胡广强 白彬珍 柯 珂

（1．中国石化西北油田分公司 新疆乌鲁木齐 830011； 2．中国石化石油工程技术研究院 北京 100101）

顺北区块辉绿岩井段井壁稳定性分析＊

胡广强1白彬珍2柯 珂2

（1．中国石化西北油田分公司 新疆乌鲁木齐 830011； 2．中国石化石油工程技术研究院 北京 100101）

顺北地区多口井在钻进奥陶系桑塔木组辉绿岩侵入体时掉块严重，导致井下频繁蹩钻、阻卡，上提钻井液密度后多次引发井漏，多次堵漏但效果不明显。基于辉绿岩的微观结构特性分析，通过开展辉绿岩理化性能测试和岩石力学实验，结果表明：辉绿岩基岩矿物主要以斜长石为主，缝间填充物矿物主要包括石英、斜长石和黏土矿物，水化不易分散、稳定性好、水化膨胀应变非常小，不易造成井壁坍塌失稳；辉绿岩具岩石硬脆性、强度高而弹塑性差的力学特征，微裂缝发育的弱理面效应导致辉绿岩岩体整体强度降低易造成井壁坍塌失稳。根据裂缝对辉绿岩强度的影响规律，建立了辉绿岩地应力与坍塌压力剖面，从而得出了辉绿岩合理钻井液密度窗口，并在顺北1－3、顺北1－6H等后续钻井中取得成功应用，具有推广应用价值。

辉绿岩；井壁稳定性；岩石力学；坍塌压力；钻井液密度窗口

顺北1井为塔里木盆地顺北地区首口奥陶系预探井，该井于奥陶系桑塔木组6 905～6 945 m井段钻遇辉绿岩侵入体，掉块严重，导致井下频繁蹩钻、阻卡。增大钻井液密度后，由于上部地层承压能力低而多次引发井漏，经多次堵漏但效果不明显，裸眼段内漏、塌、卡等复杂共存，终因无法保障钻井安全被迫侧钻并调整井身结构，对辉绿岩侵入体进行专打专封。目前国内外学者对井壁失稳机理、井壁失稳预测与评价主要是从力学和化学两大方面开展［1－3］，形成了较为成熟的基于岩石力学理论的井眼坍塌压力计算模型［4－6］、安全钻井液密度窗口的计算方法［7］以及基于岩石、流体性质的防治井壁失稳的钻井液系列关键技术［8－10］。基于以上研究成果，笔者从顺北1井辉绿岩侵入体特性入手，首先对辉绿岩的微观结构特性进行分析，明确了辉绿岩矿物组分及含量，然后通过开展辉绿岩理化性能测试和岩石力学实验，对其水化膨胀性能、岩石力学特性进行了分析，明确了裂缝对辉绿岩强度的影响规律，分析得出了辉绿岩地应力与坍塌压力剖面，从而确定出了合理的钻井液密度区间，并在后续钻井作业中取得了成功应用，具有推广应用价值。

1 井壁失稳化学机理分析

1．1 辉绿岩微观结构特性

辉绿岩为浅成岩侵入体，多由地质晶洞构造、角砾状构造、流动构造等形成，呈现深灰、灰黑色［11－12］。岩心薄片显示，辉绿岩内部发育有方向不一的微裂缝，呈纵横交织状（图1），缝间多为长石、方解石等充填，部分存在泥质填充。一般认为，辉绿岩为深源玄武质岩浆向地壳浅部侵入结晶形成，常呈岩脉、岩墙、岩床，或充填于玄武岩火山口中呈岩株状产出［13－15］。

图1 岩心薄片下的辉绿岩内部结构Fig．1 Micro－structure of diabase

薄片电镜扫描显示，顺北地区辉绿岩内部破碎和裂缝共存，存在张开缝及填充黏土的闭合缝（图2a），同时发育有层状、片状橄榄石（图2b）和钛铁矿（图2c），显示出辉绿岩破碎、具有一定的磁性、质地不均匀的特点。

