花场、朝阳区块流沙港组井壁稳定性研究-凯发娱乐官网

1. 引言

井壁稳定问题即在钻井过程中，由于井筒周围应力状态发生变化，导致井壁应力集中，而井内没有能够支撑井壁稳定的液柱压力，从而引发井壁失稳。对于泥页岩地层，受构造运动影响，断层发育，会形成层间裂隙和微裂隙，表现出明显的各向异性，各向异性较强时，要考虑各向异性对坍塌压力的影响 。断层可视为弱结构面，在断层发育地层，弱层理面是井壁稳定的主控因素。国外学者jaeger最先提出单弱面模型，对泥页岩地层进行井壁稳定性分析。m. a. shaver等通过实验分析了沿弱面不同角度测定对强度的影响。dayal parkash等采用弱面模型和hoek-brown准则，用一组不同弱面倾角的单轴压缩试验和一个三轴试验来分析opalinus粘土中的井壁稳定性。丁乙等在应力卸载–水化协同作用下对页岩井壁稳定性进行分析。王庆建立了地层坍塌及破裂压力不确定性定量描述方法，基于不确定度理论建立了ecd不确定性定量表征方法。

本次研究的花场、朝阳区块位于福山凹陷内，构造活动强烈，区块内流沙港组地层断层切割地层，层间裂隙和微裂隙发育，井下复杂事故的统计表明，由于井壁失稳引起的卡钻、坍塌问题显著，易引发井下复杂事故。本次研究主要针对区块内断层和层间裂隙发育的问题，分析井壁失稳机理，采用弱面模型，建立四压力剖面，以朝15x井为例进行井壁稳定性分析。

2. 地质工程背景

花场、朝阳区块位于海南省北部北部湾盆地福山凹陷构造单元，福山凹陷是一个呈北断南超的箕状凹陷。由于古近系沉积期间构造活动强烈，流三段凹陷断层活动剧烈，至流一段凹陷断层活动减弱。此期间所形成断层均为正断层，与地层之间为反向断层。

花场、朝阳等区块钻遇流沙港组时，发生的井下复杂情况与事故情况见，流沙港组井塌以流二段泥岩、流三段与流一段底部泥岩最为严重，多井发生扩径或缩径。

table 1. underground complex/accident of liushagang formation in fushan depression from 2015 to 2022

表1. 福山凹陷2015年~2022年流沙港组井下复杂/事故

花场、朝阳等区块钻遇流沙港组时，发生的井下复杂情况与事故情况见，流沙港组井塌以流二段泥岩、流三段与流一段底部泥岩最为严重，多井发生扩径或缩径。

3. 流沙港组井壁失稳机理分析

3.1. 流沙港组井壁失稳特点

福山凹陷流沙港组特殊的地层特性，决定在钻进该组地层时会发生井壁失稳等复杂情况，如井塌、起下钻阻卡、卡钻、测井遇阻卡等井下复杂情况/事故。流沙港组所发生的井壁失稳具有以下特点：

1) 流沙港组井塌以流二段泥岩、流三段与流一段底部泥岩最为严重；

2) 流沙港组井壁失稳造成井径扩大，且多口井还存在严重的缩径情况。

从双井径测井结果来看，井壁失稳具有以下几种类型：

第一类：长短轴均为扩大，长轴扩径严重，短轴扩径稍小些，例如朝14x井，见。

第二类：长轴井径扩大，短轴缩径，见朝7-1x井径。

第三类：流沙港组大段缩径，见朝10x流沙港组井径。

figure 1. borehole diameter of liushagang formation in well chao14x (a), chao 7-1x (b), chao 10x (c)

图1. 朝14x (a)、朝7-1x (b)、朝10x (c)井流沙港组井径

3) 流沙港组井壁失稳可归纳为两种类型：第一类为钻井过程发生井塌，塌块被钻井液带至地面，起下钻正常，从井径图中明显见到井径扩大或缩径，此类井约占90%。第二类为钻井过程井下情况正常，起钻/短起或下钻/短下时发生见卡钻，见；从表中可见，起下钻阻卡划眼85.7%井发生在下钻，14.3%井发生在起钻/短起钻。

