致密砂巖氣長水平段泥巖井壁坍塌分析

張光偉

摘 要：針對致密砂巖長水平段泥巖井壁坍塌問題，以內(nèi)蒙古鄂爾多斯氣田鉆井通過致密砂巖-泥巖過渡段為研究對象，采用地質(zhì)分析、數(shù)值模擬的方法分析井壁坍塌的原因，并制定井壁坍塌防治措施。通過研究可知：坍塌區(qū)域?yàn)楣诺刭|(zhì)水相地層，瓣?duì)詈由皫r沉積;井壁坍塌段出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，鉆井上覆巖層應(yīng)力整體呈現(xiàn)倒V形集中。

關(guān)鍵詞：致密砂巖-泥巖過渡段;地質(zhì)分析;數(shù)值模擬;防治措施

中圖分類號：TE21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-00-03

Analysis of Mudstone Shaft Wall Collapse in Long Horizontal Section of Tight Sandstone Gas

ZHANG Guangwei

（Exploration Institute of Guangdong Coal Geology Bureau， China Coal Geology Bureau， Guangzhou Guangdong 510440）

Abstract： Aiming at the problem of mudstone shaft wall collapse in the long horizontal section of tight sandstone， drilling through the tight sandstone-mudstone transition section of the Ordos gas field in Inner Mongolia was used as the research object. Geological analysis and numerical simulation methods were used to analyze the cause of shaft wall collapse， and the prevention of shaft wall collapse was formulated. The study shows that the collapse area is paleogeological water facies stratum and valvular river sandstone deposition; Stress concentration occurs in the collapsed section of the shaft wall， and the stress of the overlying strata of the drilling presents an inverted V-shaped concentration as a whole.

Keywords： tight sandstone-mudstone transition section;geological analysis;numerical simulation;prevention and control measures

油氣田開采、煤礦開采過程中，施工鉆井遇到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造經(jīng)常會出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鉆井安全生產(chǎn)。關(guān)于鉆井問題，我國專家學(xué)者做過大量研究。劉萬嶺對蘇里格氣田裂縫性致密砂巖儲層保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，采用數(shù)值運(yùn)算的方法對格氣田裂縫性致密砂巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究，并制定了儲層保護(hù)措施[1]。吳越對臨興多煤層高效開發(fā)井眼進(jìn)行了工程研究，制定了鉆孔軌跡優(yōu)化措施[2]。董兵強(qiáng)等人對臨興區(qū)塊致密砂巖氣儲層損害機(jī)理及鉆井液優(yōu)化進(jìn)行了研究，對致密砂巖氣儲層損害機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬，并制定了鉆井液優(yōu)化措施[3]。還有一些學(xué)者對致密砂巖地質(zhì)構(gòu)造下的工程進(jìn)行了相關(guān)研究[4-11]。但是，關(guān)于致密砂巖氣長水平段泥巖井壁坍塌問題的研究較少?，F(xiàn)以鄂爾多斯境內(nèi)某致密砂巖氣長水平段施工井壁坍塌為背景，采用數(shù)值模擬研究、地質(zhì)分析的方法，探討井壁坍塌的原因，以期為后期鉆孔順利鉆進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

鄂爾多斯某區(qū)塊進(jìn)行致密砂巖氣開采，施工水平井2口。其中，1#井為Φ330 mm×260 mm+Φ180 mm+Φ120 mm。井口位置為方形開孔，下部位置為圓形鉆孔。鉆井工程如圖1所示。

目前，鉆井施工到Φ120 mm段，施工過程中穿過致密砂巖段后進(jìn)入泥巖段，其間出現(xiàn)井壁坍塌的現(xiàn)象。

2 地質(zhì)分析

本研究分析的氣田位于鄂爾多斯境內(nèi)，為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，主產(chǎn)層為二疊系，平均埋深3 400 m。氣田主采層為典型的致密砂巖巖氣，平均孔隙率為6%，滲透率為0.8×10-3 μm2。通過沉積條件分析，在古地質(zhì)沉積過程中，該區(qū)域多為水相，最終形成瓣?duì)詈由皫r沉積，在強(qiáng)烈的成巖作用下形成致密砂巖。地質(zhì)構(gòu)造形成了坡斜，后期由于局部斷層構(gòu)造，砂巖儲氣層通過構(gòu)造區(qū)域局部存在泥巖地層。根據(jù)儲氣層砂巖特性，可將儲氣層分為含氣砂體、基質(zhì)儲集層。

