三维建模在钻井复杂工况中的应用——以福山油田HS 1x井为例

王 旭 付 甜 李 特 廖宇春 王 娜 李 晨

(①中国石油渤海钻探第一录井公司；②中国石油渤海钻探油气合作分公司；③中国石油南方石油勘探开发有限责任公司)

0 引 言

福山凹陷位于海南省北部，是北部湾盆地中次级负向构造单元凹陷的陆上部分，细分为五个次一级的构造单元：白莲次凹、花场次凸、皇桐次凹、博厚断阶带和南部斜坡带。地层分层依次为第四系平原组，上第三系望楼港组、灯楼角组、角尾组、下洋组，下第三系涠洲组、流沙港组、长流组。福山油田花场地区下第三系流沙港组地层以泥岩为主，由于泥岩水化膨胀，导致该地层井壁稳定性差，井径扩大比较严重，地层在钻井过程中易产生掉块、垮塌，造成卡钻、起下钻遇阻等复杂工况，特别是流沙港组二段地层，巨厚层泥岩发育，表现为硬、脆、碎、易剥落掉块、垮塌[1-2]。

HS 1x井位于福山凹陷花场构造HS 1x断鼻高部位，目的层为流沙港组三段，其上部流二段岩性以巨厚层状褐灰色泥岩为主，间夹两套厚层状灰黑色玄武岩，流二段设计厚度为833 m。该井于2017年12月20日开钻，2018年4月11日四开钻至5 207 m(流二段)时，因井壁垮塌无法下步施工于4 665 m回填侧钻，当钻至5 212 m(流二段)时井壁再次垮塌，2018年6月9日于4 295 m回填侧钻，钻至5 002 m(流二段)时井壁再次垮塌。经与福山油田协商，在目的层段加层技术套管封固大套泥岩段，该井由四开井变更为五开井。2018年8月24日至9月10日于4 275 m回填侧钻至5 203 m四开中完，2018年11月14日到30日五开至5 580 m完钻。

为了解决钻井复杂工况等难题，通过原因分析，应用地质录井、X射线荧光(XRF)元素分析、X射线衍射(XRD)全岩分析、测井、地震等相关资料建立地层三维模型、元素三维模型，计算钻井最佳井斜角、方位角，并预测出地层稳定性较差层段，为后续钻井正常施工、钻井提速提供指导依据。

1 复杂工况原因分析

造成井下复杂工况的实质是力学的不稳定。当井壁岩石所受的应力超过其本身的强度时，就会发生井壁失稳，其原因主要归纳为力学因素、物理化学因素和钻井施工的影响三个方面。

1.1 力学因素

当钻井液密度过高，井底压力大于地层破裂压力时，会发生井漏；当钻井液密度降低，超过岩石的抗剪强度时，就会发生剪切破坏，表现为脆性地层发生坍塌，塑性地层发生变形，造成缩径。钻井过程中为保持井壁稳定，必须做到钻井液液柱压力大于地层坍塌压力，小于地层破裂压力[3-4]。一般来讲，井眼轨迹与地层层理走向对井壁的稳定性有着重要的影响，普遍认为井眼和层理法线面的夹角越小，井壁越稳定，夹角越大越危险。为此，进行地层三维建模，可以快速厘清地层与钻井井眼轨迹之间的关系。

1.2 物理化学因素

对井壁稳定性产生影响的主要是地层中所含的黏土矿物成分。当地层被钻开后，钻井液滤液进入地层，引起地层中黏土矿物水化膨胀，导致井壁不稳定。地层中所含黏土矿物不同，其水化膨胀程度不同，黏土矿物的膨胀能力的顺序为：蒙皂石>伊蒙间矿物>伊利石>高岭石>绿泥石[3]，地层中含有石膏遇水也会发生膨胀[3-4]。针对物理化学因素影响，本文对地层岩屑进行X射线荧光(XRF)元素分析、X射线衍射(XRD)全岩分析，进而建立元素三维模型，预测下部地层的岩石特性以及地层的抗压性强弱。

1.3 钻井施工的影响

起下钻速度过快、钻井液静切力过大、开泵过猛、钻头泥包、抽吸作用等原因，造成钻井液作用于井壁的压力降低，以及井漏、井喷等造成钻井液液柱压力降低引起井壁失稳；钻井液环空返速过高，冲刷都会造成井壁失稳；井身质量不好，导致应力集中会加剧井塌的发生，尤其在易塌地层，转速过高，钻具剧烈碰击井壁都会加速垮塌[5]。

2 地层三维建模

对福山油田花场地区近两年完钻井进行分析后发现各井在流二段地层普遍存在井壁垮塌现象，井径扩大率最高达到63%，主要的事故类型为起下钻遇阻、电测遇阻，处理井漏和循环遇阻。为此建立地层三维模型，分析出最佳轨迹，从而防止复杂工况的发生。

根据HS 1x井区邻井地层分层建立流二段顶-流二段底层面三维构造图，可以测量出流二段的地层倾角约为9.6°，地层倾向为北东方向(图1)。受制于流二段扩径与较大的井斜角影响仅在流三段进行了地层倾角测井并对数据进行统计，地层倾向主要为北偏东，地层倾角为9°，地层呈东西走向(图2、图3)。

图1 HS 1x井区流二段顶面构造图

图2 HS 1x井地层倾角走向

图3 HS 1x井地层倾向

结合井震资料快速建立HS 1x井区流二、流三段地层三维建模，可直观了解HS 1x井以及邻井井轨迹与地层之间的关系(图4)。流二段与流三段为整合接触，所以整体地层形态基本确定。已知井眼轨迹与地层层理走向对井壁的稳定性有着重要的影响，普遍认为井眼和层理法线面的夹角越小，井壁越稳定，夹角越大越危险。因此垂直层理面钻进是最安全的钻井方位，平行于层理面的方向是最危险的钻井方向[6]。

