延长气田钻井井径扩大率影响因素分析

许永华，毛亚军，白杰，刘谷雨，庞方言，孙渊珍

（陕西延长石油（集团）有限责任公司油气勘探公司采气一厂，陕西 延长 717100）

延长气田整体构造位置属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，从前期勘探井及后期的开发井钻进过程来看，钻遇部分地层较易发生复杂情况，突出表现为井壁失稳引起的井漏、井壁坍塌及坍塌掉块造成的井径扩大率超标等。统计显示，2016 年延长气田区域有203 口井发生失返型漏失，占钻井总数的66.7%，延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组平均井径扩大率20%，石千峰组、石盒子组平均井径扩大率30%～40%，山西组、太原组井径扩大率较小。但实测数据显示[1-2]，井眼实际扩大率远超平均井径扩大率，部分可达70%～80%，且不是少数。近两年，随着对整个区块地层的逐步认识及钻井技术的进步，井下复杂情况发生率不断下降。本文着重研究了井下复杂问题更为突出的石千峰组石盒子组，分别从现场数据，钻井液密度与井径扩大率的关系进行了分析。

1 井壁坍塌潜在因素

由图1 可知，现场获得声波时差测井数据得出：实测声波时差数据明显偏离声波时差趋势线。造成该结果往往有两个原因：1）地层孔隙较为发育，可能为异常高压地层；2）地层裂缝较为发育，随着钻井过程中钻井液滤液的浸入，近井地带地层岩石强度降低。从该区域历年钻井情况及地层压力剖面分析，没有发现异常高压地层。因此判断，地层普遍发育的微裂缝是造成声波时差测井数据偏离趋势线的主要因素。

图1 延XX 井声波时差测井数据

通过现场获得的其他密度测井与电阻率测井数据也表明，自石千峰组中下部地层至石盒子组底部，都有明显的裂缝发育。结合室内实验结果，在压力作用下岩石内部的微裂缝逐渐积聚，形成大的贯通裂缝，可能是导致岩石失去承载能力的重要原因之一；岩石在三轴应力条件下，岩石峰值强度对应的应变小于1%，远小于3%，这说明岩石的脆性极大[3-4]。

2 钻井液密度与井径扩大率

当井壁的崩落尺寸很窄，增长时加深而不会加宽，相对较少的破碎岩石落入井内时，井径不会发生显著的变化。因此，稳定的井眼允许钻井过程中出现一定程度的井壁崩落，但尺寸较大的崩落会导致井壁周围岩石对应力缺少足够的支撑而产生冲刷。经验证明[5]，直井崩落宽度上限大约为90°，但在大斜度井及水平井中要低很多，水平井大约为30°。

2.1 井壁破坏判定准则

井筒内钻井液液柱压力过低通常是导致井壁坍塌的主要原因，过低的液柱压力不能支撑井壁，导致井周应力岩石所受的剪切应力超过地层岩石的抗剪切强度，发生剪切破坏而发生坍塌。通常用Mohr-Coulomb 准则判断岩石是否发生剪切破坏，当主应力与围压满足以下条件时，岩石便达到了破坏的临界条件：

式中：C 为黏聚力；φ 为内摩擦角；σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；

2.2 井径扩大率计算模型

图2 中，O 为井眼中心，AB 段表示钻头尺寸下的井眼直径，CD 段表示井径扩大后的实际井眼尺寸。井径扩大率通常用下式表征：

式中：K 为井径扩大率，%；DAB为钻头直井，mm；DCD为井眼扩大后椭圆的直井，mm。

已知延长气田某井石千峰组地层深度2100米，钻头直径0.2159mm。岩石内摩擦角39°，泊松比0.3，岩石黏聚力9MPa，孔隙压力16.5MPa，上覆岩层压力51MPa，最大水平地应力44.2MPa，最小水平主应力33.8MPa。依据以上数据，求解了不同井斜角情况下井壁周围最大主应力与最小主应力，当井壁某一深度处最大主应力与最小主应力满足式（1）时，井壁发生破坏。再利用式（2）得出井径扩大率。

图2 井眼扩大前后示意图

分析了井斜角0-90°情况下，不同钻井液密度条件下石千峰组地层井径的扩大情况。

分别计算了不同钻井液密度下，沿最大及最小水平地应力方位钻井时的井径扩大率情况如图3 和图4。

图3 最大地应力方位钻井

图4 最小地应力方位钻井

计算结果表明，沿着最大地应力方位钻进时，随着井斜角的增大井径扩大率逐渐增大，需要适当提高钻井液密度来控制井壁的失稳状况；沿着最小地应力方位钻进时，随着井斜角的增大井径扩大率表现为先降低后增大。同等钻井液密度条件下，沿最大地应力方位钻进时井径扩大率比沿最小地应力方位约大10%～20%。现场实测，石千峰组与石盒子组平均井径扩大率均高于30%，石千峰组井径扩大率相对于石盒子组更为严重。因此，合理的控制钻井液密度对于维护井径十分重要。

3 钻井液性能对井壁稳定性的影响

天然气钻井现场实际工况是，为了保护油气储层，实钻钻井液密度小于设计密度。大部分井壁坍塌发生在起下钻或停止循环时，此时作用在地层的压力仅为钻井液静液柱压力，且钻井液滤液的长时间浸泡，近井地带地层强度进一步下降，井壁更容易发生坍塌。

延长气田钻进过程中，主要难点是地层微裂缝发育的刘家沟组、石千峰组至石盒子组地层，井壁垮塌及井漏，泥页岩易水化膨胀及进入油气层后的储层保护等难题。石千峰组与石盒子组泥岩中黏土矿物（以伊蒙混合与高岭石为主）含量为65%～86%，且微裂缝发育，长时间浸泡下泥岩水化膨胀，岩石强度降低，井壁坍塌压力增大。

强抑制强封堵胺基钻井液与KCL 型聚磺钻井液体系在延长气田定向井与水平井开发过程中取得了良好的使用效果。良好的流变性、低滤失性、强抑制性及具有一定的封堵性能。特别对于刘家沟组、石千峰组漏失性及黏土矿物含量较高的地层，能有效封堵漏失层，减少井壁坍塌的概率，缩短钻井周期，提高开发经济效益[6-7]。

4 结论

1）地层微裂缝发育且脆性强是地质因素，井壁长时间浸泡及钻井液密度低造成井壁坍塌井径扩大率超标是工程因素；

2）在允许一定程度上的井径扩大率下，可以适当降低钻井液密度，既满足井身质量要求，又能满足储层保护的要求；

3）良好的钻井液体系对于维护井壁稳定十分重要。