川西须家河组地层井壁稳定性测井评价

陈俊，徐炳高，何传亮，周怀容

（1.中国石化集团西南石油局测井公司，四川 成都 610100；2.长江大学，湖北 武汉 430100）

0 引 言

川西须家河组具有巨大的天然气产能潜力，是川西地区重要的天然气勘探开发层位。由于川西须家河组工程地质条件复杂，岩石物理性质纵横向变化较大，很难确定合理的钻井液密度，钻进过程中，经常发生泥浆密度使用不合理导致井壁失稳现象。鉴于这种情况，本文在对川西须家河组井壁失稳原因进行分析基础上，确定了合理的安全泥浆密度窗口，并提出了相应的对策，有效地指导了钻井工程设计。

1 川西须家河组地层井壁失稳现象

对川西钻遇须家河组地层的深井钻井井壁失稳复杂情况进行统计发现，该组井壁失稳现象主要有卡、塌、漏、喷／溢流／井涌等。其中井漏比例达到58%，主要发生在须四段和须二段裂缝发育段；井涌／溢流比例达到21%，主要发生在须五段、须四段及须二段的裂缝性储层段；井壁坍塌则主要发生在须五段和须三段的泥页岩地层中［1］。

统计显示，井漏及井涌是川西须家河组发生最多的井壁失稳现象。这些井壁失稳现象给钻井、测井等工程施工带来了很大风险，也造成经济损失。

2 井壁失稳影响因素分析

2.1 井漏影响因素分析

发生井漏须具备3个条件：①地层中存在能使钻井液流动的漏失通道，如孔隙、裂缝或溶洞；②存在能使钻井液发生流动的正压差；③存在能容纳钻井液的体积空间。因此，根据测井资料及三压力梯度剖面的变化特征，较容易发现井漏位置并分析影响因素［2］。

裂缝性漏失根据成因可细分为天然裂缝性漏失和重钻井液压裂性漏失［3］。在天然裂缝中，当开启裂缝中钻井液柱压力大于地层压力时会发生漏失；如果天然裂缝是闭合的，当钻井液柱压力大于裂缝开启压力时也会发生钻井液漏失；由于在裂缝性地层里不容易形成泥饼，故钻井液很可能持续漏失，漏失量也较大，如须二及须四下亚段裂缝性储层漏失则属此类型。对于致密地层，当钻井液密度大于地层破裂压力时可能发生岩石拉伸破坏，在井壁上产生压裂缝并导致钻井液漏失；在高地层压力井段为平衡地层压力普遍采用高比重钻井液，则易发生该类漏失。

图1为××1井须四段3 775～3 802 m测井处理成果图。该段使用钻井液密度为2.34～2.38 g／cm3，在3 790.0～3 792.0 m井段出现裂缝，发生钻井液漏失。测井处理成果表明，该段砂岩上发育的裂缝在电成像上呈对称分布，为压裂缝；据测井资料计算的地层破裂压力当量泥浆密度约为2.30 g／cm3，实际钻井液密度高于该值，由于井壁应力不平衡导致地层被压裂而发生重钻井液裂缝性漏失。

2.2 井壁坍塌影响因素

应力性垮塌直接受到井壁地层应力状况的控制，不受岩性的局限，只要应力非平衡性达到一定程度就发生岩石的剪切破坏，造成井壁应力性垮塌。因此，各井段都可能发生应力性垮塌，且垮塌井段较长，常称之为井壁崩落［4］。垮塌对钻井工程的危害很大，严重的垮塌甚至可能导致钻具及测井仪器遇卡。在须家河组，泥页岩坍塌压力较高，因此发生该类现象较频繁，尤其以须三和须五段最严重。

