朱忠喜，刘颖彪，路宗羽，熊旭东

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；2.中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

新疆准噶尔盆地南缘地区受北天山山体隆起造成的挤压和滑脱作用，形成了大量逆冲推覆体断层和推覆体褶皱，构造应力强烈。该地区地层自上而下发育第四系、新近系（独山子组、塔西河组和沙湾组）、古近系（安集海河组、紫泥泉子组）、白垩系及侏罗系。塔西河组、沙湾组、安集海河组和紫泥泉子组地层中，泥岩层段的黏土矿物含量较高，且地层微裂缝充填物基本为蒙脱石（极易发生水化分散或变形），钻井过程中易发生井壁失稳。塔西河组地层易破碎，钻井时易发生井壁崩落、井漏；沙湾组砂岩层段地层渗透性好，钻井过程中易粘卡。这些问题严重影响了该地区钻井速度的提高。目前国内外对山前构造应力引起的井壁失稳问题研究较多，但是从岩石理化特性分析井壁失稳机理的研究还很少见。为此，笔者从山前构造地应力和泥页岩理化特性入手，分析了钻井过程中井壁失稳的力学机理，并在钻井液体系、钻井施工方式、提高地层承压能力等方面给出了相应的技术对策。

1 逆冲推覆体断层和褶皱的地应力特征

准噶尔盆地南缘地质构造的复杂性源于燕山与喜马拉雅多期构造运动复合，普遍存在逆冲推覆断层和褶皱带，其三向应力分布为[1］：

式中：σH为最大水平主应力，MPa；σV为垂向主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa。

在山前构造带附近钻直井时，大部分井下故障都是由地应力引起的。一般情况下只做粗略计算，国内外常以两向水平主应力差作为衡量地应力产生井下故障严重程度的评判指标[2］，二者之差可用下式计算。

式中：R为与断面摩擦系数相关的系数，与岩石矿物组成和含水量有关；δ为中间主应力计算系数，δ＝0～1.0；ρ为上覆岩层平均密度，g／cm3；g为重力加速度，m／s2；z为埋藏深度，m；λ为地层流体压力与上覆岩层压力之比，近似取0.4。

根据该地区西5井3 000～3 500m井段塔西河组和沙湾组上部地层的测井资料，分析该地区的地应力关系满足式（1），水平主应力当量密度之差达到1.0g／cm3以上，该井段实钻过程中多次发生井壁垮塌、井漏、阻卡等井下故障。

2 泥岩的岩石力学特性

塔西河组、安集海河组和紫泥泉子组地层中发育有大段泥岩或膏泥岩，其黏土矿物含量较高，以伊／蒙混层为主。当泥岩和膏岩含水时，具有较强的流变性，即当外载恒定时岩石发生持续变形[3-4］。钻井时，在地应力不发生变化的情况下，井眼在一定钻井液液柱压力与地应力差作用下，会发生持续变形。

2.1 流变性地层的井壁稳定性

流变性地层主要分流变性流体和流变性固体两种类型[5-6］。

埋藏深或高温下的盐岩、软泥岩属流变性流体。当钻井液密度较低时，井眼会一直缩径变形，直至井眼闭合。缩径值与时间成正比，钻井过程中主要表现为卡钻头，即钻进时卡钻头或刚钻过井段上提钻头即遇卡。提高钻井液密度及勤划眼或倒划眼可维持钻进，但起完钻后再下钻会遇阻。

大部分盐岩、富含水的泥岩属流变性固体，其蠕变速率随时间而变小，经较长时间后蠕变停止。对钻井的影响与流变性流体相似，仅严重程度有所差异。钻进过程中勤划眼和短起下钻，适当扩大井径可维持钻进。边钻进边扩眼，在一定起下钻时间内的缩径不会导致卡钻头。同一裸眼段在缩径段用较大尺寸的钻头，缩径段以下用较小尺寸的钻头，这样起下较小尺寸的钻头就不会遇阻卡。

2.2 蠕变速率的影响因素

2.2.1 倾斜地层中流变性岩石蠕变速率

在钻进高陡构造流变性地层时，沿地层倾向的蠕变速率可表示为[2］：

式中：s为面积蠕变速率，相当于井眼面积的缩小率；c为岩石凝聚力，MPa；h为蠕变地层厚度，m；ηT为蠕变地层的黏性系数，它是绝对温度T的函数，反映岩体易蠕变的程度；α为地层倾角，（°）。

