川西复杂地质井壁稳定及井身结构优化技术

邹灵战 牟少敏 耿明明 张 军 马 勇 魏风奇 王 庆

(1. 中国石油集团工程技术研究院有限公司， 北京 102206；
2. 长城钻探工程有限公司， 北京 100020；
3. 中国石油油气和新能源分公司， 北京 100062；
4. 中国石油西南油气田分公司， 成都 610056)

在川西地区，以大兴场、平落坝、莲花山等构造的二叠系栖霞组为主要勘探目标，其地震剖面如图1所示。该地区在二叠系中晚期曾发生规模巨大的火山喷发，从而形成了著名的峨眉玄武岩(厚度为200～400 m)，其中主要含白云岩[1-2]。该地区钻井作业中常面临高压盐水层、井壁垮塌、漏失等复杂情况，二叠系沙湾组和峨眉玄武岩地层的安全钻井难度大，事故复杂多发。井壁稳定性不足，已成为影响该地区钻井安全的难题之一。

图1 川西地区地震剖面

通过相关研究，人们对泥页岩地层和硬脆性地层的井壁稳定性有了一定认识。在泥页岩地层，井壁失稳主要缘于应力-化学耦合作用，在此作用下井壁围岩遭受剪切破坏[3-6]。在此情况下，需要提高钻井液密度、强化其抑制性，以保证井壁的稳定性。在硬脆性地层，井壁失稳主要缘于应力-渗流耦合作用。在此情况下，需要控制钻井液密度、提高其封堵性能，以保证井壁的稳定性[7]。这两类地层井壁的失稳机理不同，其应对措施和技术方向也不尽相同。

本次研究将针对沙湾组泥页岩、峨眉玄武岩的失稳机理展开讨论，以明确这两类岩层之间的井身结构必封点，结合地层压力系统对井身结构进行优化，并通过川西平探1井应用实践加以验证。

1.1 地层岩性及矿物组分、岩石力学特性

沙湾组上部为暗棕色泥岩及黑色页岩夹灰岩和云岩；
下部为浅灰色铝土质泥岩夹紫红色泥岩及黑色页岩(见图2)。峨眉玄武岩地质露头有柱状节理发育(见图3)，为陆相环境下岩浆喷发的产物，地层厚度为200～400 m。

图2 沙湾组泥岩地质露头

图3 峨眉玄武岩地质露头

通过室内实验，测得沙湾组泥岩地质露头的矿物组分：黏土矿物的体积分数为50%左右，其中以伊/蒙混层为主，高岭石次之。同时，测得其岩石力学特性：弹性模量为12～24 GPa；
泊松比为0.25～0.31；
单轴抗压强度为60～70 MPa；
抗拉强度为 4～5 MPa。

同样，测得玄武岩地质露头的矿物组分：SiO2(石英) 体积分数为43.70%～54.40%，Al2O3体积分数为7.50%～16.10%，TiO2体积分数为2.42%～4.29%，不含黏土矿物。同时，测得其岩石力学特性：弹性模量为25～42 GPa；
泊松比为0.18～0.24；
基体岩石的单轴抗压强度为150～180 MPa；
抗拉强度为7～8 MPa；
节理面上黏聚力和抗拉强度几乎丧失；
内摩擦角为35°。

1.2 力学建模与失稳机理分析方法

应用岩石破坏过程分析软件RFPA实现力学建模。基于有限元基本理论，结合岩石材料破裂过程中伴随的非线性、非均匀性和各向异性等特点，按照弹性损伤力学的本构关系来描述脆性材料的细观力学性质，并根据Weibull分布进行赋值。RFPA中有2个准则：最大拉应力准则和摩尔-库仑准则。按照最大拉应力准则，当细观单元的最大拉伸主应力达到其给定的极限值时，该单元即发生拉伸损伤；
按照摩尔-库仑准则，当细观单元的应力状态满足剪切破坏极限条件时，该单元即发生剪切损伤。在弹性状态下，材料的应力-渗透系数关系可通过负指数方程来描述，且当材料破坏后渗透系数突跳增大[8-11]。

引入Weibull统计分布函数来描述岩石介质力学性质的非均匀性，如式(1)所示：

(1)

式中：φ—— 概率密度函数；

α—— 强度随机变量；

α0—— 强度；

m—— 比例参数。

细观损伤力学的损伤和岩石发生剪切破坏准则。当单元的应力状态或者应变状态满足某个给定的损伤阈值条件时，开始出现损伤。损伤单元的弹性模量如式(2)所示：

E=(1-D)E0

(2)

式中：E—— 损伤单元的弹性模量；

D—— 损伤变量；

E0—— 无损伤单元的弹性模量。

当单元的剪切应力满足准则时即可确定已达到损伤的阈值，Mohr-Cloulomb准则为：

(3)

式中：F—— 剪切应力；

σ1—— 最大主应力;

