火成岩地层气体钻井井壁稳定性实验研究

赵洪山，王宗钢

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）

火成岩地层气体钻井井壁稳定性实验研究

赵洪山*，王宗钢

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）

准噶尔盆地深部石炭系地层具有较大的勘探潜力。前期钻探实践表明，石炭系火成岩地层厚度大、岩石坚硬、可钻性极差，导致了该层段钻进过程中机械钻速低、钻井周期较长。利用乌参1井的火成岩地层取芯岩样，开展了岩芯室内准三轴围压力学实验，表明40MPa围压下火成岩岩石失效表现为脆性断裂；根据摩尔—库伦强度理论，通过对气体钻井发生井壁失稳时的最大正应力进行计算，并与上覆地层压力比较，提出了准噶尔盆地火成岩地层气体钻井的井壁稳定性实验分析方法，并据此得到了准噶尔盆地埋深小于6110m的石炭系火成岩地层均可以尝试气体钻井技术应用的结论。研究成果为实施气体钻井解决石炭系深探井火成岩井段的钻井提速瓶颈问题提供了理论依据。

气体钻井；井壁稳定；断裂准则；火成岩；岩芯实验

准噶尔盆地深部石炭系地层勘探潜力较大，尤其是近年来在石炭系地层中发现了石西油气田、滴西气田等多个油气田，中石化为此部署了乌参1井、红1等多口深探井。根据前期已钻资料分析，石炭系地层主要以火成岩为主，火成岩厚度大、岩石坚硬、可钻性极差，从而导致了该层段钻进过程中机械钻速低、钻井周期较长。位于盆地北缘区块的乌参1井自井深4286m进入石炭系巴山组至井深6323.6m完钻，采用传统泥浆钻井方式，先后应用了“高效牙轮+螺杆”复合钻井、“孕镶钻头+高速螺杆”复合钻井、水力脉冲射流发生器配合贝克休斯高效钻头等多种新型提速技术，均没有起到显著提速效果，平均机械钻速仅0.72m/h，钻井周期高达239d，占到全井钻井周期的一半以上。

在相同地层条件下，由于气体钻井钻头寿命和机械钻速较常规泥浆钻进均有大幅度提高[1-3]，因此探索石炭系火成岩地层实施气体钻井的可行性将有助于解决西部新区石炭系深探井的钻井提速瓶颈问题。现场应用情况表明，气体钻井的井壁稳定性问题是限制其优势发挥的最主要原因[4-6]。利用乌参1井火成岩地层取芯岩样，通过开展井壁围岩力学性质实验研究，对气体钻井在准噶尔盆地火成岩地层的适用性进行了分析评价，对于今后准噶尔盆地火成岩地层的优快钻井具有重要指导意义。

1 火成岩岩芯室内力学实验

准噶尔盆地火成岩广泛分布于盆地北缘、哈密等地区的二叠系和石炭系地层中。如图1所示为乌参1井石炭系火成岩岩芯，取芯井段4265.01～4265.63m。可知火成岩岩石呈灰黑色，主要由碎屑物及火山灰填隙物组成；岩石致密坚硬、凝灰结构、块状构造，牙轮钻头可钻性极值高达7.82～8.38，硬度最高2900MPa；局部发育裂缝，被白色方解石充填，裂缝宽度1～10mm，与下部地层呈渐变接触。

图1 石炭系巴塔玛依内山组“糖葫芦”状火成岩岩芯

气体钻井施工时，井壁附近的岩石应力状态为三向受压状态[7-8]，包括上覆岩层压力σ1，井筒径向压力σ3，地应力在井周产生的切向应力σ2，没有剪切应力或者剪切应力可以忽略不计。另外根据乌参1井等多口井测井资料分析，盆地内上覆岩层压力最大，切向地应力为中间主应力，井筒内压力最小。上述3个应力大小满足关系式：

将乌参1井火成岩岩芯制作成标准的圆柱形岩石试件，开展了室内准三轴围压实验，实验期间围压值p分别取40MPa和5MPa，实验前后的岩石试件及实验结果分别如图2、3所示。由图3可以看出，实验期间随着施加应变的逐渐增加，两种围压状态下火成岩岩石的真实差应力首先呈直线增加，表明岩石处于弹性变形阶段，其弹性模量近似为125GPa；一旦超过真实差应力峰值，试样则迅速失效（见图2b）；并且当围压40MPa时，该岩石的真实差应力峰值为σe1=240MPa，此时的应变为0.003，当围压5MPa时，真实差应力的峰值为σe2=170MPa，出现时的应变为0.0015，表明火成岩的抗压强度比较大，较大围压下岩石的失效形式表现为脆性断裂。