由式（3）可知，蠕变速率与蠕变地层厚度的平方成正比，这是钻进厚盐层（如安集海河组）时缩径严重的主要原因之一；地层倾角对蠕变速率的影响也较大，在高陡构造钻进膏泥岩或其他软泥岩时，缩径速率很高。

2.2.2 水平地应力对蠕变速率的影响

两向水平地应力差对蠕变速率的影响可用下面的经验公式[6-7］计算。

式中：ε为蠕变率；A，Ep和n为与岩石力学性质有关的常数；R为气体常数，R＝3.145kJ／（mol·K）。

根据西5井的测井数据，对该井钻遇地层的塑性力学参数进行了反演，计算了井深3 200m附近地层的蠕变速率，结果如图1所示。

图1 西5井塔西河组地层蠕变模拟Fig.1 Simulation of formation creep in Well Xi 5for Taxihe group

由图1可知，该井井深3 200m附近缩径严重，尤其在最初15h内缩径速度较快，与现场实钻情况吻合。

2.3 井壁岩石崩落掉块机理

井眼崩落掉块与地层岩石的连续性有直接关系，不同岩性组合所呈现出的岩石崩落掉块形式不同。当岩体为连续介质时，井眼长轴方向为最小水平主应力方向，短轴方向为最大水平主应力方向（见图2a），井壁破坏机理为屈服破坏。当岩体为破碎性介质时，井眼长轴方向为最大主应力方向，短轴方向为最小主应力方向（见图2b），与连续性岩体呈现的应力方向正好相差90°，井壁破坏机理为节理、断层面滑移及崩落。当岩体为破碎性介质时，在最大水平主应力方向，井壁周向应力较小，甚至为张应力，不合适的钻井液配方会加剧该方向的崩落[7］。

图2 两类岩体的椭圆井眼方向Fig.2 Elliptical hole direction of two types of rocks

分析西5井塔西河组及其以浅部分地层认为，受地应力影响可形成破碎性岩体，致使井眼崩落掉块。其玫瑰图长轴沿最大水平地应力方向，见图3。

图3 西5井井眼崩落掉块玫瑰图Fig.3 Rose diagram of borehole sloughing for Well Xi 5

2.4 塔西河组及安集海河组上部地层泥岩特性

已钻井塔西河组、安集海河组地层的矿物组分及理化特性资料见表1。另外，对该地区独深1井安集海河组、西4井安集海河组、西5井塔西河组的泥页岩进行了膨胀试验，试验结果见图4。

表1 塔西河组和安集海河组地层岩矿分析Table 1 Rock and mineral analysis of Taxihe groups and Anjihaihe groups in southern Junggar Basin

由表1和图4可知，塔里河组和安集海河组上部地层中，黏土含量较高，且以伊／蒙混层为主；泥页岩遇水膨胀速度非常快，膨胀率较高，具有强水敏性。

对安4井、西4井和西5井的岩样进行了清水滚动回收试验，试验结果见表2。

由表2可知，塔西河组、安集海河组地层的岩心滚动回收率较低，最低只有3.00%，说明该地层岩石水化分散性强，分散速度快，钻井过程中容易出现缩径卡钻现象。

图4 页岩膨胀试验结果Fig.4 Results of shale swelling experiment

表2 岩心滚动回收率试验结果Table 2 Results of core rolling recovery experiment

3 提速技术对策

3.1 增强长裸眼井段局部承压能力

山前构造带地层水平地应力差较大，岩石破碎性较强，因此地层存在微裂隙，地层水平方向渗透率差异大，地层承压能力低，易发生井漏。钻井过程中，特别是长裸眼段钻进中，需要强化地层的承压能力，降低发生井漏的概率。目前，国内外增强地层局部承压能力的技术主要有试压堵漏和膨胀管补贴两种：1）试压堵漏，对可疑漏层试压，若发生漏失，则挤入堵漏剂，可显著提高地层承压能力；2）膨胀管补贴，下入带暂时密封的可膨胀管，同时注水泥，也可提高地层承压能力。