图4 HS 1x井区流二段、流三段地层三维建模

在确定花场地区流二段、流三段地层整体构造情况后，结合各井轨迹数据与井壁质量、遇阻情况可以发现存在一定规律。 H 1-7x井(原)与HS 1x井前三各井眼均因井壁垮塌严重导致后续无法正常钻井，被迫填眼侧钻。H 1-7x井(原)设计井身轨迹如图5a所示，HS 1x井(一眼)设计井身轨迹如图5b所示，HS 1x井(三眼)设计井身轨迹如图5c所示。其井身在流二段地层均为大角度的稳斜阶段，井斜角在30°及以上，方位角也与地层倾向一致，井轨迹与地法线向夹角为40°～50°。

H 1-10x井(原)设计井身轨迹如图5d所示。H 1-10x井在进入流二段后开始降斜，井段3 068～3 381 m段缓慢降斜，井斜角基本上在20°以上，从井径曲线上也能看出井壁质量较差。流二段底部到流三段井斜降至10°以下，扩径现象明显改善。

H 1-7x井设计井身轨迹如图5e所示，H 7-11x井设计井身轨迹如图5f所示。H 1-7x、H 7-11x井轨迹在流二段底部均调整井斜与地法线呈10°左右钻进过程中井身质量整体良好。

HS 1x井(四眼)设计井身轨迹如图5g所示。HS 1x井(四眼)在进入流二段后井斜角迅速降低，到井底基本保持直井状态。虽然方位角与地层倾向一致，但井轨迹与地层法线夹角保持在10°～20°，反映在井径曲线上井身质量较好，起下钻与电测过程无遇阻现象。HS 1x井最佳井斜方位角应该在135°～315°之间，造斜点与稳斜段在流二段地层之上，在进入流二段后保证井斜角在10°左右。

图5 H 1-7x井(原)-HS 1x井(四眼)井身轨迹

3 元素三维建模

3.1 XRD全岩分析

X射线衍射(XRD)全岩分析技术是以岩屑、壁心、岩心为检测对象，通过测量其反射X射线的角度和强度，对比样品数据库来进行岩石矿物成分鉴别的录井方法。X射线衍射全岩分析基本原理是根据晶体矿物在X射线下的特殊衍射效应来判断岩样中晶体矿物的组成及其相应含量[7]。因为不同的晶体衍射出峰的位置不同，其峰值大小不同；检测岩石中矿物含量，分析周期7～17 min，通过XRD全岩分析，确定地层脆性矿物含量。

利用XRD全岩分析技术对所钻地层泥岩进行矿物分析，通过石英与黏土矿物的含量来判断地层的稳定性。通过HS 1x井石英含量、黏土矿物含量变化情况与井径交会图能够看出基本满足线性关系，分析表明扩径现象均发生在低石英含量井段中(图6、图7)。

图6 石英含量与井径交会图

图7 黏土矿物含量与井径交会图

3.2 XRF元素分析及元素三维建模

X射线荧光元素分析技术简称XRF，是以岩屑、壁心、岩心为检测对象，由于不同元素产生的X射线荧光具有不同的能量与波长，从而确定检测物质的元素种类与数量组成的录井方法。利用XRF分析技术测得样品的化学元素组成(只能分析出阳离子)[8]，将测试结果与已知的各类岩性的化学元素组成比较，通过多井大量的实验归纳，参照其他手段(如测井结果)进行地层趋势对比，从而得到该地区的元素分布模板，由元素反推到矿物成分，相对得出样品的岩性。

利用XRF元素分析技术对HS 1x井三个井眼及周围邻井元素资料进行分析后发现，Si元素含量可以表征石英、长石、云母等碎屑矿物含量，石英含量越高Si元素含量越高(图8)；Si元素含量和井径有一定关联，即井径扩径主要集中在Si含量较低井段(图9)，即Si元素含量越低，井壁越不稳定。

图8 Si元素含量与石英矿物交会图

图9 Si元素与井径关系图

图10 花场地区流二段、流三段Si元素三维建模

本文利用XRF元素分析技术快速建立了HS 1x井地区Si元素三维模型(图10)。建立模型后可建立正钻井与已完钻井的连井元素属性剖面、正钻井沿井轨迹属性剖面、沿井轨迹数据体等，进而预测下部地层的岩石特性，地层的抗压性强弱，可在钻井前对整个地层稳定性进行预测。可以看出HS 1x井流二段底部Si元素含量较低，这可能是HS 1x井前三井眼井壁失稳的因素之一，而HS 1x井(四眼)在流二段降斜后Si元素含量升高，泥质含量减少，扩径现象随之改善。

4 结 论

(1)结合井震资料快速建立HS 1x井区流二段、流三段地层三维建模，通过快速地层三维建模，直观了解HS 1x井以及邻井井轨迹与地层之间的关系。结合邻井轨迹数据与井壁质量、遇阻情况，快速分析出本井有利方位和井斜角。

(2)XRD全岩分析技术、XRF元素分析技术对本井泥质含量分析以及地质建模分析起到重要作用。分析表明扩径现象均发生在低石英含量井段中。利用XRF元素分析技术快速建立HS 1x井区Si元素三维模型，然后可建立正钻井与已完钻井的连井元素属性剖面、正钻井沿井轨迹属性剖面、沿井轨迹数据体等，进而预测下部地层的岩石特性、地层的抗压性强弱，可在钻井前对整个地层稳定性进行预测。

(3)建议进一步丰富复杂工况地区XRD全岩分析、XRF元素分析资料，深入分析出钻井过程中容易发生遇阻、遇卡、井漏等复杂工况区域，并提前做出预报。