渤海油田玄武岩地层坍塌周期影响因素研究

张磊,李治衡,霍宏博,袁伟伟,张羽臣

中海石油（中国）有限公司天津分公司 渤海石油研究院（天津300459）

渤中某油田东营组和沙河街组地层发育大段火成岩，特殊的岩性导致该段地层出现坍塌掉块及井径扩大的现象，阻卡、憋压及蹩扭矩等复杂情况占比达20%左右，严重影响着钻井安全及效率，因此有必要对火成岩地层开展坍塌周期的研究。但鉴于火成岩地层岩性的特殊性，目前很难利用传统的力化耦合等模型分析其井壁稳定[1-3]，明确其坍塌周期并揭示影响坍塌周期的相关因素。因此在认识火成岩井壁垮塌机理的基础上，基于渤中某油田钻遇火成岩的实际因素，创新性地提出了基于灰色关联度模型分析现场实际工程参数对坍塌周期的影响，为工程实际提供指导。

1 坍塌机制分析

1.1 矿物组成

渤海某油田火成岩地层主要由凝灰岩和玄武岩交错组成。利用X射线仪分别针对凝灰岩和玄武岩岩心进行了全岩矿物和黏土矿物分析，图1为凝灰岩全岩矿物和黏土含量分布图。从图1可以看到，凝灰岩以黏土矿物、辉石、石英、斜长石和方解石为主，黏土矿物含量较高，平均含量达到27%。黏土矿物以伊∕蒙混层为主，含量高达84%，在钻井液的作用下极易发生水化膨胀，从而导致岩石力学性质降低，引起井壁垮塌[4-5]。而玄武岩则以辉石、石英、斜长石、钾长石和黏土矿物为主，黏土矿物含量相对较低，其水化膨胀并非引起井壁稳定问题的主要原因。

图1 火成岩地层凝灰岩全岩和黏土含量分布

1.2 实际结构

现场地质捞砂显示，凝灰岩表现为灰色或者灰黑色的凝灰质结构，成分以细小火成岩碎屑为主，含少量石英，整体显示较致密；玄武岩表现为灰黑色的块状构造、隐晶质结构，成分以辉石为主、长石及角闪石次之，少量黑云母，整体显示坚硬、致密，局部有杏仁状构造。

综合岩石组分和现场实际结构的分析结果，导致该油田火成岩地层井壁垮塌的主要原因为：①凝灰岩黏土矿物含量较高且黏土矿物中以伊∕蒙混层为主，极易发生水化膨胀从而导致井壁失稳；②玄武岩局部发育杏仁状构造，杏仁体的硬度与玄武岩本体硬度差别较大，钻井过程中随地层应力释放、激动压力过大或机械碰撞作用，极易在杏仁体处发生应力集中，从而导致井壁坍塌掉块[6-8]。

2 基于灰色关联度的现场因素对坍塌周期的影响

现场火成岩坍塌通常表现为划眼或倒划眼过程中遇阻卡、憋压、蹩扭矩甚至憋停顶驱，通常这种情况下涉及到的钻井因素较多，无法仅依靠理论研究来开展各类型参数的分析，对现场进行有针对性的指导。因此，基于灰色关联度方法[9-10]开展了现场实际因素对坍塌周期影响的分析，作为理论分析的补充，从而提出建议。

2.1 现场因素

研究表明，影响坍塌周期的现场因素包括井眼轨迹参数、钻井液密度参数及钻井液性能参数3类。其中，井眼轨迹参数指井斜、方位数据；钻井液性能参数则包括屈服值、漏斗黏度、塑性黏度、3转读数、6转读数、10 s静切力、10 min静切力、滤失量、n值、K值、氯离子含量及钾离子含量等。

2.2 灰色关联度模型及建立过程

1）确定参考数列和比较数列。将发生遇阻卡、憋压、蹩扭矩时井眼揭开的时间作为比较数列，认为其即为工程上的坍塌周期；将井斜、方位、钻井液密度、屈服值、漏斗黏度、塑性黏度、3转读数、6转读数、10 s静切力、10 min静切力、滤失量、n值、K值、氯离子含量及钾离子含量作为参考数列。为提高分析的准确性，收集了渤海某油田45次火成岩坍塌时的参考数列及比较数列，见表1。

表1 火成岩坍塌周期影响因素数列分析

续表1

2）处理原始数据。需要对原始数据进行无量纲化处理，方法包括初值化、均值化、区间化等。利用均值法对表1中数据进行处理。

3）计算关联系数。首先得到处理后的参考数列X0'={x'0(1),x'0(2),...,x'0(n)}与比较数列Xi'={x'i(1),x'i(2),...,x'i(n)}的绝对差序列，然后求取差序列中的两级最大差与最小差，最后求得关联系数ζi(k)。

式中：ζ为关联系数；ρ为分辨系数，一般取0～1，其目的为提高关联系数之间的差异性。

4）计算关联度。对每个参考数列求取关联系数的均值，即为灰色关联度γ0。基于表1中数据，最终求得各比较序列的关联度与灰色关联度值[13]，并将其进行了排序，见表2。

表2 火成岩坍塌周期影响因素灰色关联度结果

由表2知，在关联度的基础上引入密切关联度的概念，即为各影响因素的相对关联度。可看到，影响坍塌周期的主要因素为钾离子含量、氯离子含量、3转读数、井斜、n值及塑性黏度，以密切关联度0.85为划分标准，相对来讲，钾离子含量、氯离子含量、3转读数及井斜对坍塌周期的影响程度更高。

2.3 现场因素对坍塌周期的影响分析

首先列出了现场实际坍塌周期与钻井液密度的关系曲线，如图2所示。可以看到，钻井液密度与时间变化的趋势和理论趋势相符，也在一定程度上证明了将发生复杂情况时井眼揭开的时间作为工程坍塌周期的可靠性。

图2 现场坍塌周期与钻井液密度关系图

由于现场施工时，井斜基本无法改变，因此列出了钾离子含量、氯离子含量、3转读数与坍塌周期的变化规律，如图3～图4所示。可以看到，随着钾离子含量、氯离子含量及3转读数的增加，井壁坍塌周期呈现逐渐升高的趋势。因此，为提高井壁坍塌周期，在现场可首先选择增加钾离子、氯离子含量以及提高钻井液3转读数进行操作。

渤海某油田A井在倒划眼过程中频繁出现憋压、蹩扭矩等复杂情况，花费时间96 h，判断为因井眼发生坍塌导致。与其相邻的B井井斜、方位与A井类似，在钻井液密度、漏斗黏度、塑性黏度值基本相同的情况下，适当提高了钾离子含量、氯离子含量、3转读数，主要是提高了钾离子含量，倒划眼过 程顺利，证明了理论研究的可靠性（表3）。

图3 钾离子含量与坍塌周期的变化规律

图4 3转读数与坍塌周期的变化规律

表3 渤海某油田开发井钻井液参数对比表

3 结论及建议

1）凝灰岩黏土矿物含量较高且以伊、蒙混层为主，易发生水化膨胀引起井壁失稳；玄武岩局部发育杏仁状构造，钻井过程中易在杏仁体处发生应力集中引起井壁坍塌掉块。

2）以密切关联度0.85为划分标准，研究表明，钾离子含量、氯离子含量、3转读数及井斜对坍塌周期的影响程度更高，现场可首先选择增加钾离子、氯离子含量以及提高钻井液3转读数来延长火成岩坍塌周期。