图2 顺北1井辉绿岩电镜扫描照片Fig．2 SEM of diabase from Well Shunbei－1

表1 顺北地区辉绿岩缝间填充物及基岩矿物组分及相对含量Table 1 Mineral components and its content of fillings in diabase’s gaps in Shunbei Block %

X－射线衍射实验测得顺北地区辉绿岩缝间填充物矿物及基岩矿物组分含量见表1，由表1可知，辉绿岩缝间填充物矿物主要包括石英、斜长石和黏土矿物，含少量钾长石、白云岩及菱铁矿，大量黏土填充物的存在可能会导致水化效应，降低层理面的强度；辉绿岩基岩矿物主要以斜长石为主，含有石英、菱铁矿及少量黏土矿物，表现出性硬、致密的物理特征。

1．2 辉绿岩理化性能测试

实验室内通过水化膨胀应变、热滚动回收率试验，判断裂缝及基岩的黏土水化效应对辉绿岩稳定性的影响。

1）水化膨胀性能测试分析。室内试验表明，蒸馏水环境下两组辉绿岩水化膨胀应变非常小，几乎不存在膨胀性能，由此判断水化膨胀效应不是辉绿岩井壁垮塌失稳的控制因素。

2）滚动回收率测试分析。使用5%NaCl和蒸馏水作为浸泡液体，利用滚子加热炉测试顺北1井辉绿岩和同层泥岩的滚动回收率（图3），可以看出，2组测试中，辉绿岩回收率在70%～80%，远高于泥岩20%～30%的回收率，体现了辉绿岩岩样不易分散、稳定性好的特点。

2 井壁失稳力学机理分析

2．1 辉绿岩岩石力学特性

1）辉绿岩基岩的力学特征。泊松比、单轴抗压强度等是描述岩石弹性变形、衡量岩石抵抗变形能力和程度的主要参数［16］。利用室内三轴岩石力学实验设备测试了邻井阿东1井辉绿岩井下压力环境下岩石弹性参数及力学强度（表2），可以看出，辉绿岩泊松比为0．208～0．267，弹性模量为29 258～37 894 MPa，抗压强度普遍高于300 MPa，最高为392．8 MPa，体现出硬脆性岩石、强度高而弹塑性差的力学特征。该类岩石在高温高压下受应力破坏变形较小，很难发展为延性流动释放应力，容易发生脆性应力失稳坍塌。

表2 顺北地区阿东1井辉绿岩弹性参数及力学强度测试结果Table 2 Elastic and mechanic test results of diabase from Well Adong－1in Shunbei Block

利用室内三轴力学参数测试装置测试分析了辉绿岩掉块硬度（图4），结果表明辉绿岩具有极高的硬度，其范围为500～1 900 MPa，高硬度对钻头带来了严重的损伤。

图4 顺北地区阿东1井辉绿岩岩石硬度测试结果Fig．4 Rock hardness test results of diabase from Well Adong－1in Shunbei Block

2）裂缝对辉绿岩强度的影响。实验结果表明，辉绿岩基岩十分致密，具有较高的岩石力学强度，井壁稳定性较好。但微裂缝十分发育，微裂缝间力学强度低于基岩力学强度，微裂缝的弱理面效应导致辉绿岩岩体整体强度降低。因此，在评价分析辉绿岩地层井壁稳定性时，需要考虑微裂缝的弱理面效应。

采用经典的弱面理论准则研究微裂缝对辉绿岩地层坍塌压力的影响，以裂缝面法向方向与最大主应力之间的夹角表征不同方向裂缝的影响［17－18］。

式（1）中：σθ、σr分别为井壁表面周向应力、径向应力，MPa；C为裂缝缝间的内聚力，MPa；φ为裂缝间的内摩擦角，（°）；α为有效应力系数，无量纲；pp地层孔隙压力，MPa；β为裂缝面法向方向与最大主应力之间的夹角，（°）。

对于直井，井壁表面3个主应力分别为σr、σθ、σz，其中σr、σθ可表示为

式（2）、（3）中：pw为井筒内钻井液液柱压力，MPa；σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；θ 为井周角，（°）。