σ3—— 最小主应力；

φ—— 内摩擦角；

fc—— 单轴抗压强度。

剪切破坏的损伤表征，如式(4)所示：

(4)

式中：fcr—— 残余强度；

ε—— 应变；

εc0—— 无损伤的最大弹性应变。

剪切损伤引起岩石渗透性的变化，如式(5)所示：

(5)

式中：k—— 渗流速度；

k0—— 无损伤的渗流速度；

ξ、β—— 无量纲系数；

σiii—— 单元应力；

p—— 孔隙压力。

岩石发生拉张破坏的准则，如式(6)所示：

σ3≤-ft

(6)

式中：ft—— 岩石抗拉强度。

拉张破坏的损伤表征，如式(7)所示：

(7)

式中：εt0—— 无损伤的最大拉应变；

εtu—— 残余强度对应的应变。

拉张损伤引起岩石渗透性的变化，如式(8)所示：

(8)

1.3 井眼稳定力学分析模型

分别针对沙湾组岩石和峨眉玄武岩建立井眼稳定力学分析模型。建模步骤如下：

(1) 建立几何模型。建立二维地层平面模型(直径为2 m)，在模型中心开挖井眼(直径为0.2 m)，二者半径之比为10 ∶1。

(2) 建立物理模型，根据实验测定结果对岩石的强度和弹性参数进行赋值。沙湾组岩石是完整的地层岩石，可直接对其强度和参数赋值，在水化作用下其强度逐步减小。峨眉玄武岩分为基体和节理面，分别对其强度和弹性参数赋值。基体无渗流，于是将其渗流速度设定为0；
节理面容易发生渗流，因此需计算其渗流速度。同时，节理面也是强度弱面，将其黏聚力和拉应力赋值为0，内摩擦角赋值为35°。

(3) 设定边界条件。在模型边界上施加初始载荷，按照水平最大地应力和水平最小地应力分别赋值; 待应力达到平衡状态后开挖井眼，向井眼内施加液柱压力，参考钻井液密度来赋值。

(4) 模拟开挖沙湾组。开挖后逐渐降低井眼液柱压力，模拟钻井液密度较低的情况。在水平最小主应力方向上，井壁岩石出现剪切破坏，破坏区域为椭圆形(见图4)。在水化作用下降低围岩的强度，此椭圆区域会扩大，表明水化作用和钻井液的抑制性密切相关。提高钻井液的抑制性可以保持围岩的强度，从而延缓剪切破坏的发生，减轻破坏程度；
提高液柱压力、钻井液密度，可以有效预防剪切破坏的发生。

图4 沙湾组井壁失稳机理数值模拟结果

(5) 模拟开挖峨眉玄武岩。开挖后保持较高的井眼液柱压力，当钻井液密度较大时节理面上会发生渗流。于是，在应力-渗流耦合作用下，水平最大主应力方向的井壁围岩在节理面上被拉张破坏，呈不规则状(见图5)。保持液柱压力、降低节理面上的渗流压力差，或者通过封堵作业以减弱节理面上的渗流作用，都有助于减缓节理面上的拉张破坏作用。

图5 峨眉玄武岩井壁失稳机理数值模拟结果

沙湾组泥岩模拟结果显示，在应力-化学耦合作用下井壁易因剪切破坏而垮塌。对于这种井壁失稳现象，可通过提高钻井液的密度和抑制性加以改善。

峨眉玄武岩模拟结果显示，由于柱状节理发育，在应力-渗流耦合作用下井壁易在节理面上发生垮塌。对于这种井壁失稳现象，应合理控制钻井液密度，并加强钻井液封堵措施。

从压力数据来看：对于沙湾组泥岩，在考虑水化作用的情况下垮塌压力系数逐渐升高至接近2.00，漏失压力系数大于2.30；
对于峨眉玄武岩，其节理发育，易在应力-渗流耦合作用主导下发生垮塌，垮塌压力系数为1.70左右，漏失压力系数小于1.90。

2.1 井身结构必封点分析

在川西地区，钻井作业中常面临超深、高压盐水、膏岩层、含硫化氢等复杂地质条件，井身结构的设计对安全钻井非常重要[12-15]。以川西平探1井为例，根据沙湾组泥岩和峨眉玄武岩的井壁失稳机理及地层压力系统特点确定其必封点。

按照防漏、防溢流、防卡钻的压力约束条件，确定了5个必封点，井身结构设计为六开。由于二叠系沙湾组泥岩在应力-化学耦合作用下易发生剪切破坏而垮塌，因此将其与雷口坡组、嘉陵江组的高压盐水层放在同一裸眼段，以利于井壁稳定。由于峨眉玄武岩在应力-渗流耦合作用下容易在节理面发生拉张破坏而垮塌，因此不宜将其与沙湾组及高压盐水层放在同一裸眼段。为了稳定井壁，需要强化钻井液的封堵性能，并设计合理的钻井液密度。峨眉玄武岩具有多期喷发特点，适宜与其下部的茅口组放在同一裸眼段。针对主要目的层栖霞组采用储层专打工艺，以利于地质发现。

