超深井岩屑掉块归位方法探讨——以TA1井为例

曹现军

（中国石油渤海钻探第一录井公司，天津 300280）

随着在准噶尔盆地南缘西段的四棵树凹陷高泉东背斜侏罗系成功钻探的GT1 井试获千吨油流，证实南缘下组合具备大型油气富集区的存在[1-2]。为探索南缘中段的安集海背斜下组合含油气性，突破以安集海背斜为代表的走滑背斜型目标，中国石油天然气集团公司在该区部署了一口超深重点风险探井TA1 井，主探侏罗系八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、白垩系清水河组（K1q）。

南缘中段的安集海背斜圈闭，为受安集海背斜北断裂及安集海背斜南断裂夹持的近东西向展布背斜构造圈闭，受滑脱断裂影响，地质构造特征复杂，地层高陡,地层倾角大,一般在15°～45°之间,最大达60°～70°,地层倾角越大,地层所受构造作用越强,两个水平地应力的大小和方向都呈现出非稳定场的特征,而且大小相差悬殊。因此TA1井在钻探到侏罗系西山窑组下部泥岩层时，岩屑中发现了大量的掉段，掉块直径最小是3mm,最大是80mm,总重量达到407.7kg，给钻井施工带来了极大的难度和风险。笔者以TA1 井为例，分别从综合录井参数特征、岩性与节理特征、元素数据特征三个方面开展了研究，分别建立了三种不同的掉块归位方法，实现了岩屑掉块的精准归位，为保障钻井施工安全，为钻井施工过程中的方案优化及提速提供指导意义。

1 南缘构造特征及复杂工程原因分析

盆地南缘山前冲断带位于准噶尔盆地南部，南缘构造的形成与造山带演化紧密相联，受构造运动影响，平面上南北分带（齐古冲断带、乌奎褶皱带），两大褶皱带细分为三排背斜群：金沟河—南玛纳斯—齐古背斜群、霍玛吐背斜群、安集海河—呼图壁河背斜群，东西分段（东段、中段、西段），构造成排成带，样式差异大。南缘中段的安集海背斜圈闭，为受安集海背斜北断裂及安集海背斜南断裂夹持的近东西向展布背斜构造圈闭，受滑脱断裂影响，普遍具有中上部构造高陡紧闭、小，下部构造宽缓完整、大的特征。下组合钻探区域集中在第二排、第三排背斜群。其变形强度相对于霍玛吐构造带较弱，纵向上发育两期滑脱褶皱变形。

安集海背斜目标类型上属于准南前陆走滑背斜型目标，其目标特征为燕山期压扭走滑，形成雁列式背斜背景，喜山期挤压反转成背斜，现今构造部分位于车排子侧翼单斜区，落实相对较容易。从构造演化特征上来看安集海背斜燕山期受车排子凸起影响，发育近北西—南东向走滑断裂，对安集海背斜深层有一定影响；喜山期5.5Ma 年，侏罗系底部发育滑脱层，安集海背斜形成雏形，为滑脱褶皱机制；喜山期2.5Ma 年至今受天山变形影响褶皱内白垩系滑脱层变形，对褶皱形态持续改造，在安集海顶部背斜幅度增大，两翼披覆有西域组生长地层。安集海背斜受两期滑脱褶皱变形影响，晚期变形对深层构造影响小。通过对准噶尔盆地工程复杂原因的分类统计,地应力、地层岩性、岩石物性是工程复杂的主因[3-4]。通过对南缘区块已钻揭的中、上组合9口井统计，共发生复杂事故52次，其中阻卡发生39次，占比75.0%，通过对卡钻事故分析，绝大多数为掉块卡钻（图1）。因此研究掉块层位，对掉块进行精准归位，是非常有意义的工作。

图1 新疆油田南缘工程事故统计

2 掉块原因分析

钻井过程中常见的掉块有以下几种：①钻具转动及上提下放碰、刮落的掉块，这个不是钻井复杂的主要原因。②钻井液性能不能平衡当前正钻井地层压力，及钻井液浸泡造成井壁失稳。③已钻地层岩性页理或节理发育及构造应力逐步释放造成掉块（地应力是地下岩体受到的来自周围岩体的挤压力，它来源于上覆岩体的自重、地质构造运动产生的构造应力、地层中的水压梯度）。④钻遇断层及破碎带。

TA1井所钻的安集海背斜下组合是南缘区块地应力影响较为明显的区块，该区块钻井剖面断层发育，断层附近地层破碎带极易垮塌掉块。

3 现场掉块归位方法

以TA1井7505～7546m井段岩屑掉块为例，根据钻进过程中的综合录井参数预报、钻进及划眼过程中返出的岩屑掉块分析其特征为切入点，利用随钻建立的元素录井数据为基础，针对掉块样品深度归位的方法进行了阐述。

3.1 综合录井曲线归位法

TA1 井设计采用综合录井技术[5-6]，2021 年6 月26日13:00 自井深7263.00m 六开钻进，设计完钻井深7950m。2021年7月17日23:40，钻进至井深7546.35m,层位：侏罗系西山窑组，钻时突然由60～100min↑140～270min，准备起钻检查钻头，在短起钻过程中，起钻至井深7509.43m 时，大钩负荷由2512.54kN 上升至2632.70kN，挂卡120.16kN；2021 年7 月18 日2:36，下钻过程中，下钻至井深7513.15m 时，大钩负荷由2323.26kN下降至2216.65kN，遇阻106.61kN，后经反复活动钻具起出。

复杂处理经过：2021 年7 月21 日2:00 下钻至7513m 遇阻,开始循环划眼，2021 年7 月21 日8:00 至8月1 日20:00 划眼到底，用三趟钻完成复杂处理，耗时11.5d。