图2 准三轴围压实验前后的岩石试样

图3 围压下火成岩的力学性质变化

2 气体钻井井壁稳定性分析

根据前面实验结果分析，准噶尔盆地石炭系火成岩的力学性质较为简单，在较大围压（40MPa）下仍然保持脆性断裂的性质，弹性模量等基本力学性质并没有发生重大改变，故在讨论其强度失效时可以采取摩尔库伦强度理论进行判断[9]。

图4为利用摩尔—库伦理论求解的火成岩最大正应力示意图。如图所示，假设已知该岩石的2个应力状态a和状态b，知道其最大主应力σa1、σb1和最小主应力σa3、σb3，即可作出该岩石的2个摩尔圆。做两圆的公切线，则不论岩石处于任何受力状态，只要相应摩尔圆在该直线以下，岩石即保持稳定不失效，否则将会发生破坏。

图4 乌参1井石炭系火成岩摩尔圆示意图

在得到石炭系火成岩岩样的摩尔圆包络线之后，根据前面分析，已知气体钻井期间井筒压力为最小主应力值σc3（近似为0MPa），则通过绘制与包络线相切的圆，即可得到当岩石达到断裂极限时的最大主应力σc1。

通过理论推导也可以得到σc1的表达式：

应力状态a和b的摩尔圆半径分别为：

包络线与X轴夹角为：

根据式（2）～（5），则有σc1表达式为：

另外，根据岩芯的准三轴围压实验条件可知：

因此，状态a和状态b的最大、最小主应力分别为：

分别将状态a和状态b的最大主应力σa1、σb1以及最小主应力σa3、σb3代入式（6），从而可得气体钻井期间（即 σc3=0MPa时）岩石的最大失效压应力为σc1=165MPa，因此只要气体钻井期间的上覆地层压力值满足σ1＜σc1，井壁将不会垮塌[11-12]。

已知准噶尔盆地火成岩地层岩石密度为（2.1～2.7）×103kg/m3，按保守值2.7×103kg/m3计算，则根据上覆岩层压力ρgH＜σc1（H为地层垂深），可得：

因此可以得出，准噶尔盆地埋深小于6110m的石炭系火成岩地层均可以尝试气体钻井技术应用。

3 现场应用实例

滴北1井是新疆油田部署在准噶尔盆地陆梁隆起滴北凸起3个泉5号背斜的一口预探直井，设计井深4500m，三开Ø216mm井眼钻遇石炭系巴塔玛依内山组，岩性主要为凝灰岩夹凝灰质砂砾岩。为提高三开井段机械钻速，加快该区块的勘探步伐，在三开井段试验了空气钻井，空气钻进井段3365～3924.56m，进尺559.56m，平均机械钻速5.26m/h，是同尺寸井眼使用钻井液钻井机械钻速（1.23m/h）的4.28倍。空气钻井在该井的成功实施，提高了机械钻速，降低了钻井周期，节约了钻井成本，同时探索出了深部石炭系火成岩地层的提速工艺，为准噶尔盆地推广应用空气钻井技术积累了经验。

4 结论及建议

（1）准噶尔盆地火成岩地层致密坚硬，抗压强度大，40MPa围压下岩石失效表现为脆性断裂，可以采取摩尔—库伦强度理论进行火成岩失效判断；

（2）首先根据岩芯室内准三轴围压实验确定出气体钻井状态下岩石的最大失效主应力，然后与上覆地层压力比较，提出了适合准噶尔盆地火成岩气体钻井的井壁稳定性分析方法，并据此得到了准噶尔盆地埋深小于6110m的石炭系火成岩地层均可以尝试气体钻井技术应用的结论；

（3）为了更精确地预测气体钻井期间岩石的井壁稳定性，达到指导气体钻井现场施工的目的，建议参考相关地质资料和测井资料，继续开展岩石全应力—应变曲线和峰后力学特性以及考虑岩石缺陷和应力集中的裂纹扩展等方面理论与实验研究。

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[2]祝效华，刘少胡，童华.气体钻井钻杆冲蚀规律研究[J].石油学报，2010，31(6)：1013-1017.

[3]石祥超，万尚贤，孟英峰，等.气体钻井钻速方程的建立与验证[J].天然气工业，2010，30(11)：56-58.

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[5]邓虎，杨令瑞，陈丽萍，杨玻.气体钻井井壁稳定性分析[J].天然气工业，2007，27(2)：49-51.

[6]张杰，李皋.地层出气对气体钻井井壁稳定性影响规律研究[J].石油钻探技术，2007，35(5)：76-78.

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[9]陈勉，金衍.石油工程岩石力学[M].北京：科学出版社，2008.

TE242.6

A

1004-5716(2015)12-0093-03

2014-12-15

2015-01-15

赵洪山（1980-），男（汉族），河南开封人，工程师，现从事油气井管柱力学方面的研究工作。