当井壁表面岩石不沿微裂缝发生滑移失稳时，可采用摩尔－库仑准则计算地层坍塌压力，计算公式为

利用以上公式评价分析含有微裂缝辉绿岩地层井壁稳定性，计算用于稳定裂缝性辉绿岩地层坍塌压力当量密度，结果见图5（图中β表示裂缝面法向与最大水平主应力方向的夹角）。从图5可以看出，考虑钻井液的渗流作用，井壁表面岩石孔隙压力升高至井筒液柱压力，地层坍塌压力当量密度随之升高至1．55～1．60 g／cm3左右。当考虑微裂缝弱理面效应时，地层坍塌压力明显升高，不同微裂缝方向缝弱理面效应不同，最高地层坍塌压力发生在β＝30°时，在最小水平主应力方向地层坍塌压力当量密度为1．85 g／cm3左右。

图5 裂缝性辉绿岩坍塌压力分布图（考虑钻井液渗流）Fig．5 Fractured diabase collapse pressure distribution（consider drilling fluid seepage）

2．2 辉绿岩地应力分析

通过室内实验及测井资料进行辉绿岩地应力分析，明确其走滑应力机制，计算应力构造系数，确定地层真实坍塌压力，明确辉绿岩井壁失稳机理。

1）垂向应力。利用岩石密度测井曲线积分估算上覆岩层压力值。一般认为垂向应力等于上覆岩石地层压力［19］，即

式（5）中：σv为深度为H 处的上覆地层压力，MPa；g 为重力加速度，一般取9．8 m／s2；ρ、ρ0分别为研究井段以上、研究井段内的地层密度，g／cm3；H0、H 分别为顶界深度、目的点深度，m。

根据式（5）计算得到顺北1井辉绿岩井段地层上覆岩石地层压力平均值为2．35 MPa，整体趋势表现为随着地层压实沉积作用的不断增加而增大。

2）水平应力。利用声发射方法测定邻井阿东1井辉绿岩岩样在井下围压条件下的地应力大小。首先通过声发射方法测定从3块岩心不同方向制备的岩样的Kaiser效应点应力值（表3），再根据式（6）可求得辉绿岩侵入体最大、最小水平地应力分别为2．56、1．62 MPa，最大水平地应力与上覆岩石地层压力相近。

表3 不同角度岩样Kaiser效应点Table 3 Rock sample’s Kaiser effect point value with different angles

式（6）中：σ1、σ2、σ3分别为环向方向3个小岩心柱体的Kaiser效应点正应力，MPa；σh1、σh2分别为最大、最小水平地应力，MPa。

由式（7）、（8）可获得辉绿岩侵入体最大水平地应力构造应力系数ε为0．703，最小水平地应力构造应力系数γ为0．271（式（7）、（8）中μs为岩石静态泊松比），进而可以求出辉绿岩侵入体的地应力剖面，如图6所示。由图6可以看出，顺北地区奥陶系辉绿岩段最大水平主应力最大，上覆岩石地层压力次之，最小水平主应力最小。

图6 顺北1井辉绿岩侵入体地应力大小分布剖面

Fig．6 Diabse formation stress profile of Well Shunbei－1

3）地层坍塌压力。硬脆性地层的井壁失稳一般表现为剪切破坏而坍塌、扩径，其主要原因是岩石所承受的剪切力克服了岩石的剪切强度和作用于剪切面上的摩阻力，即

式（9）中：τ 为摩阻力，MPa；μ 为岩石的内摩擦系数，μ＝tanφ；σ为剪切力，MPa。

通过对顺北1井火成岩地层段进行坍塌压力和破裂压力计算，并结合地层破裂试验参数进行校正（图7），可以看出，该井泥岩、凝灰岩地层井壁稳定性好，地层坍塌压力当量密度普遍低于1．4 g／cm3；辉绿岩地层井壁稳定性差，地层坍塌压力当量密度普遍在1．8 g／cm3左右。在实际钻井过程中，钻井液密度为1．65 g／cm3时无法满足井壁稳定要求，低于钻井液密度预测结果，井壁垮塌扩径；当钻井液密度升高至1．87 g／cm3时，井壁稳定性转好，井眼较为规则。

