沙湾凹陷西斜坡砂砾岩地层井壁失稳机理及复杂处理

刘占魁，田林海，吴 波，段文博，吴家坤，温春明

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834009）

沙湾凹陷属准噶尔盆地中央坳陷的二级构造单元，西邻红车断裂带，南面为北天山山前冲断带的霍玛吐背斜带，北邻中拐凸起。前期，勘探主要集中在沙湾凹陷周缘凸起带和断裂带，近年来围绕大面积成藏模式，由凸起带向斜坡区、在沙湾凹陷西斜坡针对二叠系和三叠系扇三角洲前缘相带展开了勘探并取得一系列重大突破。然而，该区钻井仍有亟待解决的难题，比如，在砂砾岩层段钻进，钻进过程中扭矩以及泵压等各项参数没有明显异常，振动筛返出岩屑正常或偶尔见数量不等的掉块，当接完单根(或立柱)或者短起下上提一段距离后却出现挂卡、开泵憋压、进而卡钻，部分情况下转化为恶性卡钻、处理耗时长。钻井现场有时将发生这种现象的主要原因归结为坍塌压力高、液柱压力不足以稳定井壁、导致井眼失稳；基于此判断，处理复杂期间、或者随后的钻进过程中不断提高密度，但有时却并未完全奏效。因此，砂砾岩地层井壁失稳造成复杂多发的难题仍需深入分析。

1 砂砾岩地层井壁失稳的部分地质因素

测井曲线显示，三叠系百口泉组和二叠系上乌尔禾组井径不规则、井径扩大率大，∅215.9mm井眼最大井径达到∅431mm、甚至测不出。井壁失稳主要集中于三叠系百口泉组和二叠系上乌尔禾组。

1.1 主要岩性特征及影响

沙湾凹陷西斜坡百口泉组主要岩性为泥岩、中砂岩、粉砂岩、砂砾岩。二叠系上乌尔禾组主要发育扇三角洲沉积体系，扇三角洲前缘岩性为砂砾岩、细砂岩、泥质粉砂岩互层，砾石分选较好，磨圆较好，泥质含量低，物性整体较好。岩性垂向分布与所处西斜坡地理位置有关。以ST-2井及CP-24井为例：ST-2井百口泉组上部连续发育大套砂砾岩，下部砂砾岩与泥岩或砂泥岩互层，底部砂砾岩层段间夹薄层泥岩。上乌尔禾组砂砾岩与泥岩、砂泥岩互层，少有发育连续整套砂砾岩。CP-24井上乌尔禾组砂砾岩发育夹薄层泥岩，下部砂砾岩、粉砂岩，夹含砾泥岩。ST-2井百口泉组上部大套砂砾岩井段井径相对规则，中下部开始井径迅速扩大，至百口泉组底部砂砾岩夹薄层泥岩处井径扩大率达到全井最大值，形成俗称“大肚子”。上乌尔禾组普遍表现出井径不规则、扩大率大，井径扩大率与百口泉组中段相似。CP-24井与ST-2井相似，在上乌尔禾组底部砂砾岩夹薄层泥岩处井径扩大率达到全井最大值。此外，井径扩大率大的褐色泥岩井段机械钻速低，PDC钻头钻进速度极慢也是影响井径扩大率的因素之一。观察岩芯，百口泉组及上乌尔禾组岩芯在地面上普遍有相似现象，受粒间砂砾岩泥质充填胶结强度低的影响，砂砾岩受外力作用极易断裂散塌，泥岩岩芯强度低、清水清洗后随着放置时间增长，干后受力易分散开裂。

1.2 地层强度及影响

以ST-2井及CP-24井为例，砂砾岩井段的岩石密度较低，中子孔隙度较高。在ST-2井百口泉底部砂砾岩夹薄层泥岩井段、CP-24井上乌尔禾组底部砂砾岩夹薄层泥岩井段表现明显。孔隙为钻井液滤液进入地层提供了客观条件。受疏松影响，地层强度相对低可钻性相对较好。由于地层坍塌压力与地层强度密切相关，所以，当井壁岩石所受到的应力超过岩石强度时易引起地层坍塌。

1.3 纵向孔隙压力变化趋势

沙湾凹陷西斜坡区地层孔隙压力横向上随地理位置有所差别，纵向上总体表现出侏罗系以上地层压力为正常压力，地层压力系数1.05～1.10。进入三叠系地层压力逐步抬升、三叠系百口泉组至上乌尔禾组存在异常高压，地层压力系数1.35～1.78。夏子街组至佳木禾组地层压力有所回落，地层压力系数1.35～1.65。地层的坍塌压力随着孔隙压力的增加而增大(但破裂压力的增长速度小于坍塌压力，因此随着孔隙压力的增加，安全钻进的泥浆密度范围变小)，地层压力的异常升高导致地层坍塌压力也相应变化，成为百口泉组及上乌尔禾组井壁易失稳的其中一个因素。

2 井壁失稳力学因素分析

2.1 井筒波动压力影响

百口泉组及上乌尔禾组地层不存在受构造运动导致的大量裂缝，泥岩地层的渗流作用相对小，仅在表面存在水化应力，依靠液柱压力平衡地层坍塌压力是保持井眼稳定的必要条件。但是，百口泉组及上乌尔禾组地层发育的砂砾岩夹泥岩使问题复杂化。使用水基钻井液条件下，滤液进入胶结疏松的砂砾岩，导致附近产生较强的应力，加强了使颗粒间裂缝张开的趋势。钻进过程中返出掉块时，现场往往提高钻井液密度，提高钻井液密度会暂时有利于井眼稳定，随时间推移，钻井液滤液不断进入后、井壁附近的地层孔隙压力随之升高，这时受井内波动压力等影响，会加剧井眼不稳定。