3.2 提高钻井液的抑制性和封堵能力

在高陡构造地层中，存在膏泥岩或其他软泥岩时，岩石蠕变速率较高，井眼缩径较快，且当地层中水敏性矿物含量较高时水化分散性强，在钻井过程中加强钻井液的抑制性和封堵能力是减小井眼缩径的重要手段。为提高钻井液的封堵能力，可以加入沥青材料，但应严格控制其加量、软化点和细度。要提高钻井液的抑制性，可以加入聚合醇，使钻井液及滤液在裂缝或节理面上吸附，并使裂缝面产生润湿反转，裂缝面由亲水变为亲油，从而阻止水的进一步深入，避免造成泥页岩水化膨胀等情况[8-9］。在对多种钻井液体系进行室内研究和现场试验的基础上，认为钾钙基聚磺钻井液、有机盐（聚合醇）钻井液和PRT钻井液适合于准噶尔盆地南缘地区复杂地层钻井。

3.3 降低破碎性地层动力失稳概率

动力失稳指井内压力激动和钻柱碰撞、拖曳造成的掉块坍塌。缓解井壁动力失稳的措施有：1）采用双中心PDC钻头，钻进过程中不需要划眼，不进行短起下钻；2）采用柔性方式开或停钻井泵，先开转盘后开钻井泵；3）下部钻柱不加稳定器，控制起下钻速度，保持起下钻速度均匀、平稳，不能过快；4）调整钻井液性能，实现环空高返速，但避免出现紊流，以减轻对井壁的冲刷、减小井筒压力波动。

3.4 复杂地层选用随钻扩眼钻头

选用随钻扩眼钻头，对缩径、掉块坍塌和具有厚泥饼的砂岩井段有利，有利于防阻卡。在安集海河组巨厚盐层进行随钻扩眼，使钻出的井眼稍大于钻头尺寸，可以避免起下钻阻卡，还能增大环空间隙。大环空间隙可以减少压力激动引起的井塌、井漏及抽汲引起的溢流，也有利于下套管和提高固井质量。常规井身结构下使用的随钻扩眼钻头有φ244.5mm×342.9mm、φ215.9mm×250.8mm 和φ152.4mm×177.8mm。

3.5 优选PDC钻头与螺杆配合

螺杆配合PDC钻头钻具组合已经成为钻井提速的一条重要途径[10-12］。在深井和超深井钻井中，该钻具组合能够大大减少钻头用量和起下钻次数，尤其是当地层易发生蠕变缩径、破碎掉块、井漏等情况时，采用螺杆与PDC钻头配合的钻具组合，提高钻井效率非常有效。因此，在准噶尔盆地南缘地区钻井时，根据该地区地层特性和PDC钻头使用情况，对PDC钻头进行了优选，为钻井提速和减少井下故障提供了条件。

4 实钻效果评价

西湖1井是准噶尔盆地南缘山前构造带上的一口风险探井，实钻井深6 268m，采用四开井身结构，其钻井工程设计和施工设计是根据上述分析结果及技术对策进行的。

1）从二开井段开始，全井使用PRT有机盐钻井液，因其具有较强的抑制性和封堵能力，有效减少了井壁岩石吸水膨胀造成的井壁失稳情况。

2）在二开井段塔西河组、沙湾组、安集海河组地层及三开井段紫泥泉子组地层钻进过程中，虽然阻卡井段较多，但通过逐渐提高钻井液密度、优化钻井液性能、对长裸眼井段进行试压堵漏等措施，提高了局部漏失层的承压能力。二开井段的钻井液密度由1.41kg／L逐步提高到1.75kg／L，三开井段钻井液密度由2.05kg／L逐步提高到2.09kg／L，钻井过程较为顺利，没有出现井漏情况。

3）全井以螺杆＋PDC钻头的钻具组合为主，平均机械钻速达到3.00m／h，钻井过程中以快保安全，未出现明显缩径等问题。

4）全井施工采取了缓解井壁动力失稳的措施，井内未出现压力激动和钻柱碰撞、拖曳造成的坍塌掉块等问题。

表3为西湖1井与其他已钻邻井的钻井时效对比。

表3 西湖1井与邻井的钻井时效对比Table 3 Comparison of drilling efficiency between Well Xihu 1and its offset wells

由表3可知，西湖1井完钻井深最深，但钻井周期最短。如与西5井相比，西湖1井的井深增加20.5%，但井下故障大幅减少，钻井周期缩短11.9%，效果明显。由此可以认为，通过分析地层力学特性提出的钻井提速方法和技术，能够全面克服准噶尔盆地南缘山前构造带钻井机械钻速和钻井时效偏低的问题。

