三維建模在鉆井復(fù)雜工況中的應(yīng)用
——以福山油田HS 1x井為例

王 旭 付 甜 李 特 廖宇春 王 娜 李 晨

(①中國(guó)石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國(guó)石油渤海鉆探油氣合作分公司；③中國(guó)石油南方石油勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司)

0 引 言

福山凹陷位于海南省北部，是北部灣盆地中次級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元凹陷的陸上部分，細(xì)分為五個(gè)次一級(jí)的構(gòu)造單元：白蓮次凹、花場(chǎng)次凸、皇桐次凹、博厚斷階帶和南部斜坡帶。地層分層依次為第四系平原組，上第三系望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組，下第三系潿洲組、流沙港組、長(zhǎng)流組。福山油田花場(chǎng)地區(qū)下第三系流沙港組地層以泥巖為主，由于泥巖水化膨脹，導(dǎo)致該地層井壁穩(wěn)定性差，井徑擴(kuò)大比較嚴(yán)重，地層在鉆井過(guò)程中易產(chǎn)生掉塊、垮塌，造成卡鉆、起下鉆遇阻等復(fù)雜工況，特別是流沙港組二段地層，巨厚層泥巖發(fā)育，表現(xiàn)為硬、脆、碎、易剝落掉塊、垮塌[1-2]。

HS 1x井位于福山凹陷花場(chǎng)構(gòu)造HS 1x斷鼻高部位，目的層為流沙港組三段，其上部流二段巖性以巨厚層狀褐灰色泥巖為主，間夾兩套厚層狀灰黑色玄武巖，流二段設(shè)計(jì)厚度為833 m。該井于2017年12月20日開(kāi)鉆，2018年4月11日四開(kāi)鉆至5 207 m(流二段)時(shí)，因井壁垮塌無(wú)法下步施工于4 665 m回填側(cè)鉆，當(dāng)鉆至5 212 m(流二段)時(shí)井壁再次垮塌，2018年6月9日于4 295 m回填側(cè)鉆，鉆至5 002 m(流二段)時(shí)井壁再次垮塌。經(jīng)與福山油田協(xié)商，在目的層段加層技術(shù)套管封固大套泥巖段，該井由四開(kāi)井變更為五開(kāi)井。2018年8月24日至9月10日于4 275 m回填側(cè)鉆至5 203 m四開(kāi)中完，2018年11月14日到30日五開(kāi)至5 580 m完鉆。

為了解決鉆井復(fù)雜工況等難題，通過(guò)原因分析，應(yīng)用地質(zhì)錄井、X射線熒光(XRF)元素分析、X射線衍射(XRD)全巖分析、測(cè)井、地震等相關(guān)資料建立地層三維模型、元素三維模型，計(jì)算鉆井最佳井斜角、方位角，并預(yù)測(cè)出地層穩(wěn)定性較差層段，為后續(xù)鉆井正常施工、鉆井提速提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 復(fù)雜工況原因分析

造成井下復(fù)雜工況的實(shí)質(zhì)是力學(xué)的不穩(wěn)定。當(dāng)井壁巖石所受的應(yīng)力超過(guò)其本身的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生井壁失穩(wěn)，其原因主要?dú)w納為力學(xué)因素、物理化學(xué)因素和鉆井施工的影響三個(gè)方面。

1.1 力學(xué)因素

當(dāng)鉆井液密度過(guò)高，井底壓力大于地層破裂壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生井漏；當(dāng)鉆井液密度降低，超過(guò)巖石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生剪切破壞，表現(xiàn)為脆性地層發(fā)生坍塌，塑性地層發(fā)生變形，造成縮徑。鉆井過(guò)程中為保持井壁穩(wěn)定，必須做到鉆井液液柱壓力大于地層坍塌壓力，小于地層破裂壓力[3-4]。一般來(lái)講，井眼軌跡與地層層理走向?qū)诘姆€(wěn)定性有著重要的影響，普遍認(rèn)為井眼和層理法線面的夾角越小，井壁越穩(wěn)定，夾角越大越危險(xiǎn)。為此，進(jìn)行地層三維建模，可以快速厘清地層與鉆井井眼軌跡之間的關(guān)系。

1.2 物理化學(xué)因素

對(duì)井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要是地層中所含的黏土礦物成分。當(dāng)?shù)貙颖汇@開(kāi)后，鉆井液濾液進(jìn)入地層，引起地層中黏土礦物水化膨脹，導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。地層中所含黏土礦物不同，其水化膨脹程度不同，黏土礦物的膨脹能力的順序?yàn)椋好稍硎?伊蒙間礦物>伊利石>高嶺石>綠泥石[3]，地層中含有石膏遇水也會(huì)發(fā)生膨脹[3-4]。針對(duì)物理化學(xué)因素影響，本文對(duì)地層巖屑進(jìn)行X射線熒光(XRF)元素分析、X射線衍射(XRD)全巖分析，進(jìn)而建立元素三維模型，預(yù)測(cè)下部地層的巖石特性以及地層的抗壓性強(qiáng)弱。

