川西須家河組地層井壁穩定性測井評價

陳俊，徐炳高，何傳亮，周懷容

（1.中國石化集團西南石油局測井公司，四川 成都 610100；2.長江大學，湖北 武漢 430100）

0 引 言

川西須家河組具有巨大的天然氣產能潛力，是川西地區重要的天然氣勘探開發層位。由于川西須家河組工程地質條件復雜，巖石物理性質縱橫向變化較大，很難確定合理的鉆井液密度，鉆進過程中，經常發生泥漿密度使用不合理導致井壁失穩現象。鑒于這種情況，本文在對川西須家河組井壁失穩原因進行分析基礎上，確定了合理的安全泥漿密度窗口，并提出了相應的對策，有效地指導了鉆井工程設計。

1 川西須家河組地層井壁失穩現象

對川西鉆遇須家河組地層的深井鉆井井壁失穩復雜情況進行統計發現，該組井壁失穩現象主要有卡、塌、漏、噴／溢流／井涌等。其中井漏比例達到58%，主要發生在須四段和須二段裂縫發育段；井涌／溢流比例達到21%，主要發生在須五段、須四段及須二段的裂縫性儲層段；井壁坍塌則主要發生在須五段和須三段的泥頁巖地層中［1］。

統計顯示，井漏及井涌是川西須家河組發生最多的井壁失穩現象。這些井壁失穩現象給鉆井、測井等工程施工帶來了很大風險，也造成經濟損失。

2 井壁失穩影響因素分析

2.1 井漏影響因素分析

發生井漏須具備3個條件：①地層中存在能使鉆井液流動的漏失通道，如孔隙、裂縫或溶洞；②存在能使鉆井液發生流動的正壓差；③存在能容納鉆井液的體積空間。因此，根據測井資料及三壓力梯度剖面的變化特征，較容易發現井漏位置并分析影響因素［2］。

裂縫性漏失根據成因可細分為天然裂縫性漏失和重鉆井液壓裂性漏失［3］。在天然裂縫中，當開啟裂縫中鉆井液柱壓力大于地層壓力時會發生漏失；如果天然裂縫是閉合的，當鉆井液柱壓力大于裂縫開啟壓力時也會發生鉆井液漏失；由于在裂縫性地層里不容易形成泥餅，故鉆井液很可能持續漏失，漏失量也較大，如須二及須四下亞段裂縫性儲層漏失則屬此類型。對于致密地層，當鉆井液密度大于地層破裂壓力時可能發生巖石拉伸破壞，在井壁上產生壓裂縫并導致鉆井液漏失；在高地層壓力井段為平衡地層壓力普遍采用高比重鉆井液，則易發生該類漏失。

圖1為××1井須四段3 775～3 802 m測井處理成果圖。該段使用鉆井液密度為2.34～2.38 g／cm3，在3 790.0～3 792.0 m井段出現裂縫，發生鉆井液漏失。測井處理成果表明，該段砂巖上發育的裂縫在電成像上呈對稱分布，為壓裂縫；據測井資料計算的地層破裂壓力當量泥漿密度約為2.30 g／cm3，實際鉆井液密度高于該值，由于井壁應力不平衡導致地層被壓裂而發生重鉆井液裂縫性漏失。

2.2 井壁坍塌影響因素

應力性垮塌直接受到井壁地層應力狀況的控制，不受巖性的局限，只要應力非平衡性達到一定程度就發生巖石的剪切破壞，造成井壁應力性垮塌。因此，各井段都可能發生應力性垮塌，且垮塌井段較長，常稱之為井壁崩落［4］?？逅鷮︺@井工程的危害很大，嚴重的垮塌甚至可能導致鉆具及測井儀器遇卡。在須家河組，泥頁巖坍塌壓力較高，因此發生該類現象較頻繁，尤其以須三和須五段最嚴重。

圖2為××2井須家河組4 735～4 775 m井段測井處理成果圖及該段成像測井井壁立體及剖面圖。計算地層壓力梯度為1.2～1.3、坍塌壓力梯度約為1.78、破裂壓力梯度平均約為1.80。實鉆采用的鉆井液密度為1.34 g／cm3，該值明顯小于井壁坍塌壓力梯度，井壁應力不平衡而導致井眼坍塌及崩落發生。該井段井壁非常不規則，崩落方向北東—南西向，其地層應力方向為北西西—南東東，與上部地層應力方向存在一定差異，最大水平主應力方位角約130°左右。分析造成該井壁坍塌崩落失穩的主要原因在于縱向上巖性復雜多變（該地層巖性為砂泥巖夾部分薄煤層），它們具有不同的巖石力學性質，三壓力梯度各不相同，給選擇鉆井液密度帶來了困難。