沙湾组泥岩与峨眉玄武岩分属不同的压力系统，需要通过井身结构来区分，二者之间定然存在一个必封点。在优化井身结构时，应重点考虑此必封点的作用。

2.2 井身结构设计方案

平探1井的井身结构设计为六开(见图6)，各开次钻深、套管下深、水泥浆返高等参数的设计如表1所示。

表1 平探1井井身结构设计数据表

图6 平探1井井身结构设计

(1) 一开：以20″(Φ508.00 mm)套管封隔表层。

(2) 二开：以143/8″(Φ365.10 mm)套管下至遂宁组顶部，封隔易漏失地层。

(3) 三开：以103/4″(Φ273.05 mm)套管下至雷口坡组顶部，封隔相对低压层。

(4) 四开：以91/2″(Φ241.30 mm)井眼钻遇雷口坡组和嘉陵江组的高压盐水层，将此高压盐水层与沙湾组泥岩放在一开，钻井液密度为2.0 g/cm3，钻至峨眉玄武岩顶部时下入85/8″(Φ219.08 mm)技术尾管(中完)。

(5) 五开：将71/2″(Φ190.50 mm)井眼的钻井液密度降低至 1.80 g/cm3左右，加强钻井液的封堵性能，预防玄武岩失稳，钻至栖霞组顶部时下入65/8″(Φ168.30 mm)生产尾管(中完)。

(6) 六开：对栖霞组储层采用专打工艺，将钻井液密度降低至1.50 g/cm3左右，以利于发现和保护油气层，完钻后下入41/2″(Φ114.30 mm)尾管(完井)。

本设计的关键在于，沙湾组和玄武岩的井壁破坏机理不同，且二者之间存在一个必封点，因此在井身结构设计中需要将技术尾管下至峨眉玄武岩顶部。在之前的井身结构方案设计中，以91/2″(Φ241.30 mm)井眼钻穿玄武岩下入套管，未将沙湾组泥岩与峨眉玄武岩分隔开，加剧了井壁失稳和漏失复杂现象。

在平探1井，四开91/2″(Φ241.30 mm)井眼钻至峨眉玄武岩顶部，再下入85/8″(Φ219.08 mm)无接箍套管固井(中完)。沙湾组井壁稳定、井径规则，未出现泥页岩垮塌及漏失等复杂现象，这印证了沙湾组与高压盐水层放在同一开次的合理性。图7所示为四开沙湾组泥页岩地层的井径曲线。

图7 四开沙湾组泥页岩地层的井径曲线

五开71/2″(Φ190.50 mm)井眼专打峨眉玄武岩和茅口组灰岩，采用强封堵钻井液体系，钻井液密度从四开的1.95 g/cm3降低至1.85 g/cm3，并配合水泥护壁措施。峨眉玄武岩的井壁稳定，钻井井径曲线规则，井径扩大率在8%以下，未发生井壁失稳和漏失复杂现象。这表明峨眉玄武岩与茅口组灰岩放在同一开次，比较合理。图8所示为五开峨眉玄武岩和茅口组灰岩地层的井径曲线。

图8 五开峨眉玄武岩和茅口组灰岩地层的井径曲线

六开51/2″(Φ139.70 mm)井眼专打栖霞组储层，将钻井液密度降低至1.65 g/cm3，钻井过程中多次发生气侵，油气显示良好。试油后日产气量为66×104m3，为本地区栖霞组最高记录。这表明针对井身结构采用储层专打工艺具有一定的合理性和优越性。

为了加强钻井作业安全，对川西复杂地质条件下的井壁稳定及井身结构问题进行了优化。基于细观损伤力学方法建立了井眼模型，在明确沙湾组泥页岩和峨眉玄武岩失稳机理的基础上提出了必封点和井身结构设计新方案。经分析，厘清了川西二叠系沙湾组泥页岩和峨眉玄武岩的井壁稳定机理。沙湾组主要是硬脆性泥岩和页岩，兼有水化作用，垮塌压力高，适宜与上部高压盐水层设计在同一裸眼段内。峨眉玄武岩具有柱状节理特点，易因应力-渗流耦合作用在节理面发生拉张破坏，属于相对低压井段，宜与茅口组设计在同一裸眼段内。同时，认为沙湾组和峨眉玄武岩的交界位置存在一个必封点，需考虑此必封点并通过井身结构优化将二者分隔开。本次井身结构优化设计思路在平探1井钻井中得以实践，首次在川西地区安全钻穿了沙湾组泥页岩和峨眉玄武岩，井壁失稳和漏失复杂现象得到了有效改善。

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