图7 顺北1井辉绿岩及附近地层坍塌压力当量密度分布剖面Fig．7 Diabse formation stress profile of Well Shunbei－1

3 辉绿岩井段合理钻井液密度的确定

从地层压力和坍塌压力数据可以看出，辉绿岩坍塌压力高达1．75～1．80 g／cm3，侧钻前使用1．40 g／cm3的钻井液密度显然无法平衡坍塌压力，因而发生了崩落垮塌。为此，利用测井资料分析计算了侧钻前后井壁岩石承受的周向应力和径向应力的情况，可以发现，侧钻前钻井液密度为1．40 g／cm3时，岩石周向应力与径向应力的差值最大为115 MPa（图8a）；侧钻后在井深6 928 m 调整钻井液密度为1．85 g／cm3以上，其差值降为65 MPa（图8b），井壁失稳风险降低，井径扩大率明显变小（图9）。

同时，已钻各井在辉绿岩井段均呈现井斜上升趋势，因此考虑井斜的影响，利用测井资料对井深6 715、6 925、6 935、6 940 m层段做应力分布图（图10），可以看出，井斜角从0°到90°时须用不同的钻井液密度抑制坍塌，井斜角为0°时（6 915 m）1．84 g／cm3的钻井液密度即可维持井壁稳定，当井斜角为90°时，钻井液密度高达1．98 g／cm3。

综合顺北1井现场数据及理论计算结果，推荐顺北地区辉绿岩段钻井液密度不低于1．85 g／cm3，再考虑井斜、地层破裂压力的影响，推荐钻井液密度窗口为1．85～1．99 g／cm3（表4）。

根据上述钻井液密度窗口推荐结果，在后续实施的顺北1－3、顺北1－6H井等作业中，三开井段均未出现明显掉块，平均井径扩大率约11．5%，辉绿岩井段井径扩大率16．7%，钻井周期较邻井缩短12．1～15．2d，取得了显著效果。

图8 顺北地区辉绿岩侵入体在不同钻井液密度下周向与径向应力分布Fig．8 Radial and circumferential stress under condition of different drilling fluid density of Shunbei diabase

图9 顺北1井辉绿岩井段井径与钻井液密度曲线Fig．9 Diabse well section’s caliper and mud density curve of Well Shunbei－1

图10 顺北地区辉绿岩不同井斜角所需钻井液密度Fig．10 Shunbei diabase required mud density under different inclination angles

表4 顺北地区辉绿岩段地层压力数据及推荐钻井液密度窗口Table 4 Shunbei diabase section formation pressure and recommend drilling fluid density window

4 结论

1）从微观结构特性分析入手，对顺北地区奥陶系塔木组辉绿岩矿物组分及含量进行了分析，开展了辉绿岩理化特性测试和岩石力学实验，结果表明：辉绿岩基岩矿物主要以斜长石为主，缝间填充物矿物主要包括石英、斜长石和黏土矿物，水化不易分散、稳定性好、水化膨胀应变非常小，不易造成井壁坍塌失稳；辉绿岩具岩石硬脆性、强度高而弹塑性差的力学特征，微裂缝发育的弱理面效应导致辉绿岩岩体整体强度降低易造成井壁坍塌失稳。

2）根据裂缝对辉绿岩强度的影响规律，建立了辉绿岩地应力与坍塌压力剖面，从而得出了辉绿岩井段合理钻井液密度窗口为1．85～1．99 g／cm3，在后续实施的顺北1－3、顺北1－6H等井钻井中取得成功应用。

［1］ 徐同台．井壁稳定技术研究现状及发展方向［J］．钻井液与完井液，1997，14（4）：36－43．XU Tongtai．On wellbore stability technology［J］．Drilling Fluid and Completion Fluid，1997，14（4）：36－43．