1.3 鉆井施工的影響

起下鉆速度過(guò)快、鉆井液靜切力過(guò)大、開(kāi)泵過(guò)猛、鉆頭泥包、抽吸作用等原因，造成鉆井液作用于井壁的壓力降低，以及井漏、井噴等造成鉆井液液柱壓力降低引起井壁失穩(wěn)；鉆井液環(huán)空返速過(guò)高，沖刷都會(huì)造成井壁失穩(wěn)；井身質(zhì)量不好，導(dǎo)致應(yīng)力集中會(huì)加劇井塌的發(fā)生，尤其在易塌地層，轉(zhuǎn)速過(guò)高，鉆具劇烈碰擊井壁都會(huì)加速垮塌[5]。

2 地層三維建模

對(duì)福山油田花場(chǎng)地區(qū)近兩年完鉆井進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)各井在流二段地層普遍存在井壁垮塌現(xiàn)象，井徑擴(kuò)大率最高達(dá)到63%，主要的事故類型為起下鉆遇阻、電測(cè)遇阻，處理井漏和循環(huán)遇阻。為此建立地層三維模型，分析出最佳軌跡，從而防止復(fù)雜工況的發(fā)生。

根據(jù)HS 1x井區(qū)鄰井地層分層建立流二段頂-流二段底層面三維構(gòu)造圖，可以測(cè)量出流二段的地層傾角約為9.6°，地層傾向?yàn)楸睎|方向(圖1)。受制于流二段擴(kuò)徑與較大的井斜角影響僅在流三段進(jìn)行了地層傾角測(cè)井并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，地層傾向主要為北偏東，地層傾角為9°，地層呈東西走向(圖2、圖3)。

圖1 HS 1x井區(qū)流二段頂面構(gòu)造圖

圖2 HS 1x井地層傾角走向

圖3 HS 1x井地層傾向

結(jié)合井震資料快速建立HS 1x井區(qū)流二、流三段地層三維建模，可直觀了解HS 1x井以及鄰井井軌跡與地層之間的關(guān)系(圖4)。流二段與流三段為整合接觸，所以整體地層形態(tài)基本確定。已知井眼軌跡與地層層理走向?qū)诘姆€(wěn)定性有著重要的影響，普遍認(rèn)為井眼和層理法線面的夾角越小，井壁越穩(wěn)定，夾角越大越危險(xiǎn)。因此垂直層理面鉆進(jìn)是最安全的鉆井方位，平行于層理面的方向是最危險(xiǎn)的鉆井方向[6]。

圖4 HS 1x井區(qū)流二段、流三段地層三維建模

在確定花場(chǎng)地區(qū)流二段、流三段地層整體構(gòu)造情況后，結(jié)合各井軌跡數(shù)據(jù)與井壁質(zhì)量、遇阻情況可以發(fā)現(xiàn)存在一定規(guī)律。 H 1-7x井(原)與HS 1x井前三各井眼均因井壁垮塌嚴(yán)重導(dǎo)致后續(xù)無(wú)法正常鉆井，被迫填眼側(cè)鉆。H 1-7x井(原)設(shè)計(jì)井身軌跡如圖5a所示，HS 1x井(一眼)設(shè)計(jì)井身軌跡如圖5b所示，HS 1x井(三眼)設(shè)計(jì)井身軌跡如圖5c所示。其井身在流二段地層均為大角度的穩(wěn)斜階段，井斜角在30°及以上，方位角也與地層傾向一致，井軌跡與地法線向夾角為40°～50°。

H 1-10x井(原)設(shè)計(jì)井身軌跡如圖5d所示。H 1-10x井在進(jìn)入流二段后開(kāi)始降斜，井段3 068～3 381 m段緩慢降斜，井斜角基本上在20°以上，從井徑曲線上也能看出井壁質(zhì)量較差。流二段底部到流三段井斜降至10°以下，擴(kuò)徑現(xiàn)象明顯改善。

H 1-7x井設(shè)計(jì)井身軌跡如圖5e所示，H 7-11x井設(shè)計(jì)井身軌跡如圖5f所示。H 1-7x、H 7-11x井軌跡在流二段底部均調(diào)整井斜與地法線呈10°左右鉆進(jìn)過(guò)程中井身質(zhì)量整體良好。

HS 1x井(四眼)設(shè)計(jì)井身軌跡如圖5g所示。HS 1x井(四眼)在進(jìn)入流二段后井斜角迅速降低，到井底基本保持直井狀態(tài)。雖然方位角與地層傾向一致，但井軌跡與地層法線夾角保持在10°～20°，反映在井徑曲線上井身質(zhì)量較好，起下鉆與電測(cè)過(guò)程無(wú)遇阻現(xiàn)象。HS 1x井最佳井斜方位角應(yīng)該在135°～315°之間，造斜點(diǎn)與穩(wěn)斜段在流二段地層之上，在進(jìn)入流二段后保證井斜角在10°左右。

