm3）已經足夠平衡地層孔隙壓力。鉆進過程相對順利，但一開始鉆井壁就開始失穩。例如在5月12日開始鉆進，15日鉆進到4 306 m。循環在遲到深度4 306 m及4 293 m返出掉塊，16日短起有多處卡點，表明所用鉆井液密度并不足夠抑制井壁崩落。

某3井原井眼和兩次側鉆所用鉆井液密度和氣測結果對比分析，如圖1所示。可以看出，原井眼用1.38～1.43 g/cm3鉆井液密度，第一側鉆井眼用1.48～1.5 g/cm3均不能有效壓制背景氣、后效氣及單根氣，而第二側鉆井眼以1.50～1.55 g/cm3的鉆井液密度有效地壓制了后效氣，表明地層壓力在1.48～1.53 g/cm3之間。

2.2 巖石力學參數計算

對1井、2井、A2井、A5井和A6井開展一維巖石力學建模。

1）彈性參數。根據橫縱波速度與巖石力學參數的理論關系，用聲波測井資料得到縱波和橫波時差。用密度測井得到體積密度，可計算巖石力學參數。

2）強度參數。單軸抗壓強度、內摩擦角和抗拉強度是計算井眼穩定性的3個關鍵參數。主要通過已有的測井數據計算。

3）地層孔隙壓力預測。主要采用伊頓法計算。通過孔隙壓力計算結果，如圖2可知，東二下段下部為超壓和常壓明確分割線。不同井孔隙壓力預測結果不同，表面區域內存在孔隙壓力非均質性。最大孔隙壓力系數在1.4～1.5 g/cm3之間，與實測數據一致。

4）地應力。根據該區域地質研究結論最大水平主應力方向N65°E。上覆壓力通過電纜測井密度數據積分計算得到，最小水平主應力通過地漏試驗計算得到，最大水平主應力通過井眼圖像和巖石破壞模型標定得到。

2.3 井壁穩定分析

通過上述分析，對于某3井缺乏數據的井段，采用鄰井數據遷移的模式，最終得到井壁穩定分析結果，如圖3所示。

1）某3井原井眼的井壁穩定分析。井壁穩定分析表明在4 100～4 400 m有明顯超壓及井壁崩落風險，超過一半的鉆井復雜發生在4 100～4 400 m的井段，卡鉆及落魚發生在相同井段。

2）某3井第一側鉆井眼。井壁穩定分析表明在4 100～4 400 m有明顯超壓及井壁崩落風險，超過一半的鉆井復雜發生在4 100～4 400 m的井段，卡鉆及落魚發生在相同井段。

3）某3井第二側鉆井眼。井壁穩定分析表明在4 100～4 400 m有明顯超壓及井壁崩落風險，超過一半的鉆井復雜發生在4 100～4 400 m的井段。

3 工程應用建議

綜合前面井壁穩定分析的結果可以看出，要有效地抑制井壁崩落，降低井的鉆井風險，需要采用足夠的鉆井液密度來抑制井壁崩落。通過綜合分析，發現把鉆井液密度提高到1.6 g/cm3能夠有效抑制井壁崩落，并且低于破裂壓力梯度范圍內。從圖3中可以看出，在采用1.6 g/cm3的鉆井液密度之后，在4 300～4 350 m超壓區仍然會稍有井壁崩落，但總體情況可控。

4 結論

通過對某3井及鄰井鉆井復雜情況和數據分析，初步建立了有限數據資源條件下工程可操作的井壁穩定分析方法，給出了以數據為依據的工程操作鉆井液密度依據，并得到以下結論。

1）部分遇阻遇卡點和砂泥互層相關。這主要是在鉆井通過砂泥互層的地層時，泥巖相對軟弱而砂巖層較為堅硬，砂巖層相對于相鄰泥巖層沒有擴徑或擴徑很少，形成導致鉆具組合上下時遇阻與遇卡的臺肩。

2）選擇恰當的鉆井液密度，特別是從井段開鉆初期就使用該密度是解決此類鉆井挑戰的先決條件。

3）基于已有的測井數據及鉆井日志結合巖石力學的方法開展井壁穩定分析工作是必要的，但如果要進一步提高分析精確度，對于數量的獲取是必要的，主要包括巖心或者大尺寸掉塊巖石強度分析，評估層面破壞風險性，開展時間效應研究，評估鉆井液浸泡下時間的影響。

參考文獻：

[1] 黃佩，馬志忠，袁則名，等.東海西湖凹陷區塊井壁穩定認識及實踐應用[J].石油工業技術監督，2019，35（5）：10-12.

[2] GABRIELA R D L ，SILVANI V， MARIA H M C， et al. Stability of bifidobacteria entrapped in goat's whey freeze concentrate and inulin as wall materials and powder properties[J]. Food Research International，2020：127.

[3] 馬超，袁則名，孫曉飛，等.渤海南部BZ34-3區塊井壁穩定性分析與鉆井液應用[J].石油化工應用，2019，38（5）：74-78.

[4] 劉厚彬，崔帥，孟英峰，等.川西硬脆性頁巖力學特征及井壁穩定性研究[J].西南石油大學學報（自然科學版），2019，41（6）：60-67.

[5] PENG X， KIANOOSH H， GUANLU J. Study on seismic stability and performance of reinforced soil walls using shaking table tests[J]. Geotextiles and Geomembranes，2019.

[6] 劉陽，鄧建明，崔國杰，等.渤中凹陷19-6構造地層壓力隨鉆精確監測技術[J].石油鉆采工藝，2018，40（S1）：125-128.

[7] 劉寶生，和鵬飛，楊保健，等.鉆井輔助決策系統構建及在渤中19-6的工程實踐[J].石油鉆采工藝，2018，40（6）：684-689.

[8] 陳穎杰，鄧傳光，馬天壽.井壁失穩風險的可靠度理論評價方法[J].天然氣工業，2019，39（11）：97-104.

[9] 袁洪水，和鵬飛，袁則名，等.基于數值模擬的遠程工程支持在海洋19-6井的實踐[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2018，45（3）：42-45.

[10] 李先烽，和鵬飛，袁則名，等.錦州油田鉆井防塌技術的工程實踐[J].石油工業技術監督，2017，33（7）：52-55.

第一作者簡介：蔣天皓（1991-），男，碩士，工程師。研究方向為海洋石油鉆完井作業管理。