圖1 ××1井3 775～3 802 m測井處理成果圖（壓裂縫）

圖2 ××2井須家河組4 735～4 775 m測井處理成果圖及成像處理成果圖（崩落）

2.3 溢流／井涌／井噴影響因素分析

川西須家河組須五－須三段屬高壓異常帶，其地層壓力梯度為1.4～2.0 MPa／100 m；須二段屬降壓過渡帶，其地層壓力梯度為1.55～1.58 MPa／100 m。在須二段及須四段由于鉆井液柱壓力低于地層孔隙壓力較易導致溢流／井涌／井噴。

2.4 遇卡影響因素分析

引起卡鉆的原因是多方面的，可能與鉆井液密度不匹配、井身結構不合理及鉆井新工藝的適用性等有關。從測井的角度分析，在川西須家河組須五和三段地層的泥頁巖并夾薄煤層地層，由于泥頁巖水敏性強且易水化膨脹，因此在鉆井過程中易發生井徑坍塌及縮徑，引起卡鉆或出現鉆頭泥包等井下復雜情況。此外，氣體鉆井在鉆遇水層時也可能發生卡鉆。

以上分析表明，鉆井井壁失穩情況復雜，但其最基本的原因在于鉆井中泥漿密度使用不合理，鉆開地層后在井眼周圍形成應力集中，鉆井液性能不足以有效平衡井壁應力而引發井壁失穩。因此，要有效提高鉆井施工效率，減少鉆井工程事故，必須搞清楚區域工程地質特征，確定出合理的安全泥漿密度窗口［5］。

3 川西須家河組地層安全鉆井液密度窗口的確定

鉆井液密度窗口包括4個臨界值：孔隙壓力梯度、崩落壓力梯度、最小水平主應力梯度及破裂壓力梯度。其中，孔隙壓力和最小水平主應力之間是水力安全鉆井液密度窗口，而坍塌壓力和破裂壓力之間是力學穩定鉆井液密度窗口。因此，理想的鉆井液密度應該高于地層的孔隙壓力和坍塌壓力，小于地層的最小水平主應力和破裂壓力［6］。

3.1 巖石力學參數計算

利用偶極聲波測井資料提供的縱、橫波時差，結合常規測井資料可以得到井壁穩定性分析需要的泊松比、剪切模量、彈性模量、有效應力系數和巖石強度等參數［7］。在鉆井工程中應用的是靜態彈性參數，為便于應用需將測井計算的動態彈性參數轉換為靜態彈性參數。

動靜彈性參數轉換關系多種多樣，普遍表現為彈性模量轉換關系較好，泊松比轉換關系較差。研究發現，泊松比與圍壓的變化關系密切，因此在轉換模型中充分考慮圍壓因素，得到動靜彈性參數轉換關系為

式中，Us為靜態泊松比；Ud為動態泊松比；W為圍壓，MPa。

式中，Es為靜態彈性模量，GPa；Ed為動態彈性模量，GPa。

3.2 地層應力計算

基于所計算的巖石力學參數，結合常規測井資料可以得到地層的最大、最小水平主應力及垂向應力。在眾多求取地層應力大小的模型中，綜合考慮選用黃氏模型。

式中，σH、σh、σv分別為最大水平主應力、最小水平主應力和垂向應力；β1、β2分別為最小和最大水平主應力的構造應力系數；pp為地層壓力；α為畢奧特系數。

根據實測地層應力反演了構造應力系數。通過對破裂壓力試驗資料進綜合分析，確定在川西須家河組黃氏模型中β1的取值范圍一般在0.33～0.6之間；β2的取值范圍一般在1.2～1.8之間。

3.3 三壓力計算

3.3.1 地層壓力

測井預測地層孔隙壓力是建立在泥巖壓實理論的基礎上，較成熟的方法有等效深度法和伊頓法等。由于測井資料提供的巖石物理參數與孔隙度有關，因此其地層壓力計算關鍵在于求準泥巖正常壓實趨勢線。

根據川西地區的測試資料代入伊頓法公式反演壓實指數C，發現C不是一個固定的數值。它隨深度變化而具有逐漸增大的趨勢，與反映地層特征的聲波時差曲線的關系則較好。由此建立川西須家河組的伊頓法預測地層孔隙壓力模型為

式中，σv為垂向應力；σw為地層水靜液柱壓力；C為壓實指數；Δt為實測聲波時差，μs／ft；Δtn為壓實趨勢線上的聲波時差，μs／ft。

3.3.2 坍塌壓力

在井壁穩定性研究中，常用的巖石力學剪切破壞準則有Mohr－Coulomb準則和Drucker－Prager準則，對于直井一般采用前者。同時考慮到在某些情況下Mohr－Coulomb準則與實際情況的差異，在一些文獻提出了改進的模型，加入了一個修正系數n（0.9～0.95），地層的坍塌壓力計算模型為

