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(fā)育大段火成巖，特殊的巖性導(dǎo)致該段地層出現(xiàn)坍塌掉塊及井徑擴(kuò)大的現(xiàn)象，阻卡、憋壓及蹩扭矩等復(fù)雜情況占比達(dá)20%左右，嚴(yán)重影響著鉆井安全及效率，因此有必要對(duì)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(tǒng)的力化耦合等模型分析其井壁穩(wěn)定[1-3]，明確其坍塌周期并揭示影響坍塌周期的相關(guān)因素。因此在認(rèn)識(shí)火成巖井壁垮塌機(jī)理的基礎(chǔ)上，基于渤中某油田鉆遇火成巖的實(shí)際因素，創(chuàng)新性地提出了基于灰色關(guān)聯(lián)度模型分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程參數(shù)對(duì)坍塌周期的影響，為工程實(shí)際提供指導(dǎo)。

1 坍塌機(jī)制分析

1.1 礦物組成

渤海某油田火成巖地層主要由凝灰?guī)r和玄武巖交錯(cuò)組成。利用X射線儀分別針對(duì)凝灰?guī)r和玄武巖巖心進(jìn)行了全巖礦物和黏土礦物分析，圖1為凝灰?guī)r全巖礦物和黏土含量分布圖。從圖1可以看到，凝灰?guī)r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(dá)到27%。黏土礦物以伊∕蒙混層為主，含量高達(dá)84%，在鉆井液的作用下極易發(fā)生水化膨脹，從而導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)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(duì)較低，其水化膨脹并非引起井壁穩(wěn)定問題的主要原因。

圖1 火成巖地層凝灰?guī)r全巖和黏土含量分布

1.2 實(shí)際結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)撈砂顯示，凝灰?guī)r表現(xiàn)為灰色或者灰黑色的凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，成分以細(xì)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(xiàn)為灰黑色的塊狀構(gòu)造、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，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(jiān)硬、致密，局部有杏仁狀構(gòu)造。

綜合巖石組分和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，導(dǎo)致該油田火成巖地層井壁垮塌的主要原因?yàn)椋孩倌規(guī)r黏土礦物含量較高且黏土礦物中以伊∕蒙混層為主，極易發(fā)生水化膨脹從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；②玄武巖局部發(fā)育杏仁狀構(gòu)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(yīng)力釋放、激動(dòng)壓力過大或機(jī)械碰撞作用，極易在杏仁體處發(fā)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致井壁坍塌掉塊[6-8]。

2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的現(xiàn)場(chǎng)因素對(duì)坍塌周期的影響

現(xiàn)場(chǎng)火成巖坍塌通常表現(xiàn)為劃眼或倒劃眼過程中遇阻卡、憋壓、蹩扭矩甚至憋停頂驅(qū)，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(shù)的分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)。因此，基于灰色關(guān)聯(lián)度方法[9-10]開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際因素對(duì)坍塌周期影響的分析，作為理論分析的補(bǔ)充，從而提出建議。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)因素

研究表明，影響坍塌周期的現(xiàn)場(chǎng)因素包括井眼軌跡參數(shù)、鉆井液密度參數(shù)及鉆井液性能參數(shù)3類。其中，井眼軌跡參數(shù)指井斜、方位數(shù)據(jù)；鉆井液性能參數(shù)則包括屈服值、漏斗黏度、塑性黏度、3轉(zhuǎn)讀數(shù)、6轉(zhuǎn)讀數(shù)、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(guān)聯(lián)度模型及建立過程

1）確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。將發(fā)生遇阻卡、憋壓、蹩扭矩時(shí)井眼揭開的時(shí)間作為比較數(shù)列，認(rèn)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(zhuǎn)讀數(shù)、6轉(zhuǎn)讀數(shù)、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(shù)列。為提高分析的準(zhǔn)確性，收集了渤海某油田45次火成巖坍塌時(shí)的參考數(shù)列及比較數(shù)列，見表1。

