准噶尔盆地中部Ⅰ区块坍塌压力分析

第23卷第14期岩石力学与工程学报23(14)：2417～24202004年7月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJuly，20042003年6月20日收到初稿，2003年8月22日收到修改稿。作才张传进简介：男，1965年生，1986年毕业于成都理工大学钻探工程专业，现为高级工程师、工程技术室主任，主要从事石油工程方面的技术管理和研究工作。E-mail：[e-mail]。准噶尔盆地中部Ⅰ区块坍塌压力分析张传进(中石化石油勘探开发研究院西部分院乌鲁木齐830011)摘要准噶尔盆地腹部地区中部Ⅰ区块是中国石化西部新区勘探的重点区块，通过庄1井、沙1井2口探井的钻井发现了工业油气流。在钻井施工中，白垩系、侏罗系地层井壁失稳严重。在室内岩芯实验的基础上，确定了影响该区块坍塌压力计算的基础参数，从而确定出保持井壁稳定所需的钻井液密度，为该区今后的油气勘探开发提供了保证。关键词石油工程，准噶尔盆地，井壁稳定，坍塌压力，钻井液密度分类号TE28文献标识码A文章编号1000-6915(2004)14-2417-04ANALYSISONCOLLAPSEPRESSUREINBLOCKIOFJUNGGARBASINZhangChuanjin(TheWesternBranchofSEPRI，SINOPEC，Urumq830011China)AbstractBlockIinJunggarBasinisthemostimportantblockofthewesternnewexplorationareaofSINOPEC.CommercialoilandgashavebeenfoundinthewellZ1andS1.Inthedrillingprocess，thecollapseofwellborewallissevereintheCretaceousandJurassicstrata.Onthebaseofcoreexperiment，thebasicparametersthatinfluencethecollapsearecalculated，andmuddensityforthestabilityofwellborewallisdetermined.Alloftheseensurethefurtherexplorationanddevelopingofoilandgasinfuture.Keywordspetroleumengineering，JunggarBasin，stabilityofwallborewall，collapsepressure，muddensity1前言准噶尔盆地腹部地区是中国石化西部新区勘探的重点区块，在2002年西部新区油气勘探中，取得了“一个重大突破，一个重要发现”，即在中部Ⅰ区块庄1井的试获工业油气流和沙1井厚油层的发现，充分显示了准噶尔盆地腹部巨大的勘探潜力。但在钻井施工到吐谷鲁群、八道湾组中段和三叠系地层时，钻遇大段泥岩和碳质泥岩[1]，受地层坍塌压力的影响，在泥岩地层段和碳质泥岩段钻井时，地层垮塌、缩径严重，井筒极不规则，造成了固井质量不高，影响着后期工程作业[2]。这些工程因素的存在，减缓了该区块的勘探开发步伐。2泥岩失稳机理泥页岩发生井壁失稳的因素大体可分为2方面[3]：其一为泥浆化学因素，其二为地层力学因素。前人的研究证明，井壁坍塌问题一般都可归结为井•2418•岩石力学与工程学报2004年壁岩石所受的应力超过其本身的强度，岩石产生剪切破坏而引起的。泥浆的侵蚀作用会减弱泥页岩的强度，使之更易发生坍塌。因此，从岩石力学角度出发，用测井资料求取岩石力学参数，通过井壁稳定性分析得出能控制井壁失稳的泥浆密度范围，配合优质泥浆技术，可以使泥页岩井壁稳定问题得到解决。在分析岩石力学稳定时[4]，假定泥页岩的渗透率非常小，且泥浆性能优良，基本上与泥页岩不发生渗透流动，根据莫尔-库仑强度准则，便可得岩石坍塌压力，即保持井壁稳定所需的泥浆密度公式为HmmPcmP)()1(2)(10022phHtηασση+−+−−=式中：cot(=m45°)2/ψ−，其中ψ为内摩擦角；α为测井得出的孔隙度；H为井深(m)；c为岩石粘聚力(MPa)；η为应力非线性修正系数；Hσ，hσ分别为最大和最小水平地应力(MPa)；Pt为当量泥浆密度坍塌压力(g/cm3)。在对某地区或区块坍塌压力的变化分析中，岩石的粘聚力和内摩擦角是至关重要的参数，这些参数的获取必须以室内岩石力学实验为主。因此，在研究准噶尔盆地中部Ⅰ区块坍塌压力变化时，分别在坍塌、缩径较为严重的井段吐谷鲁群、三工河组进行了取芯作业，以便准确地求取影响坍塌压力的计算参数。