［2］ 赵忠举，等．国外力学和化学稳定井壁机理和方法的调研［R］．北京：中国石油天然气总公司石油信息研究所，2000：56－70．

［3］ 刘向君．井壁力学稳定性原理及影响因素分析［J］．西南石油学院学报，1995，17（4）：51－57．LIU Xiangjun．The principle of well face mechanical stability and its influence factors［J］．Journal of Southwest Petroleum Institute，1995，17（4）：51－57．

［4］ 陈颖杰，王宇，徐婧源，等．考虑有效膜压力的坍塌压力计算模型［J］．天然气工业，2016，36（3）：69－76．CHEN Yingjie，WANG Yu，XU Jingyuan，et al．A calculation model of collapse pressures with consideration to the effective diaphragm pressure［J］．Natural Gas Industry，2016，36（3）：69－76．

［5］ 周鹏高，王峥，张建彬，等．允许井壁有限破坏的坍塌压力计算模型［J］．石油矿场机械，2016，45（2）：50－53．ZHOU Penggao，WANG Zheng，ZHANG Jianbin，et al．Collapse pressure calculation model allowed borehole limited destruction［J］．Oil Field Equipment，2016，45（2）：50－53．

［6］ 陈勉，金衍，张广清．石油工程岩石力学［M］．北京：科学出版社，2008：118－121．CHEN Mian，JIN Yan，ZHANG Guangqing．Rock mechanics of petroleum engineering［M］．Beijing：Science Press，2008：118－121．

［7］ 吴超，陈小锋，王磊．钻井液密度窗口随钻预测理论及其工程应用［J］．石油学报，2016，37（3）：399－405．WU Chao，CHEN Xiaofeng，WANG Lei．A theory on predicting drilling fluid density windows while drilling and its engineering application［J］．Acta Petrolei Sinica，2016，37（3）：399－405．

［8］ 张荣，韩丰欣，苗海龙，等．BZ13－1油田防塌钻井液的研制及应用［J］．中国海上油气，2010，22（2）：119－121，124．ZHANG Rong，HAN Fengxin，MIAO Hailong，et al．Development and application of anti－collapsing drilling fluid for BZ13－1 oilfield［J］．China Offshore Oil and Gas，2010，22（2）：119－121，124．

［9］ 李炎军，田艺，邵诗军．涠洲12－1N油田复杂事故井套管开窗侧钻工艺设计与作业实践［J］．中国海上油气，2006，18（1）：45－48．LI Yanjun，TIAN Yi，SHAO Shijun．Casing side－tracking design and operation for complicated accidental well in WZ12－1N oilfield［J］．China Offshore Oil and Gas，2006，18（1）：45－48．

［10］ 张海山．东海地区低孔低渗储层低自由水钻井液体系研究与应用［J］．中国海上油气，2013，25（2）：71－73．ZHANG Haishan．The research and application of low free water drilling fluid system in the low porosity and low permeability reservoirs in the East China Sea［J］．China Offshore Oil and Gas，2013，25（2）：71－73．

［11］ 路保平，鲍洪志．岩石力学参数求取方法进展［J］．石油钻探技术，2005，33（5）：44－47．LU Baoping，BAO Hongzhi．Advances in calculation methods for rock mechanics parameters［J］．Petroleum Drilling Techniques，2005，33（5）：44－47．

［12］ 张广清，金衍，陈勉．利用围压下岩石的凯泽效应测定地应力［J］．岩石力学与工程学报，2002，21（3）：360－363．ZHANG Guangqing，JIN Yan，CHEN Mian．Measurement of insitu stresses by Kaiser effect under confining pressures［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（3）：360－363．

［13］ 邓金根，黄荣樽，田效山．油田深部地层地应力测定的新方法［J］．石油大学学报，1997，21（1）：32－35．DENG Jingen，HUANG Rongzun，TIAN Xiaoshan．A new method for measuring in situ stress in deep formation［J］．Journal of the University of Petroleum，China，1997，21（1）：32－35．