3 數(shù)值運(yùn)算及井壁坍塌分析

通過對該區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行分析，對致密砂巖氣長水平段泥巖段進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，對該區(qū)域應(yīng)力分布情況進(jìn)行數(shù)值研究。假設(shè)泥巖段為均勻介質(zhì)，細(xì)致砂巖段為均勻介質(zhì)，現(xiàn)場運(yùn)用巖石樣本取芯技術(shù)進(jìn)行取芯送到實(shí)驗(yàn)室，測得巖石樣本基本力學(xué)參數(shù)，如表1所示。現(xiàn)場取得的巖層樣本及實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)場埋深推測，巖壁應(yīng)力為8 MPa。井壁圍巖應(yīng)力分布等值線如圖3所示。

由圖3可知，井壁開鑿?fù)ㄟ^細(xì)致砂巖段和泥巖段時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。在地應(yīng)力作用下，上覆巖層出現(xiàn)大面積集中區(qū)域，整體呈倒V形。巖層過渡段下部巖層出現(xiàn)局部變形，上覆巖層最大應(yīng)力為48 MPa，下覆巖層最大處呈現(xiàn)80 MPa，上覆應(yīng)力集中點(diǎn)處于井壁內(nèi)，下部巖層內(nèi)部出現(xiàn)形變。由于數(shù)值模擬基于有限元理論，分析材料均在材料介質(zhì)彈性范圍內(nèi)。根據(jù)泥巖彈性極限應(yīng)力可知，上覆巖層出現(xiàn)垮落。出現(xiàn)垮落主要是因?yàn)閹r性過渡段巖壁應(yīng)力分布不均勻。可通過局部注漿的方式增加過渡段井壁圍巖的強(qiáng)度。

4 井壁坍塌的治理措施

通過數(shù)值分析可知，井壁出現(xiàn)坍塌的主要原因是不同巖性過渡帶的應(yīng)力分布不均勻。針對這種“雙石”地質(zhì)情況下的井壁失穩(wěn)，必須制定加固措施。加固措施主要考慮兩個(gè)方面：一是提高鉆井技術(shù);二是使用新型護(hù)孔材料。

4.1 鉆井技術(shù)

鉆井施工過程中，導(dǎo)致巖層坍塌的主要原因是鉆頭沖量較大。降低鉆頭沖量的主要措施為使用新型防塌鉆井液。研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)鹽鉀鹽CP-1、CC-2作為鉆井液，在比較軟的煤層中成孔效果較好，因此將該種新型鉆井液應(yīng)用于巖性較軟的泥巖及致密砂巖-泥巖過渡段鉆進(jìn)過程中，可以滿足相關(guān)安全要求。

4.2 新型護(hù)孔材料

注入的護(hù)孔材料要具備以下特征：具有一定的水穩(wěn)定性，即耐沖擊性;凝固后具有一定強(qiáng)度，可以支撐井壁;凝結(jié)時(shí)間不宜過長。

大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽水泥中加入適量的GSJ降水劑、GH-3緩凝劑，可大大提高水泥強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度可增大至90 MPa，完全能滿足護(hù)孔要求。

5 結(jié)語

為解決致密砂巖氣長水平段泥巖井壁坍塌問題，對坍塌區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行分析，并對坍塌段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析坍塌原因，制定防止坍塌的措施，得到以下結(jié)論：①井壁坍塌區(qū)域?yàn)楣诺刭|(zhì)水相地層，形成瓣?duì)詈由皫r沉積;②坍塌段出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，鉆井上覆巖層應(yīng)力整體呈現(xiàn)倒V形集中。

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