水基鉆井液侵入對烏石YQ油田地層坍塌壓力的影響

黃 靜 劉賢玉 王成龍 曹 峰 李文拓

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

鉆井工程中，井壁失穩(wěn)是影響鉆井進(jìn)程及其時效的重要因素。通常，保證井壁穩(wěn)定的前提條件是鉆井液密度必須在安全密度窗口內(nèi)，坍塌壓力決定安全密度窗口的下限[1-3]。

測井資料是計算坍塌壓力的基礎(chǔ)資料，現(xiàn)場收集到的測井資料包括隨鉆測井資料和電纜測井資料。隨鉆測井受鉆井液脈沖擾動及鉆柱轉(zhuǎn)動等因素的影響，資料不能真實地反映地層信息，且其中的數(shù)據(jù)點較少[4-6]。電纜測井可以克服隨鉆測井的缺點，但地層從被鉆開到測井這一過程中往往需耗時幾天甚至更長。若采用水基鉆井液，測井得到的信息是鉆井液污染后的地層信息[7-10]，直接利用測井資料計算得到的坍塌壓力只能反映污染后的地層情況。針對以上問題，在南海西部海域北部灣盆地烏石YQ油田某井取樣進(jìn)行研究，通過室內(nèi)試驗分析水基鉆井液對巖石理化特性的影響，最終獲得水基鉆井液對坍塌壓力的影響規(guī)律。

1 水基鉆井液對巖石理化性質(zhì)的影響

烏石YQ油田部分探井的鉆井資料表明，鉆井過程中坍塌掉塊、井壁垮塌現(xiàn)象突出。WZ組、LS組地層頻發(fā)遇阻，LS2段、LS3段部分井段出現(xiàn)嚴(yán)重擴(kuò)徑現(xiàn)象，擴(kuò)徑率高達(dá)60%。該油田井壁坍塌問題較嚴(yán)重，因此需開展鉆井液作用下的巖石理化性質(zhì)、坍塌壓力以及井壁失穩(wěn)研究。研究所用鉆井液為烏石YQ油田探井后續(xù)成熟的儲層段鉆井液，巖心樣本取自該油田某探井下。

1.1 水基鉆井液對巖石聲波時差的影響

分別測試巖浸泡鉆井液前后的聲波時差，研究鉆井液對巖石聲學(xué)特征的影響規(guī)律。巖心在浸泡鉆井液前后的聲波時差情況如圖1和表1所示?？梢钥闯觯@井液對地層巖石聲波時差產(chǎn)生的影響較明顯，浸泡鉆井液體系后LS2段、LS3段巖石聲波時差均呈上升趨勢，增幅可達(dá)10%，LS2段、LS3段巖石變化幅度無明顯差異。

圖1 浸泡鉆井液前后的巖石聲波時差

表1 浸泡前后聲波時差對比

1.2 水基鉆井液對巖石密度的影響

分別測試巖石浸泡鉆井液前后的巖石密度，研究鉆井液對巖石強度的影響。鉆井液浸泡前，LS2段、LS3段巖石密度均值為2.60 g/m3。浸泡后LS2段巖石密度均值相比浸泡前降低0.05 g/m3，浸泡后LS3段巖石密度均值相比浸泡前降低0.03 g/m3。浸泡鉆井液前后的巖石密度對比情況如圖2所示?？傮w上，鉆井液作用對巖石密度影響較小，LS3段和LS2段巖石浸泡鉆井液后密度降低幅度較小。

圖2 浸泡鉆井液前后的巖石密度

1.3 水基鉆井液對巖石電阻率的影響

分別測試巖石浸泡鉆井液前后的電阻率，研究鉆井液對巖石電學(xué)特征的影響程度。浸泡鉆井液前后巖樣電阻率對比情況如圖3所示。鉆井液作用對地層電阻率具有明顯影響，鉆井液作用后巖石電阻率呈下降的趨勢，下降幅度高達(dá)11%，LS2段、LS3段巖石電阻率下降幅度無明顯差異。

圖3 浸泡鉆井液前后的巖石電阻率

2 測井資料校正

通過室內(nèi)實驗，發(fā)現(xiàn)水基鉆井液與地層巖石作用會導(dǎo)致巖石理化性質(zhì)發(fā)生改變，包括聲波時差增大、電阻率降低、密度降低等等?，F(xiàn)場測井資料若探測到已被鉆井液污染的地層，其結(jié)果的準(zhǔn)確性必然也會受到影響。聲波時差是巖石力學(xué)參數(shù)計算及井壁穩(wěn)定分析的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。聲波時差受鉆井液影響程度明顯，因此需對聲波時差資料進(jìn)行去水化校正處理，才能得到受鉆井液污染前的原巖聲波時差資料。

現(xiàn)場測井往往同時分為深側(cè)向測井和淺側(cè)向測井。深側(cè)向測井反映了未受到鉆井液作用的原狀巖石電阻率，淺側(cè)向測井反映了井壁處受鉆井液影響的巖石電阻率。因此，在地層橫觀各向同性的前提下，深、淺側(cè)向電阻率的差值可以用來衡量鉆井液作用對地層的影響程度?；诖?，定義縱向剖面上的鉆井液作用強度系數(shù)，如式(1)所示：

(1)

式中：Ddr—— 鉆井液作用強度系數(shù)；

Rd—— 深側(cè)向電阻率值，Ω·m；

Rs—— 淺側(cè)向電阻率值，Ω·m。

統(tǒng)計該井取芯井深的深淺電阻率差異，并計算出鉆井液作用強度系數(shù)(見圖4)，擬合得到其與表1中浸泡前后聲波時差增量之間的關(guān)系，如式(2)所示：