表1 火成巖坍塌周期影響因素?cái)?shù)列分析

續(xù)表1

2）處理原始數(shù)據(jù)。需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，方法包括初值化、均值化、區(qū)間化等。利用均值法對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。首先得到處理后的參考數(shù)列X0'={x'0(1),x'0(2),...,x'0(n)}與比較數(shù)列Xi'={x'i(1),x'i(2),...,x'i(n)}的絕對(duì)差序列，然后求取差序列中的兩級(jí)最大差與最小差，最后求得關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)。

式中：ζ為關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，一般取0～1，其目的為提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異性。

4）計(jì)算關(guān)聯(lián)度。對(duì)每個(gè)參考數(shù)列求取關(guān)聯(lián)系數(shù)的均值，即為灰色關(guān)聯(lián)度γ0。基于表1中數(shù)據(jù)，最終求得各比較序列的關(guān)聯(lián)度與灰色關(guān)聯(lián)度值[13]，并將其進(jìn)行了排序，見表2。

表2 火成巖坍塌周期影響因素灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果

由表2知，在關(guān)聯(lián)度的基礎(chǔ)上引入密切關(guān)聯(lián)度的概念，即為各影響因素的相對(duì)關(guān)聯(lián)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(zhuǎn)讀數(shù)、井斜、n值及塑性黏度，以密切關(guān)聯(lián)度0.85為劃分標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)來講，鉀離子含量、氯離子含量、3轉(zhuǎn)讀數(shù)及井斜對(duì)坍塌周期的影響程度更高。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)因素對(duì)坍塌周期的影響分析

首先列出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際坍塌周期與鉆井液密度的關(guān)系曲線，如圖2所示?？梢钥吹?，鉆井液密度與時(shí)間變化的趨勢(shì)和理論趨勢(shì)相符，也在一定程度上證明了將發(fā)生復(fù)雜情況時(shí)井眼揭開的時(shí)間作為工程坍塌周期的可靠性。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)坍塌周期與鉆井液密度關(guān)系圖

由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，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(zhuǎn)讀數(shù)與坍塌周期的變化規(guī)律，如圖3～圖4所示?？梢钥吹?，隨著鉀離子含量、氯離子含量及3轉(zhuǎn)讀數(shù)的增加，井壁坍塌周期呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。因此，為提高井壁坍塌周期，在現(xiàn)場(chǎng)可首先選擇增加鉀離子、氯離子含量以及提高鉆井液3轉(zhuǎn)讀數(shù)進(jìn)行操作。

渤海某油田A井在倒劃眼過程中頻繁出現(xiàn)憋壓、蹩扭矩等復(fù)雜情況，花費(fèi)時(shí)間96 h，判斷為因井眼發(fā)生坍塌導(dǎo)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(dāng)提高了鉀離子含量、氯離子含量、3轉(zhuǎn)讀數(shù)，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(guī)律

圖4 3轉(zhuǎn)讀數(shù)與坍塌周期的變化規(guī)律

表3 渤海某油田開發(fā)井鉆井液參數(shù)對(duì)比表

3 結(jié)論及建議

1）凝灰?guī)r黏土礦物含量較高且以伊、蒙混層為主，易發(fā)生水化膨脹引起井壁失穩(wěn)；玄武巖局部發(fā)育杏仁狀構(gòu)造，鉆井過程中易在杏仁體處發(fā)生應(yīng)力集中引起井壁坍塌掉塊。

2）以密切關(guān)聯(lián)度0.85為劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究表明，鉀離子含量、氯離子含量、3轉(zhuǎn)讀數(shù)及井斜對(duì)坍塌周期的影響程度更高，現(xiàn)場(chǎng)可首先選擇增加鉀離子、氯離子含量以及提高鉆井液3轉(zhuǎn)讀數(shù)來延長火成巖坍塌周期。