table 2. sticking situation of liushagang formation in fushan depression

表2. 福山凹陷流沙港组卡钻情况

4) 平行于断层的井较斜交断层的井更容易坍塌，朝阳构造起下钻发生严重阻卡划眼的井，100%发生在平行断层钻进井段。井塌严重程度随井眼离断层距离缩小而增大。

5) 井壁失稳严重程度，随井眼轨迹中心线与断层相交夹角减小而增加，随与地层法线夹角增大而增加。

6) 各井井壁失稳具有明显的时间相关性，短时间之内并不会发生井壁坍塌，坍塌主要发生在井眼钻开一段时间后的起下钻、短起下钻、遇阻卡划眼和倒划眼过程中。

7) 流沙港组井壁稳定性与钻井液密度、封堵性、泥饼质量、起下钻/短起下钻时间密切相关。

3.2. 井壁失稳机理分析

结合流沙港组地层特性，对钻井过程中井壁失稳情况、井径曲线等资料分析，对流沙港组井壁失稳初步得出以下初步认识：

1) 沿层面剪切滑移引起缩径与划眼/倒划眼过程中造成的坍塌是造成流沙港组井壁失稳的地质原因。

2) 钻井液滤液沿流沙港组层理裂隙进入近井筒引起孔隙压力增高及岩石强度下降，井眼缩径会进一步增大；且由于钻井液密度增加造成的压差增大会扩大钻井液的侵入波及范围，增加井眼的缩径量，划眼/倒划眼过程中导致地层坍塌。

3) 断层切割地层，在断层附近的地层形成两组裂隙、微裂隙–层间滑移缝和断层诱导缝，导致地层呈块状构造，井眼和两组微裂隙的几何关系会严重影响井壁的稳定性，甚至出现大的地层块体滑移进入井眼的情况，引发严重井塌。

例如花11-5x井钻至3635.66 m~3789.98 m流二段。钻遇断层()，发生严重井塌，二次填井侧钻，均在相同深度发生井塌。处理井塌过程中。采用特殊可钻取塌块的打捞工具，取出塌块，最大为尺寸为：140 mm × 100 mm × 110 mm。证实是断层地层块体滑移的岩石，见。

figure 2. the structural reservoir profile of hua 11-5x well track (design)

图2. 过花11-5x井井轨迹构造油藏剖面图(设计)

figure 3. cavings formation well of hua 11-5x

图3. 花11-5x井塌块

由于该区块断层较多，在本次研究中将断层看成弱面进行分析，与常规井壁稳定性分析相比，除了分析地层基质的稳定性，还要从弱面的角度进行稳定性分析。

3.3. 断层对井壁稳定的影响

受断层扰动影响，对断层周边地层带来以下影响：

1) 断层周边地应力大小和方向较为复杂，地应力方向会不同程度偏移区域地应力方向。

2) 断层周边地层裂隙发育，出现大量裂缝、镜面擦痕滑动面。流一段和流二段是塑性滑移带，地层自身塑性强，构造运动诱导岩石沿层面剪切滑移导致地层的完整性差，层间裂隙和微裂隙发育，地层力学性质表现出各向异性。

福山凹陷断层发育，断层切割地层，在断层附近的地层形成两组裂隙和微裂隙-层间滑移缝和断层诱导缝，导致地层成块状构造，见。

figure 4. core photo of liu2 formation in yong24x well

图4. 永24x井流二段岩心照片

3) 断层附近地层强度下降，地层坍塌压力升高，据孟召平等研究，正断层上盘断层附近地层受到的扰动明显，随地层距断层距离缩小，裂隙率升高，地层强度降低，裂隙宽度向断层方向逐渐扩大。正断层上盘地层中裂隙率发育程度明显高于下盘，一般平均高一倍左右。平行于断层面钻井的情况下，井眼越靠近断层，地层强度受的扰动越大，越容易发生失稳，另外，由于不同区块不同局部构造断层的断距差异巨大，断距大，断层的扰动的横向影响范围广。

4) 断层附近岩石地层倾角大。由于研究区域正断层及其发育，且断层的断距大，断层面摩擦力对上盘地层产生向上的拖曳力，对下盘地层产生向下的拖曳力，导致断层附近岩石地层倾角大，断层的扰动作用强烈。

