应用地应力分析技术优化九龙山构造的钻井设计

邓广东 高德伟 赵大鹏 范 宇 周永胜

1．中国石油西南油气田公司川西北气矿 2．中国石油西南油气田公司工程与技术监督处 3．北京阳光奥友科技有限公司

四川盆地川西地区北部九龙山构造具有多产层、多压力系统、异常高压、地层泥质含量高等特点，钻井速度低、钻井事故和复杂频发的问题十分突出，经常出现井涌、溢流、井漏、卡钻、遇阻、沉砂等钻井事故、复杂。龙16井因发生阻卡70多次、落鱼事故3次、井漏或溢流60多次，钻井周期长达792d。据1980—2008年中国区地震分布图（源自世界地应力数据库），九龙山构造地震活动频繁，较强的地应力状态极易在钻井井壁形成应力集中诱发钻井事故、复杂。准确评估现今地应力状态对钻井井壁稳定性的影响、优选安全的定向井和水平井井眼轨迹，是当前九龙山构造钻井急需解决的重要课题。

1 地应力分析技术（GMI）

现今地应力状态对钻井井壁稳定性、开发生产方案的优选非常重要，如何准确获取地层地应力大小和方向，是当前钻井和开发生产亟须解决的一大技术难题［1－3］。我国各油田和大学逐步开展了地应力分析和应用研究，但研究的精度和实用性尚待大幅提高。GNT公司经过20多年不断研究与探索，形成了较为完善的深部地层地应力状态的地应力分析技术（GMI）：其研究思路从分析井筒破损与地应力状态、岩石力学、化学和钻井工程参数等因素之间的相互关系入手，采用测井解释方法为主，辅之实测数据的方法获取现今连续地应力的大小和方向，该方法成功地应用到钻井的井筒稳定性评估和钻井工程设计优化、油气开发中的断层封堵性分析、套管损坏分析、出砂预测和裂缝渗透性分析，取得了较好的成效。为此，通过采用GMI地应力技术，研究四川盆地西部九龙山构造现今地应力，分析本区钻井复杂情况发生的力学根源，提出有针对性的钻井设计优化建议。

2 九龙山构造地应力状态分析

GMI地应力模型提供了三轴主地应力（上覆地层压力、最小水平主应力、最大水平主应力）的大小和方向、地层孔隙压力、岩石机械力学性质（单轴岩石强度、杨氏模量、内摩擦系数、泊松比）等4项参数的计算和描述。特殊地区还需考虑薄弱地层（特殊地层如盐层）、原生断层、裂缝的分布、地热因素影响等。我们根据九龙山构造的钻井、地质、测井（包括成像测井）、测试等资料，以龙16井为例建立了九龙山构造的地应力模型，基本摸清了本区的现今地应力状态。

2．1 上覆地层压力和地层孔隙压力

上覆地层压力即垂直主应力，可用密度测井数据积分确定［4］。从图1可知龙16井浅层（0～500m）上覆地层压力变化迅速，快速升至2．25g／cm3；自500m至井底，呈平稳增加趋势，由2．25g／cm3增至2．65g／cm3。

龙16井陆相地层的声波、密度和电阻率3条曲线从中侏罗统沙溪庙组下部开始出现明显偏离泥岩正常压实趋势［5］（图1）。因此判断地层孔隙压力自沙溪庙下部逐渐升高，部分井上三叠统须家河组的地层压力系数高达1．83，本区实测压力数据、钻井液气侵等现象也说明了须家河组具有较高的压力异常。海相地层孔隙压力形成机理和预测方法比较复杂，通过各井钻井液密度、漏失和气浸溢流等现象分析，认为部分井段碳酸盐地层压力系数最高至2．15（如下三叠统嘉陵江组嘉二段高压盐水层）。

2．2 水平主应力

水平方向存在两个相互垂直的力，即最小水平主应力和最大水平主应力［4］。根据本区的地层破裂试验和地层承压试验等数据确定最小水平主应力，确定九龙山地区最小水平主应力的系数为1．83～2．45，该值可看作为九龙山构造的地层破裂压力下限值，可作为预防钻井漏失、地层压裂设计和施工非常重要的参考。