5 结 论

1）准噶尔盆地山前构造带的地应力关系为最大水平主应力＞垂向应力＞最小水平主应力，该应力状态是造成井壁垮塌和阻卡的主要原因。另外，该地区安集海河组、塔西河组、紫泥泉子组地层膏泥岩的高蠕变速率是引起井眼缩径的重要因素。

2）安集海河组、塔西河组、紫泥泉子组地层泥岩中的黏土矿物含量高，水化分散性和膨胀性均较强，采用具有强抑制性和封堵性的PRT钻井液，可以有效解决地层水敏性问题。

3）实施试压堵漏技术可以提高长裸眼井段局部层位的承压能力；对易缩径和垮塌地层，优选PDC钻头，并与螺杆钻具配合，既可以缩短钻井周期，又可以实现以快保安全的钻井效果。

[1]刘厚彬，孟英峰，李皋，等.超深井井壁稳定性分析[J］.天然气工业，2008，28（4）：67-69.Liu Houbin，Meng Yingfeng，Li Gao，etal.Wellbore stability of ultradeep wells[J］.Natural Gas Industry，2008，28（4）：67-69.

[2]陶振宇.岩石力学的理论与实践[M］.北京：水利出版社，1981：89-135.Tao Zhenyu.Rock mechanics theory and practice[M］.Beijing：Hydraulic Press，1981：89-135.

[3]何开平，张良万，张正禄，等.盐膏层蠕变粘弹性流体模型及有限元分析[J］.石油学报，2002，23（3）：102-106.He Kaiping，Zhang Liangwan，Zhang Zhenglu，etal.Viscous and elastic flow module for gypseous salt creep and finite element analyses[J］.Acta Petrolei Sinica，2002，23（3）：102-106.

[4]林元华，曾德智，施太和，等.岩盐层蠕变规律的反演方法研究[J］.石油学报，2005，26（5）：111-114.Lin Yuanhua，Zeng Dezhi，Shi Taihe，etal.Inversion algorithm for creep laws of salt rocks[J］.Acta Petrolei Sinica，2005，26（5）：111-114.

[5]章根德，何鲜，朱维耀.岩石介质流变学[M］.北京：科学出版社，1999：291-317.Zhang Gende，He Xian，Zhu Weiyao.Rock rheology[M］.Beijiing：Science Press，1999：291-317.

[6]孙钧.岩土材料流变及其工程应用[M］.北京：中国建筑工业出版社，1999：400-406.Sun Jun.Geotechnical material rheology and its engineering practice[M］.Beijing：China Building Industry Press，1999：400-406.

[7]唐继平，王书琪，陈勉.盐膏层钻井理论与实践[M］.北京：石油工业出版社，2004：49-60.Tang Jiping，Wang Shuqi，Chen Mian.Salt paste layer drilling theory and practice[M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2004：49-60.

[8]刘四海.准噶尔盆地南缘山前构造复杂地层钻井液技术[J］.石油钻探技术，2003，31（4）：33-34.Liu Sihai.Drilling fluid technologies for complex formations of Nanyuanshanqian structure in Jungghariya[J］.Petroleum Drilling Techniques，2003，31（4）：33-34.

[9]刘涛光，朱峰，熊雄.莫深1井大尺寸井眼钻井液技术[J］.新疆石油科技，2007，17（4）：5-9，16.Liu Taoguang，Zhu Feng，Xiong Xiong.Drilling fluid technology in large wellbore of the Well Moshen-1[J］.Xinjiang Petroleum Science ＆ Technology，2007，17（4）：5-9，16.

[10]易浩，白彬珍，赵志国，等.玉北地区深井快速钻井技术[J］.石油钻探技术，2011，39（6）：27-30.Yi Hao，Bai Binzhen，Zhao Zhiguo，etal.Faster drilling technology in Yubei Area [J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（6）：27-30.

[11]董明键.元坝124井超深井钻井提速配套技术[J］.石油钻探技术，2011，39（6）：3-26.Dong Mingjian.Technology to increase drilling speed used in ultradeep Well Yuanba 124[J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（6）：23-26.

[12]张金成，张东清，张新军.元坝地区超深井钻井提速难点与技术对策[J］.石油钻探技术，2011，39（6）：6-10.Zhang Jincheng，Zhang Dongqing，Zhang Xinjun.Difficulties of improving rate of penetration and its technical solutions in Yuanba Area[J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（6）：6-10.