摘　要：四川盆地川西地區(qū)北部九龍山構(gòu)造鉆井中經(jīng)常出現(xiàn)井涌、井漏、卡鉆、遇阻等鉆井復(fù)雜和事故。為此，在該構(gòu)造應(yīng)用地應(yīng)力分析技術(shù)(GMI)開(kāi)展了現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)研究和巖石力學(xué)參數(shù)定量計(jì)算，先通過(guò)密度測(cè)井、水力壓裂及成像測(cè)井等資料解釋出上覆巖石應(yīng)力屬于中間主應(yīng)力，然后應(yīng)用密度、聲波等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，采用不同模型計(jì)算砂巖、泥巖、碳酸鹽巖的巖石強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比、內(nèi)摩擦系數(shù)等巖石力學(xué)參數(shù)，從而獲取了較準(zhǔn)確的地層壓力三曲線(xiàn)剖面，評(píng)估了該區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)下的直井、定向井及水平井的井壁穩(wěn)定性。根據(jù)該區(qū)鉆井復(fù)雜和事故形成的力學(xué)根源，提出了適合該構(gòu)造鉆井的合理的井身結(jié)構(gòu)、安全的鉆井液密度窗口、鉆井軌跡最佳方向等新井鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。新鉆5口井實(shí)際應(yīng)用效果表明：鉆井復(fù)雜和事故得到了顯著降低，鉆井周期明顯縮短，由此加快了九龍山構(gòu)造的勘探開(kāi)發(fā)步伐。

關(guān)鍵詞：地應(yīng)力  分析技術(shù)  井身結(jié)構(gòu)  鉆井液密度安全窗口  鉆井軌跡  推廣應(yīng)用  四川盆地西北  九龍山構(gòu)造

Application of in-situ stress analysis to an optimal design of drilling in the Jiulongshan Structure，northern West Sichuan Basin

Abstract：During the drilling in the Jiulongshan Structure in the northern West Sichuan Basin，complexities and drilling accidents are frequently encountered inclu．ding well kick，lost circulation，sticking of drilling tools，sloughs off，etc．In view of this，thc GMI analysis was adopted to study the present in-situ stress and quantitatively calculate the mechanical parameters of rocks in this studv area as follows．First，through the analysis of thc density logging，hydraulic fracturing，image logging and other data．it was explained that the overlying rock stress belongs to intermediate principal stress．Then，based on the density，acoustic and other logging data，different models were used to calculate the rock mechanical parameters，including the rock strength，Young's modulus，Poisson's ratio and internal friction coefficient of sandstone·mudstone and carbonatite．Thus，a relatively accurate in-situ strcss Drofile was buihwith three curves．On this basis，the wellbore stability was evaluated respectively of vertical wells，directional wells and horizontal wells under the present in-situ stress condition there．According to the mechanical origins of such drilling complexities and incidents in this area，recommendations were proposed for an optimal drilling design for those new wells adaptable for this area，including the reasonable wellbore configuration，safe drilling fluid density window and the optimal direction of drilling traj ectory．The actual practices in the newly drilled 5 wells show that the drilling complexities and incidents are greatly reduced and the drilling period is significantly shortened．This study helps accelerate the exploration and development in this studv area．

Key words：in-situ stress，analysis technology，wellbore configuration，drilling fluid density window，drilling trajectory，popularization and application，northern West Sichuan Basin，Jiulongshan Structure

四川盆地川西地區(qū)北部九龍山構(gòu)造具有多產(chǎn)層、多壓力系統(tǒng)、異常高壓、地層泥質(zhì)含量高等特點(diǎn)，鉆井速度低、鉆井事故和復(fù)雜頻發(fā)的問(wèn)題十分突出，經(jīng)常出現(xiàn)井涌、溢流、井漏、咔鉆、遇阻、沉砂等鉆井事故、復(fù)雜。龍16井因發(fā)生阻卡70多次、落魚(yú)事故3次、井漏