钻井工况不同，钻井液对井壁施加的力是变化的。停止循环时作用在井壁上的力为静液柱压力。正常循环时除静液柱压力外井壁还受到附加的环空压耗的作用，接单根或接立柱停泵后，环空压耗消失。起下钻时产生激动压力和抽吸压力。起钻产生的抽汲压力降低了钻井液当量密度，对井壁支撑力降低。下钻产生的激动压力增加了钻井液当量密度，井壁受到加载作用。此外，开泵和停泵操作也对井壁产生影响。钻井过程中井壁反复承受加载和卸载过程，加剧了井壁失稳的趋势。国内外基于瞬态波动压力和稳态波动压力计算方法对井内波动压力进行了深入研究。关于泥浆泵开泵和停泵产生的压力变化规律研究相对较少[1]。但是，钻井开泵、特别是停泵的速度却对井壁产生着非常重要的作用。受开泵和停泵影响，流体由之前的稳定流状态过渡到不稳定流状态，环空流速、流量以及环空压耗发生变化。开泵和停泵产生的压力变化规律可用质量守恒和动量定律描述：

式中：Q——流量；

A——截面积；

p——压力；

s——深度；

t——时间；

为了建立科学的、系统地实现对国家脆弱性的综合分析模型，本文从自然因素、环境因素和社会因素选择了50个指标来衡量国家的脆弱性，由于指标过多，会增加计算的复杂度，因此文章采用PCA(主成分分析)方法先对指标进行降维，

ρ——钻井液密度；

g——重力加速度；

z——垂深；

C——压力波传播速度；

pf——压耗。

开泵速度越快，流动状态变化也越快，相应产生的波动压力也就越大。同时，瞬时开泵时，压力波动以阻尼振动的形式传递，井底波动压力瞬间达到一个很高的数值，受管壁摩擦作用波动压力逐渐衰弱，最后达到一个较为稳定的数值，直至消失。

2.2 钻具机械干扰影响

钻进过程中，钻具不仅存在纵向和横向振动，而且还有扭转振动，扭转振动造成钻具转速变化，当钻具突然加速旋转时，扭矩可能突然增加，多种复杂的振动加剧了钻具与井壁的交互作用[2]。起下钻、短程起下钻、接单根或接立柱前的划眼洗井等作业环节，机械外力直接作用于井壁，机械干扰作用力直接促进了井壁失稳。砂砾岩层段胶结差地层强度低、受钻井液冲刷、波动压力及钻具机械碰撞等作用造成薄弱井段井壁失稳、坍塌，现场施工往往表现出当完成上述动作后，钻井液循环过了迟到时间后，振动筛上见到形状各异的掉块。

3 百口泉组及上乌尔禾组复杂判断及处理

针对三叠系百口泉组及二叠系上乌尔禾组地层受多种因素影响易垮塌的特点，现场以超细碳酸钙、阳离子乳化沥青等改善泥饼质量、强化封堵效果。使用钾钙基有机盐钻井液强化抑制性，复配铵盐等降低滤失量。工程上优选钻头加快钻进速度，优化钻具组合及施工参数减少机械作用对井壁的干扰。钻具内和环空构成一个U型管，受惯性和环空岩屑影响，常规停泵操作接单根期间钻具内往往倒返钻井液。过快的停泵速度造成环空钻井液流动方向波动。“大肚子”中岩屑或存在的掉块通常较难完全被清除掉，当停泵速度过快时，这些岩屑或掉块也随钻井液波动状态的迅速变化而改变其运动状态，几千克岩屑或掉块就可能堵塞环空。为此，作者在现场要求延长停泵时间，以每5～10冲为一个台阶逐步降低泥浆泵排量减少波动压力，降低“大肚子”中岩屑或存在的掉块受钻井液流动波动的影响下沉进而堵塞环空的风险。

CP-24井钻进时扭矩、泵压以及钻具悬重等参数正常，钻完立柱后停泵速度快时，上提钻具往往出现不同吨位的挂卡现象。钻进至4780m准备取芯，完成洗井过程后停泵速度快，上提挂卡、至4650m左右遇卡泥浆泵开不通。现场判断不是井壁垮塌而是“大肚子”中堆积的岩屑或掉块下沉堵塞了环空，下压钻具45m带堆积物下行，缓慢开泵逐步建立钻井液循环通道后解卡。钻进至4805m停泵准备接立柱，停泵速度快，上提挂卡、憋泵，钻具上下活动范围小、钻具能转动，由于钻具没有下放空间，在转动钻具过程中加重钻杆母扣断、解卡。随后打捞筒一次捞出落鱼。CP-24井4604～4612m井段取出的岩芯下部散塌，同时，完井电测资料也显示，4550～4620m井段井径扩大率非常大，快速停泵后，“大肚子”中少量岩屑或掉块极易下落堵塞环空。该井两次复杂处理后洗井过程中均没有发现地层坍塌掉块等，也表明造成井下复杂的原因不是地层坍塌。

4 结论

（1）百口泉组及上乌尔禾组井壁失稳受多种因素影响，波动压力和钻具碰撞是导致垮塌的直接原因。

（2）晚停泵、缓停泵、降低停泵速度可以预防井下复杂，避免复杂处理的误判。