图2为××2井须家河组4 735～4 775 m井段测井处理成果图及该段成像测井井壁立体及剖面图。计算地层压力梯度为1.2～1.3、坍塌压力梯度约为1.78、破裂压力梯度平均约为1.80。实钻采用的钻井液密度为1.34 g／cm3，该值明显小于井壁坍塌压力梯度，井壁应力不平衡而导致井眼坍塌及崩落发生。该井段井壁非常不规则，崩落方向北东—南西向，其地层应力方向为北西西—南东东，与上部地层应力方向存在一定差异，最大水平主应力方位角约130°左右。分析造成该井壁坍塌崩落失稳的主要原因在于纵向上岩性复杂多变（该地层岩性为砂泥岩夹部分薄煤层），它们具有不同的岩石力学性质，三压力梯度各不相同，给选择钻井液密度带来了困难。

图1 ××1井3 775～3 802 m测井处理成果图（压裂缝）

图2 ××2井须家河组4 735～4 775 m测井处理成果图及成像处理成果图（崩落）

2.3 溢流／井涌／井喷影响因素分析

川西须家河组须五－须三段属高压异常带，其地层压力梯度为1.4～2.0 MPa／100 m；须二段属降压过渡带，其地层压力梯度为1.55～1.58 MPa／100 m。在须二段及须四段由于钻井液柱压力低于地层孔隙压力较易导致溢流／井涌／井喷。

2.4 遇卡影响因素分析

引起卡钻的原因是多方面的，可能与钻井液密度不匹配、井身结构不合理及钻井新工艺的适用性等有关。从测井的角度分析，在川西须家河组须五和三段地层的泥页岩并夹薄煤层地层，由于泥页岩水敏性强且易水化膨胀，因此在钻井过程中易发生井径坍塌及缩径，引起卡钻或出现钻头泥包等井下复杂情况。此外，气体钻井在钻遇水层时也可能发生卡钻。

以上分析表明，钻井井壁失稳情况复杂，但其最基本的原因在于钻井中泥浆密度使用不合理，钻开地层后在井眼周围形成应力集中，钻井液性能不足以有效平衡井壁应力而引发井壁失稳。因此，要有效提高钻井施工效率，减少钻井工程事故，必须搞清楚区域工程地质特征，确定出合理的安全泥浆密度窗口［5］。

3 川西须家河组地层安全钻井液密度窗口的确定

钻井液密度窗口包括4个临界值：孔隙压力梯度、崩落压力梯度、最小水平主应力梯度及破裂压力梯度。其中，孔隙压力和最小水平主应力之间是水力安全钻井液密度窗口，而坍塌压力和破裂压力之间是力学稳定钻井液密度窗口。因此，理想的钻井液密度应该高于地层的孔隙压力和坍塌压力，小于地层的最小水平主应力和破裂压力［6］。

3.1 岩石力学参数计算

利用偶极声波测井资料提供的纵、横波时差，结合常规测井资料可以得到井壁稳定性分析需要的泊松比、剪切模量、弹性模量、有效应力系数和岩石强度等参数［7］。在钻井工程中应用的是静态弹性参数，为便于应用需将测井计算的动态弹性参数转换为静态弹性参数。

动静弹性参数转换关系多种多样，普遍表现为弹性模量转换关系较好，泊松比转换关系较差。研究发现，泊松比与围压的变化关系密切，因此在转换模型中充分考虑围压因素，得到动静弹性参数转换关系为

式中，Us为静态泊松比；Ud为动态泊松比；W为围压，MPa。

式中，Es为静态弹性模量，GPa；Ed为动态弹性模量，GPa。

3.2 地层应力计算

基于所计算的岩石力学参数，结合常规测井资料可以得到地层的最大、最小水平主应力及垂向应力。在众多求取地层应力大小的模型中，综合考虑选用黄氏模型。

式中，σH、σh、σv分别为最大水平主应力、最小水平主应力和垂向应力；β1、β2分别为最小和最大水平主应力的构造应力系数；pp为地层压力；α为毕奥特系数。

根据实测地层应力反演了构造应力系数。通过对破裂压力试验资料进综合分析，确定在川西须家河组黄氏模型中β1的取值范围一般在0.33～0.6之间；β2的取值范围一般在1.2～1.8之间。

3.3 三压力计算

3.3.1 地层压力

测井预测地层孔隙压力是建立在泥岩压实理论的基础上，较成熟的方法有等效深度法和伊顿法等。由于测井资料提供的岩石物理参数与孔隙度有关，因此其地层压力计算关键在于求准泥岩正常压实趋势线。