圖5 H 1-7x井(原)-HS 1x井(四眼)井身軌跡

3 元素三維建模

3.1 XRD全巖分析

X射線衍射(XRD)全巖分析技術(shù)是以巖屑、壁心、巖心為檢測(cè)對(duì)象，通過(guò)測(cè)量其反射X射線的角度和強(qiáng)度，對(duì)比樣品數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行巖石礦物成分鑒別的錄井方法。X射線衍射全巖分析基本原理是根據(jù)晶體礦物在X射線下的特殊衍射效應(yīng)來(lái)判斷巖樣中晶體礦物的組成及其相應(yīng)含量[7]。因?yàn)椴煌木w衍射出峰的位置不同，其峰值大小不同；檢測(cè)巖石中礦物含量，分析周期7～17 min，通過(guò)XRD全巖分析，確定地層脆性礦物含量。

利用XRD全巖分析技術(shù)對(duì)所鉆地層泥巖進(jìn)行礦物分析，通過(guò)石英與黏土礦物的含量來(lái)判斷地層的穩(wěn)定性。通過(guò)HS 1x井石英含量、黏土礦物含量變化情況與井徑交會(huì)圖能夠看出基本滿足線性關(guān)系，分析表明擴(kuò)徑現(xiàn)象均發(fā)生在低石英含量井段中(圖6、圖7)。

圖6 石英含量與井徑交會(huì)圖

圖7 黏土礦物含量與井徑交會(huì)圖

3.2 XRF元素分析及元素三維建模

X射線熒光元素分析技術(shù)簡(jiǎn)稱XRF，是以巖屑、壁心、巖心為檢測(cè)對(duì)象，由于不同元素產(chǎn)生的X射線熒光具有不同的能量與波長(zhǎng)，從而確定檢測(cè)物質(zhì)的元素種類與數(shù)量組成的錄井方法。利用XRF分析技術(shù)測(cè)得樣品的化學(xué)元素組成(只能分析出陽(yáng)離子)[8]，將測(cè)試結(jié)果與已知的各類巖性的化學(xué)元素組成比較，通過(guò)多井大量的實(shí)驗(yàn)歸納，參照其他手段(如測(cè)井結(jié)果)進(jìn)行地層趨勢(shì)對(duì)比，從而得到該地區(qū)的元素分布模板，由元素反推到礦物成分，相對(duì)得出樣品的巖性。

利用XRF元素分析技術(shù)對(duì)HS 1x井三個(gè)井眼及周?chē)従刭Y料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，Si元素含量可以表征石英、長(zhǎng)石、云母等碎屑礦物含量，石英含量越高Si元素含量越高(圖8)；Si元素含量和井徑有一定關(guān)聯(lián)，即井徑擴(kuò)徑主要集中在Si含量較低井段(圖9)，即Si元素含量越低，井壁越不穩(wěn)定。

圖8 Si元素含量與石英礦物交會(huì)圖

圖9 Si元素與井徑關(guān)系圖

圖10 花場(chǎng)地區(qū)流二段、流三段Si元素三維建模

本文利用XRF元素分析技術(shù)快速建立了HS 1x井地區(qū)Si元素三維模型(圖10)。建立模型后可建立正鉆井與已完鉆井的連井元素屬性剖面、正鉆井沿井軌跡屬性剖面、沿井軌跡數(shù)據(jù)體等，進(jìn)而預(yù)測(cè)下部地層的巖石特性，地層的抗壓性強(qiáng)弱，可在鉆井前對(duì)整個(gè)地層穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)?？梢钥闯鯤S 1x井流二段底部Si元素含量較低，這可能是HS 1x井前三井眼井壁失穩(wěn)的因素之一，而HS 1x井(四眼)在流二段降斜后Si元素含量升高，泥質(zhì)含量減少，擴(kuò)徑現(xiàn)象隨之改善。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合井震資料快速建立HS 1x井區(qū)流二段、流三段地層三維建模，通過(guò)快速地層三維建模，直觀了解HS 1x井以及鄰井井軌跡與地層之間的關(guān)系。結(jié)合鄰井軌跡數(shù)據(jù)與井壁質(zhì)量、遇阻情況，快速分析出本井有利方位和井斜角。

(2)XRD全巖分析技術(shù)、XRF元素分析技術(shù)對(duì)本井泥質(zhì)含量分析以及地質(zhì)建模分析起到重要作用。分析表明擴(kuò)徑現(xiàn)象均發(fā)生在低石英含量井段中。利用XRF元素分析技術(shù)快速建立HS 1x井區(qū)Si元素三維模型，然后可建立正鉆井與已完鉆井的連井元素屬性剖面、正鉆井沿井軌跡屬性剖面、沿井軌跡數(shù)據(jù)體等，進(jìn)而預(yù)測(cè)下部地層的巖石特性、地層的抗壓性強(qiáng)弱，可在鉆井前對(duì)整個(gè)地層穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3)建議進(jìn)一步豐富復(fù)雜工況地區(qū)XRD全巖分析、XRF元素分析資料，深入分析出鉆井過(guò)程中容易發(fā)生遇阻、遇卡、井漏等復(fù)雜工況區(qū)域，并提前做出預(yù)報(bào)。