第一趟钻：使用常规钻具（组合：190.5mmPDC+双根钻铤+∅185mm 扶正器)下钻至7515m 遇阻无法通过，划眼井段:7505～7516.8m，井段长11.8m，用时38h，反复划眼，间断不定点憋停顶驱，返出掉块48.0kg。第二趟钻：简化钻具划眼（组合:152.4mmPDC+光钻铤)下钻至7515m 遇阻无法通过，划眼井段:7505～7546m，井段长41m，划眼77h，重点划眼井段是在7519～7535m，间断憋停顶驱，返出掉块349.2kg，累计返出397.2kg 剥落掉块。第三趟钻：简化钻具划眼（组合：168.3mm 巴拉斯+光钻铤)下钻至井深7520m遇阻，从7520～7546m，井段7520～7531.62m 划眼困难，扭矩波动大，间断憋停顶驱，划眼至7546m，试钻进至7547m，本趟钻返出掉块10.5kg，累计返出掉块407.7kg。

综合录井工程参数监测结论：根据短起下钻上提钻具悬重参数判断，在7509m以上已经有掉块剥落，导致遇卡，通过三趟钻通井划眼悬重及扭矩参数判断，本井在7505～7535m井壁垮塌严重。

3.2 岩性与节理归位法

钻进过程观察返出的岩屑。自7505m返出的岩屑中见少量大小不等的泥岩掉块[7]，至7546m掉块有增多趋势，其中掺杂有含方解石充填掉块。

肉眼观察：呈块、片状，次圆—次棱角状，致密，性硬，粒度细（泥级），部分碎块可见微层理发育，方解石呈层状发育，滴酸剧烈起泡。显微镜下观察：岩石主要为深灰色泥岩，平行断块平面镜下可见微层理发育，主要是泥质层与粉砂呈纹层状韵律性富集所致。

处理复杂过程分析岩屑掉块。第一趟钻划眼井段：7505～7516.8m，返出掉块48.0kg。最大4.5cm×1.5cm×0.8cm，一般1.5cm×1.0cm×0.5cm；块状为主，次为片状；岩性以深灰色泥岩为主，偶见煤块、砂岩及砾石（为上部地层剥落）；块状磨圆为次圆—次棱角状，片状磨圆为次棱角状，见方解石填充物及节理。

第二趟钻划眼井段：7505.00～7546.00m，返出掉块349.2kg，两趟钻掉块累计重量397.2kg，最大8.0cm×4.0cm×0.5cm，一般1.5cm×0.8cm×0.5cm；块状为主，次为片状；岩性以深灰色泥岩为主，偶见煤块、砂岩及砾石（为上部地层剥落）；块状磨圆为圆状—次圆状，片状磨圆为次棱角状—次圆状，见方解石填充物及节理。返出的掉块变大，数量增加，起出的钻头磨损严重（图2）。

图2 划眼掉块及钻头磨损情况

通过前两趟钻通井后，第三趟钻掉块数量明显减少，说明7505～7546m 井段的岩层应力逐步释放，井壁逐步稳定。通过对掉块切面的镜下观察发现碎块内微裂缝发育，多被方解石充填，界限明显。

根据钻进及起下钻捞取的掉块综合分析认为：掉块岩性主要为深灰色泥岩，具轻微变质，具板岩特征，其在构造应力作用下形成平行密集、切穿层面的细微裂缝（破劈理：是岩石中平行密集，间距几毫米到几厘米不等，并将岩石切割成薄片状的破裂面，是岩石受剪切作用形成的），裂缝被方解石充填，钻开地层后随着地层应力释放及钻井液浸泡作用下，使得地层开始剥落并碎块化，导致在7505～7546m井段起下钻遇阻卡及划眼困难。

3.3 元素数据归位法

建立该井随钻元素录井分析图（图3），选取掉块深度及岩性要有代表性：①要选取颜色一致、磨圆度相近的多个掉块。②由于前两趟钻划眼掉块较多，捞取掉块根据钻头连续划眼困难情况，确定了两个井段：第一趟钻划眼井段7505.0～7516.8m，第二趟钻划眼井段7505.0～7546.0m 共取样12 点，捞取掉块按迟到深度依次是：7506m（掉块1）、7510m（掉块2）、7513m（掉块3）、7516m（掉块4）、7520m（掉块5）、7524m（掉块6）、7526m（掉块7）、7530m（掉块8）、7534m（掉块9）、7537m（掉块10）、7540m（掉块11）、7542m（掉块12）。

图3 TA1井随钻元素录井分析图

通过对掉块岩屑的元素数据分析，NA、Mg、Ca、Al、Si、Cl、S、Ti、Ba、Mn、Fe、Sr、V、P、K、Ni、Zr 元素的数据范围与随钻过程中的岩屑元素数据是基本一致的[8-12]。

最终得出掉块1～8 号测量的元素各值基本符合原始元素值对应的井段区间在7505～7526m，掉块9～12号元素测得的各值经误差对比，归位深度在7528～7535m（图4）。

图4 TA1井掉块元素录井分析图

根据复杂井段原始元素剖面数据与捞取的掉块检测的元素数据进行对比分析认为：7505～7535m掉块剥落严重，后经完井测井井径数据反映在7503～7532m CALI(井径)扩大率21.3%（图5）。

图5 TA1井录井综合图

4 结论

本文充分运用了随钻过程中的录井技术，建立了三种随钻岩屑掉块归位方法，该方法的应用，有效地判断了掉块位置和层位，体现了录井技术的实时性、直观性、多样性、通用性。岩屑掉块的精准归位为钻井施工工艺优化提供有利的技术依据，也为后期钻井施工过程岩屑掉块问题提供了判断方法。