或溢流60多次，鉆井周期長(zhǎng)達(dá)792d。據(jù)l980—2008年中國(guó)區(qū)地震分布圖(源自世界地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù))，九龍山構(gòu)造地震活動(dòng)頻繁，較強(qiáng)的地應(yīng)力狀態(tài)極易在鉆井井壁形成應(yīng)力集中誘發(fā)鉆井事故、復(fù)雜。準(zhǔn)確評(píng)估現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鉆井井壁穩(wěn)定性的影響、優(yōu)選安全的定向井和水平井井眼軌跡，是當(dāng)前九龍山構(gòu)造鉆井急需解決的重要課題。

1　地應(yīng)力分析技術(shù)(GMI)

現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鉆井井壁穩(wěn)定性、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)方案的優(yōu)選非常重要，如何準(zhǔn)確獲取地層地應(yīng)力大小和方向，是當(dāng)前鉆井和開(kāi)發(fā)生產(chǎn)亟須解決的一大技術(shù)難題^[1-3]。我國(guó)各油田和大學(xué)逐步開(kāi)展了地應(yīng)力分析和應(yīng)用研究，但研究的精度和實(shí)用性尚待大幅提高。GNT公司經(jīng)過(guò)20多年不斷研究與探索，形成了較為完善的深部地層地應(yīng)力狀態(tài)的地應(yīng)力分析技術(shù)(GMI)：其研究思路從分析井筒破損與地應(yīng)力狀態(tài)、巖石力學(xué)、化學(xué)和鉆井工程參數(shù)等因素之間的相互關(guān)系入手，采用測(cè)井解釋方法為主，輔之實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法獲取現(xiàn)今連續(xù)地應(yīng)力的大小和方向，該方法成功地應(yīng)用到鉆井的井筒穩(wěn)定性評(píng)估和鉆井工程設(shè)計(jì)優(yōu)化、油氣開(kāi)發(fā)中的斷層封堵性分析、套管損壞分析、出砂預(yù)測(cè)和裂縫滲透性分析，取得了較好的成效。為此，通過(guò)采用GMI地應(yīng)力技術(shù)，研究四川盆地西部九龍山構(gòu)造現(xiàn)今地應(yīng)力，分析本區(qū)鉆井復(fù)雜情況發(fā)牛的力學(xué)根源，提出有針對(duì)性的鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

2　九龍山構(gòu)造地應(yīng)力狀態(tài)分析

GMI地應(yīng)力模型提供了三軸主地應(yīng)力(上覆地層壓力、最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力)的大小和方向、地層孔隙壓力、巖石機(jī)械力學(xué)性質(zhì)(單軸巖石強(qiáng)度、楊氏模量、內(nèi)摩擦系數(shù)、泊松比)等4項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算和描述。特殊地區(qū)還需考慮薄弱地層(特殊地層如鹽層)、原生斷層、裂縫的分布、地?zé)嵋蛩赜绊懙?。我們根?jù)九龍山構(gòu)造的鉆井、地質(zhì)、測(cè)井(包括成像測(cè)井)、測(cè)試等資料，以龍l6井為例建立了九龍山構(gòu)造的地應(yīng)力模型，基本摸清了本區(qū)的現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)。

2．1　上覆地層壓力和地層孔隙壓力

上覆地層壓力即垂直主應(yīng)力，可用密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)積分確定^[4]。從圖1可知龍l6井淺層(0～500m)上覆地層壓力變化迅速，快速升至2.25g／cm³；自500m至井底，呈平穩(wěn)增加趨勢(shì)，由2.25g／cm³增至2.65g／cm³。

龍16井陸相地層的聲波、密度和電阻率3條曲線(xiàn)從中侏羅統(tǒng)沙溪廟組下部開(kāi)始出現(xiàn)明顯偏離泥巖正常壓實(shí)趨勢(shì)^[5](圖1)。因此判斷地層孔隙壓力白沙溪廟下部逐漸升高，部分井上三疊統(tǒng)須家河組的地層壓力系數(shù)高達(dá)l.83，本區(qū)實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)、鉆井液氣侵等現(xiàn)象也說(shuō)明了須家河組具有較高的壓力異常。海相地層孔隙壓力形成機(jī)理和預(yù)測(cè)方法比較復(fù)雜，通過(guò)各井鉆井液密度、漏失和氣浸溢流等現(xiàn)象分析，認(rèn)為部分井段碳酸鹽地層壓力系數(shù)最高至2.15(如下三疊統(tǒng)嘉陵江組嘉二段高壓鹽水層)。