根据川西地区的测试资料代入伊顿法公式反演压实指数C，发现C不是一个固定的数值。它随深度变化而具有逐渐增大的趋势，与反映地层特征的声波时差曲线的关系则较好。由此建立川西须家河组的伊顿法预测地层孔隙压力模型为

式中，σv为垂向应力；σw为地层水静液柱压力；C为压实指数；Δt为实测声波时差，μs／ft；Δtn为压实趋势线上的声波时差，μs／ft。

3.3.2 坍塌压力

在井壁稳定性研究中，常用的岩石力学剪切破坏准则有Mohr－Coulomb准则和Drucker－Prager准则，对于直井一般采用前者。同时考虑到在某些情况下Mohr－Coulomb准则与实际情况的差异，在一些文献提出了改进的模型，加入了一个修正系数n（0.9～0.95），地层的坍塌压力计算模型为

式中，pc为坍塌压力，MPa；Co为内聚力，MPa；pp为地层压力，MPa。

3.3.3 破裂压力

利用水力压裂方法确定的破裂压力结合岩石力学参数，建立了利用测井资料估算川西须家河组地层破裂压力的模型。

式中，σh为最小水平主应力，MPa；σH为最大水平主应力，MPa；pp为地层压力，MPa；pr为重张压力，MPa；pA为裂缝的闭合压力，MPa；St为岩石的抗张强度，MPa。

研究发现，川西须家河组地层三压力及其梯度在纵横向上均有一定差异，在使用时须分区分层位选用。表2为川西须家河组地层三压力参数变化的大致范围及均值统计表。

3.4 钻井液安全密度窗口的确定

根据上述分析，建立了川西地区钻井液密度安全窗口的测井计算模型

式中，ρmax为最大钻井液密度，g／cm3；ρmin为最小钻井液密度，g／cm3；σh为最小水平主应力，MPa；H为深度，m。

合理的钻井液密度范围为ρmin＜ρ＜ρmax。实际钻井液密度设计时，一般根据地层的工程地质特征及井身结构情况，选择上下兼顾的钻井液密度窗口。通常，选取钻井液密度一般接近安全窗口的下限，这样既有利于钻进安全和提高速度，又有利于油气储层保护，还可降低钻井成本。

表2 川西须家河组地层三压力统计

4 应用效果

根据计算与研究成果，共设计了3口井共计11个层位的钻井液密度安全窗口建议值，全部获得采纳，应用效果良好。××31井是在川西坳陷部署的一口预探井（见图3）。须家河组五段为频繁的砂泥岩互层，是最容易发生井壁失稳的层位，多口井在该层位发生过井漏和井壁崩落。这也是研究安全泥浆密度的重点层位。根据邻井资料，预测了该井须家河组五段的安全泥浆密度窗口为1.96～2.18 g／cm3，钻井过程中，实际使用的泥浆密度为2.11～2.13 g／cm3。钻井较顺利，钻井过程中未发生井漏、溢流、井壁坍塌及卡钻等现象。井壁稳定性总体较好，平均井眼扩大率为9.7%。该井钻井中采用了建议的安全密度，未发生井眼失稳现象，而且没有明显的扩径和缩径，井眼总体上较为规则，井身质量较好，为后期的完井奠定了良好基础。

图3 ××31井钻井液密度安全窗口验证

5 结 论

（1）影响川西须家河组地层井壁稳定性的地质因素包括岩性多变、构造应力强和多套压力系统共存等；工程因素包括钻井液不匹配等。

（2）在综合利用偶极声波测井等测井资料的基础上，计算岩石力学参数并考虑围压因素，建立了动静弹性参数转换关系。

（3）结合岩石力学参数和实际地层的井壁稳定性情况，建立了地层应力、三压力（地层压力、坍塌压力、破裂压力）等参数计算方法，分区分层位计算并确定了川西地区须家河组钻井液安全泥浆密度窗口，及时有效地指导了钻井工程设计及施工，在实际应用中取得了良好效果。

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