最大水平主应力大小的定量确定比较困难，这是地应力研究和应用的一大难题。根据本区成像测井分析了各井在钻井液液柱压力下的井壁破坏类型及程度，利用地应力分析模块（GMI＊SFIB），反演模拟不同深度处最大水平主应力（SHmax）的大小。图2显示龙16井5 904m深度处发育一条张裂缝，岩性为含膏灰岩，岩石抗压强度约130MPa，上覆地层压力当量密度2．60g／cm3，最小水平主应力当量密度约2．30g／cm3，钻井液密度（2．23～2．28g／cm3）与孔隙压力当量密度之差为0．17g／cm3，选取 Mohr－Colum 岩石破坏准则，反演模拟其最大水平主应力当量密度为3．15～3．26g／cm3。

图2 龙16井5 904m深度处最大水平主应力大小模拟图

纵向上最大水平主应力有效应力比（SHmax－pp）／（Sv－pp）一般地趋于一个常数。根据不同深度处最大水平主应力的模拟结果，确定了九龙山构造最大水平主应力有效应力比大约为2．30。据此，采用SHmax≈2．3（Sv－pp）＋pp计算连续的最大水平主应力剖面。

应用地应力技术（GMI）的以上步骤和方法，基本摸清了九龙山构造现今地应力状态为挤压性的走滑断裂机制的地应力状态，即SHmin＜Sv＜SHmax，2008年汶川特大地震也间接地证明本区处于较强的地应力状态。

2．3 最大水平主应力方向

由于地层在水平方向存在应力差，钻井产生的垮塌和张性裂缝的方位可以用地层倾角测井和成像测井方法进行判定［6－7］。分析龙 002－1、龙 16、龙 101、龙110、龙105、龙109、龙116、龙118和龙120等9口井的成像测井图像，各井井壁出现垮塌和张性裂缝均具有规律性方向分布，按井壁垮塌方向与最大水平主应力方向垂直，而张性裂缝出现的方位与最大水平主应力方向平行的形成机制，判断九龙山现今地应力为近东西方向，即106°～120°，各井区基本一致（图2、3）。

图3 九龙山各井区最大水平主应力方向图

2．4 岩石力学参数

准确计算地层岩石力学性质是进行钻井井壁稳定性分析的基础和前提。岩石力学参数［8］包括岩石强度、杨氏模量、泊松比、内摩擦系数等。不同岩石的力学性质差异较大，对不同岩性选用与其匹配的计算模型和经验公式，即砂岩采用McNally模型、泥岩采用Modifed Horsrud模型、碳酸盐岩采用Golubev－DT模型，获取了九龙山构造各地层相对准确的岩石力学参数剖面（图4），陆相砂泥岩地层和海相碳酸盐地层的岩石力学性质具有较大差别，单轴岩石强度：陆相地层为30～160MPa，而海相地层总体较高，平均达200 MPa，部分石膏层和盐岩只有60MPa，甚至更低；杨氏模量：陆相地层变化幅度较大，范围区间为25～80 GPa，海相地层总体较高但变化不大，范围区间为65～90GPa；泊松比：砂泥岩变化大，0．15～0．36，碳酸盐岩约为0．35，变化较小；内摩擦系数：砂泥岩较小介于0．6～0．8，碳酸盐岩地层较大，介于0．8～1．10。

图4 龙16井岩石力学参数剖面图

3 井壁稳定性特点及应用效果

3．1 井壁稳定性特点

把九龙山构造地应力状态和岩石力学参数有机结合起来，计算获得九龙山构造的龙16井区和龙002－1井区地层三压力剖面（图5）。

图5显示本区地层三压力剖面具有以下特点：①地层孔隙压力系数：沙溪庙以下为异常压力；须家河组高至1．83；海相地层最高至2．20；②地层坍塌压力系数：井口—遂宁组较低，即小于1．00；上沙溪庙组—须一段整体较高，1．2～1．85；碳酸盐岩地层较低，0．2～1．85；③地层破裂压力系数：由浅层1．83增至2．45。