4. 四压力计算模型

4.1. 井周应力分析

令σ v 为上覆地应力，σ h 和σ h 为水平向的两个主地应力。选取坐标系(1, 2, 3)分别与主地应力σ h ，σ h ，σ z 方向一致。为了方便起见，建立直角坐标系(x, y, z)和柱坐标系(r,θ,z )，其中oz轴对应于井轴，ox和oy位于与井轴垂直的平面之中。为了建立(x, y, z)坐标与(1, 2, 3)坐标之间的转换关系，将(1, 2, 3)坐标按以下方式旋转(如所示)。

figure 5. inclined shaft axis coordinate transformation

图5. 斜井井轴坐标变换

4.2. 井壁稳定性的判定准则

考虑到流一段、流二段泥岩构造运动过程中产生的沿层面剪切滑移导致的地层弱面发育，与常规井壁稳定性分析相比，除了分析地层基质的稳定性，还要分析弱面的稳定性，对于岩石基质，保持井壁稳定需要井周应力满足下式：

σ 1 − σ 3 = c 0 2 σ 3 tanφ tan 2 φ 1 −tanφ

式中，σ 1 ，σ 3 为井壁上的最大和最小有效主应力，φ 为岩石基体的内摩擦角，c 0 为岩石基体的单轴抗压强度。

若地层沿弱面破坏，则满足下式：

σ 1 − σ 3 = 2( τ ′ 0 − σ 3 tan ϕ ′ ) tan ϕ ′ ( 1−cos2β )−sin2β

式中，τ 0 、φ 为弱面的粘聚力和摩擦角，β 为弱面与σ 1 之间的夹角，其大小与井眼轴线和弱面法向之间的夹角密切相关。

由于研究区块弱面主要是由构造运动过程中塑性软泥岩沿层面滑移形成的，虽然在构造运动后的地质过程中，剪切面要经历压实、胶结过程，但弱面的胶结强度很低，本研究中忽略层理面粘聚力的影响，假定层理面粘聚力等于0，内摩擦角近似等于岩石基体内摩擦角，对井眼钻开后的井周地层的力学稳定性进行分析。

流沙港组不同井钻遇的垂深差异巨大，且受断层、地层倾角、井眼轨迹、层理裂隙发育情况等因素综合控制。而福山凹陷所钻每一口井的上述因素差异较大，因而福山凹陷所钻的井安全钻井液密度窗口需单井单做，且需要细致精准的地质参数。

精准的确定安全钻井液密度窗口需在确定流一段、流二段、流三段塑性滑移带剪切滑移面力学性质的基础上考虑塑性滑移面产状参数、断层产状参数与井眼轨迹之间的几何关系，目前这些参数还不具备，特别是断层对其附近地层力学性质的影响程度的定量评价。

5. 实钻案例分析

以朝15x井为例，分析井壁失稳原因。朝15x井主要复杂发生在流一段3亚段。第一次井深2708 m，短起下钻至2665 m，因井塌而遇阻划眼至井底。第二次井深3006 m，起钻过程中井塌，下钻至2810 m遇阻划眼至2924 m，提前完钻。

井塌的主要原因可能为：1) 井眼轴线与层理面之间的夹角，随井深逐渐增大，进入流一段3亚段后很可能到达了产生沿层理面剪切滑移的临界值，见；2) 随着井深增加，井眼与断层面之间的间距越来越低，井眼很可能进入了断层扰动区；3) 钻井液密度1.3 g/cm³，低于地层坍塌压力系数(1.40~1.45)，不足以防止地层剪切位移，见；4) 钻井液的封堵性不足，钻井液沿层间裂缝面侵入，减低了层间裂缝面上的正应力和摩擦系数，加剧了井塌。

6. 结论

1) 花场、朝阳区块地层失稳的主要原因：断层处沿弱面剪切滑移；钻井液沿层理裂隙侵入，使得地层强度降低。

2) 平行于断层的井较斜交断层的井更容易坍塌；井眼轨迹中心线与断层之间的夹角与井壁失稳程度呈负相关。

figure 6. the structural reservoir profile of guochao 15x well track

图6. 过朝15x井井轨迹构造油藏剖面图

figure 7. formation pressure profile and borehole diameter of well chao15x

图7. 朝15x井地层压力剖面与井径

3) 钻井液性能对井壁稳定至关重要。合适的钻井液密度能防止地层剪切位移；钻井液的封堵性不足，会导致钻井液沿层间裂缝面侵入，加剧井塌。

参考文献