Δt=506.60×Ddr

(2)

式中：Δt—— 聲波時差增量，μs/m。

圖4 聲波時差增量與鉆井液作用強度系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)公式(2)對聲波時差數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到處理后的原巖聲波時差曲線。A井處理前后聲波時差曲線如圖5所示。經(jīng)過校正后的原巖聲波時差小于實測聲波時差，其差值即水基鉆井液作用導(dǎo)致的巖石聲波時差增量。增加幅度大小表征了巖石水侵程度及強度降低程度的強弱，幅度越大，水基鉆井液影響就越大，巖石強度幅也越大。WZ2段、LS2段的整體聲波時差增加較顯著，LS3段增加幅度隨深度變化較大。

圖5 處理前后的聲波時差測井?dāng)?shù)據(jù)

3 坍塌壓力計算及失穩(wěn)風(fēng)險分析

3.1 坍塌壓力計算模型

井壁坍塌通常是由于井內(nèi)鉆井液密度較低、井筒內(nèi)壓力過小所致。依據(jù)Mohr — Coulomb準(zhǔn)則建立極限平衡條件，當(dāng)巖石發(fā)生剪切破壞時，剪切面上的剪力必須克服黏聚力和作用于剪切面上的內(nèi)摩擦力。據(jù)此導(dǎo)出直井鉆井過程中保持井壁穩(wěn)定所需的當(dāng)量泥漿密度下限[11-13]，如式(3)所示。

(3)

K=ctg(45-φ/2)

式中：ρmc—— 坍塌壓力當(dāng)量密度，g/cm3；

σH1—— 水平最大地應(yīng)力梯度，g/cm3；

σH2—— 水平最小地應(yīng)力梯度，g/cm3；

C—— 黏聚力，MPa；

α —— 有效應(yīng)力系數(shù)；

pp—— 孔隙壓力梯度，g/cm3；

φ—— 內(nèi)摩擦角，(°)；

H—— 垂深，m。

3.2 原狀地層坍塌壓力計算

基于處理后的原巖聲波時差，可計算得到鉆井液作用前的原狀地層坍塌壓力鉆井液作用前后地層的坍塌壓力差值即為坍塌壓力增量。該油田A井地層坍塌壓力計算結(jié)果如圖6所示。地層與鉆井液作用后坍塌壓力會不同程度增大，且坍塌壓力增大的情況多發(fā)生在泥質(zhì)含量高的井段。

圖6 鉆井液作用前后的坍塌壓力曲線

WZ2段地層坍塌壓力整體呈顯著增大的趨勢。WZ2段地層黏土礦物中以伊利石和伊蒙混層為主，伊蒙混層含量高達(dá)50.26%，巖石水化能力強。

LS2段、LS3段地層坍塌壓力增大與巖性直接相關(guān)，泥巖層坍塌壓力增幅較大，砂巖層坍塌壓力增幅較小。該層位泥頁巖宏觀層理、裂縫、微觀裂縫均發(fā)育較充分。在鉆井壓差和毛管力的作用下，鉆井液侵入地層，引起深部地層的水化反應(yīng)，同時可能誘發(fā)水力劈裂作用，從而導(dǎo)致地層坍塌壓力增加幅度較大。

從井壁穩(wěn)定性角度分析，認(rèn)為A井鉆井液作用后的地層坍塌壓力當(dāng)量密度大于鉆井液密度造成電測遇阻頻發(fā)，多處嚴(yán)重擴(kuò)徑，擴(kuò)徑率最高可達(dá)54.21%。因此，控制坍塌壓力增大幅度是減少井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵，其控制效果取決于鉆井液性能能否使地層保持原狀性質(zhì)。

WZ2段地層水化能力強導(dǎo)致的坍塌壓力大幅增加，表明該鉆井液體系不能很好地與地層相匹配，應(yīng)加強水化抑制性。對于LS2段、LS3段地層的維護(hù)，除了加強水化抑制性之外，還應(yīng)強化其封堵性能或泥餅質(zhì)量，防止鉆井過程中液相沿地層發(fā)育的裂縫和微裂紋侵入地層。對于不同地層，針對性地進(jìn)行封堵和水化抑制，選擇不同的鉆井液體系，是減少復(fù)雜井況的關(guān)鍵。

4 結(jié) 語

烏石YQ油田頻發(fā)井壁垮塌、擴(kuò)徑、卡鉆等復(fù)雜事故，坍塌壓力是井壁穩(wěn)定性研究的重點。通過室內(nèi)試驗研究，分析了鉆井液作用對巖石理化性能的直接影響。在此基礎(chǔ)上，提出了測井資料處理的方法，并開展了單井次坍塌壓力的計算及井壁穩(wěn)定性分析。分析認(rèn)為：

(1) 水基鉆井液與地層巖石作用導(dǎo)致巖石理化性質(zhì)發(fā)生改變，聲波時差受鉆井液影響程度明顯。

(2) 對聲波時差進(jìn)行去水化校正得到原狀地層聲波時差。鉆井液作用后，WZ2段、LS2段的地層聲波時差整體增加較顯著，LS3段的地層聲波時差增大幅度因深度差異而變大。

(3) 鉆井液作用后坍塌壓力均不同程度增大。WZ2段地層水化能力強導(dǎo)致坍塌壓力增大，對此應(yīng)加強水化抑制性。LS組地層坍塌壓力增加幅度與巖性相關(guān)，泥頁巖發(fā)育大量微裂縫，除了加強水化抑制性之外還應(yīng)強化其封堵性能或泥餅質(zhì)量。