2．2　水平主應(yīng)力

水平方向存在兩個(gè)相互垂直的力，即最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力[4]。根據(jù)本區(qū)的地層破裂試驗(yàn)和地層承壓試驗(yàn)等數(shù)據(jù)確定最小水平主應(yīng)力，確定九龍山地區(qū)最小水平主應(yīng)力的系數(shù)為1.83～2.45，該值可看作為九龍山構(gòu)造的地層破裂壓力下限值，可作為預(yù)防鉆井漏失、地層壓裂設(shè)計(jì)和施工非常重要的參考。

最大水平主應(yīng)力大小的定量確定比較困難，這是地應(yīng)力研究和應(yīng)用的一大難題。根據(jù)本區(qū)成像測(cè)井分析了各井在鉆井液液柱壓力下的井壁破壞類(lèi)型及程度，利用地應(yīng)力分析模塊(GMI*SFIB)，反演模擬小同深度處最大水平主應(yīng)力(SHmax)的大小。圖2顯示龍16井5904m深度處發(fā)育一條張裂縫，巖性為含膏灰?guī)r，巖石抗壓強(qiáng)度約l30MPa，上覆地層壓力當(dāng)量密度2.60g／cm³，最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度約2.30g／cm³，鉆井液密度(2.23～2.28³／cm³)與孔隙壓力當(dāng)量密度之差為0.17³／cm³，選取Mohr-Colum巖石破壞準(zhǔn)則，反演模擬其最大水平主應(yīng)力當(dāng)量密度為3.15～3.26³／cm³。

縱向上最大水平主應(yīng)力有效應(yīng)力比(SHmax-Pp)／(Sv-p)一般地趨于一個(gè)常數(shù)。根據(jù)不同深度處最大水平主應(yīng)力的模擬結(jié)果，確定了九龍山構(gòu)造最大水平主應(yīng)力有效應(yīng)力比大約為2.30。據(jù)此，采用SHmax≈2.3(Sv-Pp)+Pp算連續(xù)的最大水平主應(yīng)力剖面。

應(yīng)用地應(yīng)力技術(shù)(GMI)的以上步驟和方法，基本摸清了九龍山構(gòu)造現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為擠壓性的走滑斷裂機(jī)制的地應(yīng)力狀態(tài)，即SHmin<Sv< SHmax，2008年汶川特大地震也間接地證明本區(qū)處于較強(qiáng)的地應(yīng)力狀態(tài)。

2．3　最大水平主應(yīng)力方向

由于地層在水平方向存在應(yīng)力差，鉆井產(chǎn)牛的垮塌和張性裂縫的方位可以用地層傾角測(cè)井和成像測(cè)井方法進(jìn)行判定^[6-7]。分析龍002-1、龍l6、龍l01、龍110、龍l05、龍l09、龍ll6、龍ll8和龍l20等9口井的成像測(cè)井圖像，各井井壁出現(xiàn)垮塌和張性裂縫均具有規(guī)律性方向分布，按井壁垮塌方向與最大水平主應(yīng)力方向垂直，而張性裂縫出現(xiàn)的方位與最大水平主應(yīng)力方向平行的形成機(jī)制，判斷九龍山現(xiàn)今地應(yīng)力為近東西方向，即l06°～l20°，各井區(qū)基本一致(圖2、3)。

2．4　巖石力學(xué)參數(shù)