式中，pc為坍塌壓力，MPa；Co為內聚力，MPa；pp為地層壓力，MPa。

3.3.3 破裂壓力

利用水力壓裂方法確定的破裂壓力結合巖石力學參數，建立了利用測井資料估算川西須家河組地層破裂壓力的模型。

式中，σh為最小水平主應力，MPa；σH為最大水平主應力，MPa；pp為地層壓力，MPa；pr為重張壓力，MPa；pA為裂縫的閉合壓力，MPa；St為巖石的抗張強度，MPa。

研究發現，川西須家河組地層三壓力及其梯度在縱橫向上均有一定差異，在使用時須分區分層位選用。表2為川西須家河組地層三壓力參數變化的大致范圍及均值統計表。

3.4 鉆井液安全密度窗口的確定

根據上述分析，建立了川西地區鉆井液密度安全窗口的測井計算模型

式中，ρmax為最大鉆井液密度，g／cm3；ρmin為最小鉆井液密度，g／cm3；σh為最小水平主應力，MPa；H為深度，m。

合理的鉆井液密度范圍為ρmin＜ρ＜ρmax。實際鉆井液密度設計時，一般根據地層的工程地質特征及井身結構情況，選擇上下兼顧的鉆井液密度窗口。通常，選取鉆井液密度一般接近安全窗口的下限，這樣既有利于鉆進安全和提高速度，又有利于油氣儲層保護，還可降低鉆井成本。

表2 川西須家河組地層三壓力統計

4 應用效果

根據計算與研究成果，共設計了3口井共計11個層位的鉆井液密度安全窗口建議值，全部獲得采納，應用效果良好?！痢?1井是在川西坳陷部署的一口預探井（見圖3）。須家河組五段為頻繁的砂泥巖互層，是最容易發生井壁失穩的層位，多口井在該層位發生過井漏和井壁崩落。這也是研究安全泥漿密度的重點層位。根據鄰井資料，預測了該井須家河組五段的安全泥漿密度窗口為1.96～2.18 g／cm3，鉆井過程中，實際使用的泥漿密度為2.11～2.13 g／cm3。鉆井較順利，鉆井過程中未發生井漏、溢流、井壁坍塌及卡鉆等現象。井壁穩定性總體較好，平均井眼擴大率為9.7%。該井鉆井中采用了建議的安全密度，未發生井眼失穩現象，而且沒有明顯的擴徑和縮徑，井眼總體上較為規則，井身質量較好，為后期的完井奠定了良好基礎。

圖3 ××31井鉆井液密度安全窗口驗證

5 結 論

（1）影響川西須家河組地層井壁穩定性的地質因素包括巖性多變、構造應力強和多套壓力系統共存等；工程因素包括鉆井液不匹配等。

（2）在綜合利用偶極聲波測井等測井資料的基礎上，計算巖石力學參數并考慮圍壓因素，建立了動靜彈性參數轉換關系。

（3）結合巖石力學參數和實際地層的井壁穩定性情況，建立了地層應力、三壓力（地層壓力、坍塌壓力、破裂壓力）等參數計算方法，分區分層位計算并確定了川西地區須家河組鉆井液安全泥漿密度窗口，及時有效地指導了鉆井工程設計及施工，在實際應用中取得了良好效果。

［1］ 蔚寶華，王治中，郭彬.泥頁巖地層井壁失穩理論研究及其進展［J］.鉆采工藝，2007，30（3）：16－21.

［2］ 田云英，夏宏泉，石曉兵，等.基于測井資料確定迪那構造的漏層位置［J］.國外測井技術，2006，21（2）：24－27.

［3］ 甘秀娥.利用測井資料評價鉆井液漏失層位［J］.測井技術，2002，26（6）：474－477.

［4］ 陳勉，金衍.深井井壁穩定技術研究進展與發展趨勢［J］.石油鉆探技術，2005（5）：17－21.

［5］ 劉厚彬，孟英峰，李皋，等.超深井井壁穩定性分析［J］.天然氣工業，2008，28（4）：67－69.

［6］ 劉向君，羅平亞.測井在井壁穩定性研究中的應用及發展［J］.天然氣工業，1999，19（6）：33－35.

［7］ 郭同政，閭萍，李超煒，等.測井資料在井壁穩定性研究中的應用［J］.內蒙古石油化工，2007（3）：226－228.