［14］ 陈治喜，陈勉，金衍．岩石断裂韧性与声波速度相关性的试验研究［J］．石油钻采工艺，1997，19（5）：56－60．CHEN Zhixi，CHEN Mian，JIN Yan．Experimental study on the relationship between rock fracture toughness and acoustic velocity［J］．Oil Drilling and Production Technology，1997，19（5）：56－60．

［15］ 徐同台，等．井壁稳定技术［M］．北京：石油工业出版社，2001．

［16］ 刘向君，罗平亚．测井在井壁稳定性研究中的应用及发展［J］．天然气工业，1999，19（6）：33－35．LIU Xiangjun，LUO Pingya．Application of logging to the research on sidewall stability and its development［J］．Natural Gas Industry，1999，19（6）：33－35．

［17］ CHEN Z X，CHEN M．Analysis of hydraulic fracture behavior with a three dimensional microcomputer simulator［R］．SPE 38059，1997．

［18］ 谭强，邓金根，张勇，等．各向异性地层定向井井壁坍塌压力计算方法［J］．断块油气田，2010，17（5）：608－610．TAN Qiang，DENG Jingen，ZHANG Yong，et al．Calculation method of directional borehole collapse pressure in anisotropic formations［J］．Fault－Block Oil and Gas Field，2010，17（5）：608－610．

［19］ 刘之的，夏宏泉，汤小燕，等．成像测井资料在地应力计算中的应用［J］．西南石油学院学报，2005，27（4）：9－12．LIU Zhide，XIA Hongquan，TANG Xiaoyan，et al．The application of the formation stress calculation using image well logging data［J］．Journal of Southwest Petroleum Institute，2005，27（4）：9－12．

Analysis on borehole instability mechanism of diabase in Shunbei Block

HU Guangqiang1BAI Binzhen2KE Ke2
（1．Northwest Company of SINOPEC，Urumqi，Xinjiang830011，China；2．SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing100101，China）

The borehole collapse was serious when drilling the diabase of Ordovician Sangtamu Formation in Shunbei area，which resulted in frequent tripping and sticking problems．Lost circulation happened many times upon increasing the mud density and the control measures did not work well．Integrated study was carried out，involving investigation of micro－structure of diabase formation，the physical－chemical properties test，and the rock mechanics experiments．The results indicate that the diabase mainly consists of plagioclase，and some quartz and clay minerals in its fractures．The formation has a low hydration／swelling tendency，and is stable in water based muds，which suggests that hydration is not the main cause to induce borehole instability．The diabase is hard and brittle，with high strength and poor elastoplasticity；the weak plane effect with developed micro－fractures could make the diabase strength lower，leading to borehole collapse．The profiles of geostress and collapse pressure in diabase formation were figured out based on the influence of fractures on diabase strength．The safety drilling fluid window for diabase formation were also established and applied successfully in wells SB 1－3，SB2－6H and other wells in Shunbei Block，exhibiting promising potential．

diabase；borehole stability；rock mechanics；collapse pressure；drilling fluid density safety window

TE21

A

胡广强，白彬珍，柯珂．顺北区块辉绿岩井段井壁稳定性分析［J］．中国海上油气，2017，29（5）：119－125．

HU Guangqiang，BAI Binzhen，KE Ke．Analysis on borehole instability mechanism of diabase in Shunbei Block［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：119－125．

1673－1506（2017）05－0119－07

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．017

“十二五”国家科技重大专项“顺北1井区钻完井评价与优化研究（编号：2011ZX05049－002－002）”部分研究成果。

胡广强，男，工程师，2011年毕业于西南石油大学，获硕士学位，现主要从事深井超深井、定向井、水平井钻井、安全风险评价控制等方向相关科研及技术支持工作。地址：新疆乌鲁木齐市新市区长春南路466号B508室（邮编：830011）。E－mail：huguangqiang0＠qq．com。

2016－10－10 改回日期：2017－01－20

（编辑：孙丰成）