準(zhǔn)確計(jì)算地層巖石力學(xué)性質(zhì)是進(jìn)行鉆井井壁穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)和前提。巖石力學(xué)參數(shù)^[8]包括巖石強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比、內(nèi)摩擦系數(shù)等。不同巖石的力學(xué)性質(zhì)差異較大，對(duì)不同巖性選用與其匹配的計(jì)算模型和經(jīng)驗(yàn)公式，即砂巖采用McNally模型、泥巖采用Modifed Horsrud模型、碳酸鹽巖采用Golubev-DT模型，獲取了九龍山構(gòu)造各地層相對(duì)準(zhǔn)確的巖石力學(xué)參數(shù)剖面(圖4)，陸相砂泥巖地層和海相碳酸鹽地層的巖石力學(xué)性質(zhì)具有較大差別，單軸巖石強(qiáng)度：陸相地層為30～160MPa，而海相地層總體較高，平均達(dá)200MPa，部分石膏層和鹽巖只有60MPa，甚至更低；楊氏模量：陸相地層變化幅度較大，范圍區(qū)間為25～80GPa，海相地層總體較高但變化不大，范圍區(qū)間為65～90GPa；泊松比：砂泥巖變化大，0.15～0.36，碳酸鹽巖約為0.35，變化較小；內(nèi)摩擦系數(shù)：砂泥巖較小介于0.6～0.8，碳酸鹽巖地層較大，介于0.8～1.10。

3　井壁穩(wěn)定性特點(diǎn)及應(yīng)用效果

3．1　井壁穩(wěn)定性特點(diǎn)

把九龍山構(gòu)造地應(yīng)力狀態(tài)和巖石力學(xué)參數(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，計(jì)算獲得九龍山構(gòu)造的龍16井區(qū)和龍002-l井區(qū)地層三壓力剖面(圖5)。

圖5顯示本區(qū)地層三壓力剖面具有以下特點(diǎn)：①地層孔隙壓力系數(shù)：沙溪廟以下為異常壓力；須家河組高至1.83；海相地層最高至2.20；②地層坍塌壓力系數(shù)：井口—遂寧組較低，即小于1.00；上沙溪廟組—段一段整體較高，1.2～1.85；碳酸鹽巖地層較低，0.2～1.85；③地層破裂壓力系數(shù)：由淺層l.83增至2.45。

基于地應(yīng)力狀態(tài)、巖石力學(xué)、地層三壓力剖面的認(rèn)識(shí)，總結(jié)了九龍山構(gòu)造鉆進(jìn)各地層的井壁穩(wěn)定性。

1)遂寧組至沙溪廟組上部坍塌破壓力系數(shù)較低(0～1.10)，符合空氣鉆井的力學(xué)條件。

2)沙溪廟組下部：坍塌壓力系數(shù)迅速增加(1.40～1.88)，空氣鉆井風(fēng)險(xiǎn)很高。

3)珍珠沖段：地層研磨性強(qiáng)，大約需要l.40g／cm³井筒液柱壓力。

4)須家河組：地層孔隙壓力系數(shù)達(dá)l.83，屬于高壓異常；坍塌壓力系數(shù)較高(1.40～1.85)；如地層存在裂縫時(shí)其漏失壓力系數(shù)只有1.76，比相鄰井段的孔隙壓力系數(shù)還低，有效平衡孔隙壓力和漏失壓力是須家河組鉆井成功的關(guān)鍵。

5)海相地層(嘉陵江組至吳家坪組)：孔隙壓力系數(shù)局部異常(1.83～2.20)；坍塌壓力系數(shù)平均1.50，部分膏巖和泥巖段坍塌壓力系數(shù)高達(dá)2.10，其井壁穩(wěn)定性較差。

6)鉆井軌跡對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響^[9-10]：九龍山構(gòu)造不同方向的鉆井軌跡的井壁的穩(wěn)定性差異較大，如圖6所示：一般直井和定向井(井斜角少于45°)的坍塌壓力相對(duì)較低，井壁穩(wěn)定性相對(duì)較好；而水平井和大斜度井，平行最大水平主應(yīng)力方向，即為東東南(75°～165°)或西西北(255°～345°)方向的大斜度井(井斜大于45°)，坍塌壓力相對(duì)較低，井壁穩(wěn)定性好，而垂直最大水平主應(yīng)力方向的水平井和大斜度井，坍塌壓力相對(duì)較高，鉆井風(fēng)險(xiǎn)較高。