3岩石力学实验[5]岩石力学实验的主要仪器为TereaTek公司生产的岩石力学三轴应力测试系统(RockMechanicsTriaxialTestSystem)，该系统主要包括以下几部分：加载框架及轴压控制系统、围压控制系统、孔隙压力控制系统、超声波测量系统、计算机采集和控制系统。主要测试指标：轴向载荷最大值，1400kN；围压最大值，140MPa；孔隙压力最大值，100MPa；最大模拟井深，10000m；温度控制最大值，200℃；测试岩样尺寸，φ25mm×50mm，φ50mm×100mm；系统精度，误差0.0005。根据莫尔-库仑强度准则，利用莫尔圆(其原理图如图1)，在多组实验数据的基础上，得出准噶尔盆地中部Ⅰ区块吐谷鲁群下段、八道湾组中段粘聚力和内摩擦角(表1)。图1莫尔圆工作原理示意图Fig.1SketchoftheprincipleofMohrcircle表1部分层段粘聚力和内摩擦角数据Table1Dataofcohesionandinnerfrictionangleofsomelayers层段粘聚力/MPa内摩擦角/(°)吐谷鲁群下段33.9833.64八道湾组中段15.0431.404现场因素分析准噶尔盆地中部Ⅰ区块是中国石化西部新区勘探的重点区块，目前，在该区块部署探井7口，完钻井4口，在白垩系三工河组段都有良好的油气显示。但由于该区块白垩系、侏罗系地层地层坍塌压力高于地层孔隙压力，造成工程质量不高，影响着勘探进度。白垩系吐谷鲁群主要岩性组合特征为棕红色泥岩、砂质泥岩夹浅灰色、灰白色粉砂岩、泥质粉砂岩。侏罗系八道湾组中段及以下地层主要岩性组合特征为以黑色泥岩、深灰色砂泥岩为主，间夹浅灰色粉砂岩、灰黑色碳质泥岩和黑色煤层。在吐谷鲁群棕红色泥岩段钻井中，如果钻井液密度大于地层孔隙压力和坍塌压力，井眼发生缩径，钻井起下钻遇阻严重，这主要是因为：虽然钻井液平衡了地层压力，但是，泥岩段的水化膨胀引起了井眼缩径；如果地层坍塌压力大于地层孔隙压力，而钻井液液柱压力没有平衡坍塌压力，则井眼扩径，形成不规则井眼(图2)。在八道湾组中段及以下地层钻井时，由于碳质泥岩粘聚力的降低，钻井液液柱压力没有平衡地层坍塌压力和孔隙压力，井眼直径扩大率最高可达第23卷第14期张传进.准噶尔盆地中部I区块坍塌压力分析•2419•80%，对固井质量造成了严重的影响(见图3)。5结论及建议根据准噶尔盆地中部Ⅰ区块前期几口探井的钻井和岩石力学室内实验得出的初步数据，对该区块钻井提出如下建议：(1)以室内岩石力学实验得出的层段粘聚力和内摩擦角数据为依据，在钻井设计中，充分考虑坍塌压力的影响，合理地确定钻井液密度，达到平衡地层坍塌压力或地层孔隙压力的目的。(2)钻井棕色泥岩段时，除考虑钻井液密度平衡地层坍塌压力或地层孔隙压力外，还应考虑钻井液性能，降低钻井液失水，防止泥岩水化膨胀；钻井碳质泥岩段时，应在平衡地层坍塌压力或地层孔隙压力基础上，附加0.02～0.04的压力系数调整钻井液密度，以防止压力释放而导致地层垮塌产生连锁反应。孔隙压力(g/cm3)11.8坍塌压力(g/cm3)11.8泥浆比重(g/cm3)11.8深度(m)岩性标准井径(cm)1040井径(cm)104030003040308031203160泥岩泥质细砂岩粉砂岩图2庄1井泥岩井段的压力不平衡剖面图Fig.2ProfileofunbalancedpressureinmudlayersinwellZ1孔隙压力/g·cm－3坍塌压力/g·cm－3泥浆比重/g·cm－3深度/m岩性1.81.81.8标准井径/cm井径/cm3000304030803120101040403160111•2420•岩石力学与工程学报2004年泥浆密度(g/cm3)12坍塌压力(g/cm3)12孔隙压力(g/cm3)12深度(m)岩性标准井径(cm)2040井径(cm)204047204760480048404880黑色泥岩灰色细砂岩灰色粉砂岩图3沙1井碳质泥岩井段的压力不平衡剖面图Fig.3ProfileofunbalancedpressureincarbonaceousshalelayersinwellS1参考文献1甘霖.失稳地层分析归类及泥浆对策[J].新疆石油科技，1996，6(4)：1～52李健，罗平亚.准噶尔盆地南缘地区稳定井壁的钻井液技术[J].天然气工业，1996，16(1)：39～423徐同台，崔茂荣，王允良等.钻井工程井壁稳定技术[M].北京：石油工业出版社，19994路保平，张传进，鲍洪志等.测井资料在钻井工程中应用及展望[M].北京：石油工业出版社，20005张传进.岩石力学三轴应力测试系统及应用[J].石油钻探技术，1995，12(4)：3～6泥浆密度/g·cm－3坍塌压力/g·cm－3孔隙压力/g·cm－3深度/m岩性222标准井径/cm井径/cm4720476048004840202040404880111