基于地应力状态、岩石力学、地层三压力剖面的认识，总结了九龙山构造钻进各地层的井壁稳定性。

1）遂宁组至沙溪庙组上部坍塌破压力系数较低（0～1．10），符合空气钻井的力学条件。

2）沙溪庙组下部：坍塌压力系数迅速增加（1．40～1．88），空气钻井风险很高。

3）珍珠冲段：地层研磨性强，大约需要1．40g／cm3井筒液柱压力。

4）须家河组：地层孔隙压力系数达1．83，属于高压异常；坍塌压力系数较高（1．40～1．85）；如地层存在裂缝时其漏失压力系数只有1．76，比相邻井段的孔隙压力系数还低，有效平衡孔隙压力和漏失压力是须家河组钻井成功的关键。

5）海相地层（嘉陵江组至吴家坪组）：孔隙压力系数局部异常（1．83～2．20）；坍塌压力系数平均1．50，部分膏岩和泥岩段坍塌压力系数高达2．10，其井壁稳定性较差。

6）钻井轨迹对井壁稳定性的影响［9－10］：九龙山构造不同方向的钻井轨迹的井壁的稳定性差异较大，如图6所示：一般直井和定向井（井斜角少于45°）的坍塌压力相对较低，井壁稳定性相对较好；而水平井和大斜度井，平行最大水平主应力方向，即为东—东南（75°～165°）或西—西北（255°～345°）方向的大斜度井（井斜大于45°），坍塌压力相对较低，井壁稳定性好，而垂直最大水平主应力方向的水平井和大斜度井，坍塌压力相对较高，钻井风险较高。

图5 龙16井区和龙002－1井区地层三压力剖面图

图6 九龙山构造钻井轨迹对井壁稳定性的影响图

3．2 钻井设计优化及应用效果

根据九龙山构造地应力模型和三个地层压力剖面，对已钻的龙16井和龙17井的井身结构和钻井液密度安全窗口进行了风险评估（图7）。从维持井壁稳定性角度考虑，分析其井身结构和钻井液密度安全窗口存在较大的缺陷，致使中间技术套管段无可操作的钻井液密度安全窗口，井壁稳定性变差，这可能是两井在该段频繁出现遇阻、卡钻甚至钻井事故的力学根源；同时海相地层的钻井液密度安全窗口也非常窄，极易诱发井漏、井涌溢流复杂。

以孔隙压力与坍塌压力二者的最大值作为优化钻井液密度安全窗口下限，取地层破裂压力作为上限的原则。本区超深井应采取五层套管，除表层套管外，各层套管下深及钻井液密度窗口（图7和表1）。对于中深井，只需去掉下部一层或两层套管，可使各井眼段均有安全的钻井液密度窗口，能有效维持井壁的稳定性。但如地层裂缝发育，应及时采取措施提高地层承压能力，防范井漏发生的风险。

图7 龙16井井身结构的钻井液安全窗口评估图

2010年下半年新钻的以珍珠冲组和须家河组为目的层的中深井，包括龙002－4、龙002－5、龙002－6、龙002－7、龙002－8井等井，实钻基本采纳了建议的钻井井身结构和钻井液密度安全窗口，中间技术套管下至坍塌压力逐步抬升之前的沙溪庙组中下部，下部作为单独一开井眼；另外除龙002－6井外，各井钻井方向选择有利本区井壁稳定性的方向（即75°～165°或255°～345°）；结合利用新技术（空气钻井、欠平衡钻井、优选钻头）钻井效率得到明显提高，基本没有出现阻卡现象，仅偶尔出现几次漏失或溢流情况，钻井事故、复杂大大降低，如表2所示。其中龙002－4井刷新九龙山第四次开钻的152．4mm井眼定向井最短钻井周期（原纪录为102d）和最高机械钻速（原纪录为2．79m／h）两项纪录；龙002－8井完钻周期只有57．03d，刷新了九龙山四开以须二段为目的层的直井最短周期记录。地应力分析技术（GMI）在九龙山新钻井中取得很好的应用效果。

4 结论

应用地应力分析技术（GMI），较好地模拟评估了九龙山构造现今地应力状态，获取研究区较准确的3个地层压力剖面，为定量评估九龙山构造各地层井壁稳定性提供了坚实基础。从维持井壁性稳定性角度提出的钻井优化建议（井身结构、钻井液密度安全窗口和钻井轨迹优选等）在九龙山构造新钻井中取得成功的应用，新钻井效率得到明显提高，钻井复杂得到极大降低，基本避免了钻井事故的发生，创造了九龙山构造陆相地层多项钻井新纪录。

表1 九龙山构造井身结构及密度窗口优化建议表

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