3．2　鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化及應(yīng)用效果

根據(jù)九龍山構(gòu)造地應(yīng)力模型和三個(gè)地層壓力剖面，對(duì)已鉆的龍16井和龍17井的井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度安全窗口進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(圖7)。從維持井壁穩(wěn)定性角度考慮，分析其井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度安全窗口存在較大的缺陷，致使中間技術(shù)套管段無(wú)可操作的鉆井液密度安全窗口，井壁穩(wěn)定性變差，這可能是兩井在該段頻繁出現(xiàn)遇阻、卡鉆甚至鉆井事故的力學(xué)根源；同時(shí)海相地層的鉆井液密度安全窗口也非常窄，極易誘發(fā)井漏、井涌溢流復(fù)雜。

以孔隙壓力與坍塌壓力二者的最大值作為優(yōu)化鉆井液密度安全窗口下限，取地層破裂壓力作為七限的原則。本區(qū)超深井應(yīng)采取五層套管，除表層套管外，各層套管下深及鉆井液密度窗口(圖7和表l)。對(duì)于中深井，只需去掉下部一層或兩層套管，可使各井眼段均有安全的鉆井液密度窗口，能有效維持井壁的穩(wěn)定性。但如地層裂縫發(fā)育，應(yīng)及時(shí)采取措施提高地層承壓能力，防范井漏發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2010年下半年新鉆的以珍珠沖組和須家河組為目的層的中深井，包括龍002-4、龍002-5、龍002-6、龍002-7、龍002-8井等井，實(shí)鉆基本采納了建議的鉆井井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度安全窗口，中間技術(shù)套管下至坍塌壓力逐步抬升之前的沙溪廟組中下部，下部作為單獨(dú)一開(kāi)井眼；另外除龍002-6井外，各井鉆井方向選擇有利本區(qū)井壁穩(wěn)定性的方向(即75°～l65°或255°～345°)；結(jié)合利用新技術(shù)(空氣鉆井、欠平衡鉆井、優(yōu)選鉆頭)鉆井效率得到明顯提高，基本沒(méi)有出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象，僅偶爾出現(xiàn)幾次漏失或溢流情況，鉆井事故、復(fù)雜大大降低，如表2所示。其中龍002-4井刷新九龍山第四次開(kāi)鉆的疹152.4mm井眼定向井最短鉆井周期(原紀(jì)錄為l02d)和最高機(jī)械鉆速(原紀(jì)錄為2.79m／h)兩項(xiàng)紀(jì)錄；龍002-8井完鉆周期只有57.03d，刷新了九龍山四開(kāi)以須二段為目的層的直井最短周期記錄。地應(yīng)力分析技術(shù)(GMI)在九龍山新鉆井中取得很好的應(yīng)用效果。

4　結(jié)論

應(yīng)用地應(yīng)力分析技術(shù)(GMI)，較好地模擬評(píng)估了九龍山構(gòu)造現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)，獲取研究區(qū)較準(zhǔn)確的3個(gè)地層壓力剖面，為定量評(píng)估九龍山構(gòu)造各地層井壁穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從維持井壁性穩(wěn)定性角度提出的鉆井優(yōu)化建議(井身結(jié)構(gòu)、鉆井液密度安全窗口和鉆井軌跡優(yōu)選等)在九龍山構(gòu)造新鉆井中取得成功的應(yīng)用，新鉆井效率得到明顯提高，鉆井復(fù)雜得到極大降低，基本避免了鉆井事故的發(fā)生，創(chuàng)造了九龍山構(gòu)造陸相地層多項(xiàng)鉆井新紀(jì)錄。

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本文作者：鄧廣東  高德偉  趙大鵬  范宇  周永勝

作者單位：中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦

  中國(guó)石油西南油氣田公司工程與技術(shù)監(jiān)督處

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