為了開發碳酸鹽巖氣田，沙特阿美石油公司一直在沿 SHmin 方向鉆水平井和分支井，目的是使井眼穿過水平儲層，通過橫向水力壓裂提高產氣量。然而，由于上覆壓力（Sv）的因素，使得橫跨井眼存有較大的應力差，該氣田還普遍存在滑動應力構造，在最大水平應力（以下簡稱 SHmax）方向鉆井非常困難，致使該氣田水平井鉆井始終面臨諸多挑戰。包括裸眼錄井在內的幾個數據，一個通過地質力學分析開發出的地質力學模型（MEM）對數據進行整合，提供三個主要數據的量值，即：原位應力、SHmax 方向的方位角、孔隙壓力以及沿已錄裸眼段的巖石強度特性。一種多孔彈性水平應變模型可以用來計算原位水平應力，還可以通過觀察到的井壁坍塌做進一步校正；結果得出沿井眼軌跡應力大小的連續輪廓，圖 1 是一口沿 SHmin 方向鉆井所觀察到的井眼原位應力與孔隙壓力的輪廓狀況。

 

除了孔隙壓力，水平應力的大小受制于地層巖石的彈性特征，巖石孔隙度和礦物質的變化可能會引起 Sv 與不同層位兩個水平應力之間的應力對比發生變化；向 SHmin 方向鉆的一口井，Sv 和 SHmax 會在井壁的頂部和底部產生更高的應力集中（壓縮），在井眼穿過的一些地層，當這個集中的應力值大于泥漿的有效支撐力（泥漿液柱壓力）時，可能會導致井壁脫落，甚至出現井眼坍塌的嚴重事故，圖 1 展示的是測徑器測得的數據（井徑圖）。因坍塌導致的巖屑體積，加上鉆頭鉆出的巖屑，這些都需要盡快循環出井眼，避免縮徑、上提過載、高扭矩／高摩阻、井眼堵塞和卡鉆這類嚴重的井下事故。增大泥漿過平衡可以減少井壁坍塌（含深度和寬度），圖２是根據地質力學分析給出的一個已開發區塊和儲層推薦的泥漿過平衡的最佳 數 據， 使 用給井眼凈化帶來很大負擔，對水平井鉆井來說更具挑戰，確保良好的井眼凈化 ROP 扮演著重要角色，因此，作為井眼穩定性管控的一部分，并行研究泥漿過平衡和 ROP勢在必行，它們之間的優化、匹配十分重要。對于已知的原位應力和巖石強度特性，圖 2 是一個給定深度泥漿過平衡對計算的坍塌嚴重度的影響。藍色虛環形線（鉆頭尺寸）以外白色區域的程度代表坍塌的嚴重 度， 高 泥 漿 過 平 衡 能 使 井 壁 穩定，減小坍塌的寬度（θb）和深度（db）。

 

鉆井事故特征
 

圖 3 是不同方向所鉆水平井的鉆井經驗圖，展示了幾口水平井鉆井的經驗數據，圖上標出的每個點代表該儲層帶有方位角、輻射線在0° 或平行于 SHmax 方向與 90° 或平行于 SHmin 方向之間變化的一口井。同心圓代表井斜，0°表示是一口直井，最外圈的圓環表示為一口水平井，數據點的顏色象征著所遇事故的嚴重度，紅色表示因嚴重事故和事故重復出現不能按設計進行鉆井施工的井；綠色表示按設計施工未發生明顯事故的井；同樣，粉紅色和淺粉紅色表示出現過中度和輕度的多種鉆井異常， 如縮徑、 劃眼、高扭矩和高摩阻等。

 

這 些 井 也 是 按 鉆 井 設 計 施 工的，雖然它們中的少數井據說因遭遇事故在打到設計井深前進行了完井。可以看出，由于井的方位逼近SHmin 方向，鉆井作業變得更具挑戰。所有這些井都進行了預鉆地質力學模型的模擬，為的是預測穩定的泥漿比重窗口（限值）。數據分析表明，除了泥漿比重外，還可能有其它因素對事故產生影響， 因此，需要分析各種原因，拿出一個綜合的解決方案。由于井眼不穩定可能源自于地質力學和與鉆井有關的共同因素，需要一個詳細分析來識別這些問題的性質，確定這種可變的鉆井經驗的主要控制因素。

 

為了管控井眼穩定，對鄰井數據進行分析，并用地質力學模型對數據進行模擬，得出圖 4 的部分數據，圖 4 是使用校準的一維地質力學模型對一口鄰井進行井眼穩定分析的效果圖，對每口設計的水平井提出施工建議，建議的泥漿比重包含在鉆井設計中， 并進行鉆后分析，解釋鉆井事故的性質。

 

最佳泥漿過平衡會使井壁更穩定，減少井壁坍塌，使水平井鉆井獲得成功；然而，不能一味增大泥漿過平衡，要有一定的限值，原因是這可能會導致孔隙地層和壓力耗盡層發生壓差卡鉆事故，最佳過平衡給定的這些限值，預計仍會出現低烈度到中烈度的井壁垮塌，為了避免與之相關的鉆井事故，垮塌產生的巖石碎屑必須被及時循環出井筒。因此，為使鉆井作業更安全，除了運用最佳過平衡這一手段，還需考慮 ROP，ROP 越高、鉆出的巖屑和脫落的井壁碎屑也越多，這數據分析表明，多數卡鉆事件與倒劃眼和起鉆有關，事故可能歸因于滯留在井底的巖屑和坍塌屑；起鉆或倒劃眼期間，如果鉆具向上移動的速度高于巖屑被循環出井眼的速度，巖屑和坍塌屑會在井底鉆具組合（BHA）后堆積，導致當前井深以上的某個深度出現縮徑或卡鉆；因此，除了泥漿過平衡外，還要考慮 ROP，評估是否井眼凈化對所發生的事故有一定影響。

 

圖 5 展示的是距 SHmax 方向某個方位角、以不同鉆井參數所鉆水平井的鉆井經驗的變化情況， （a）泥漿過平衡，（b）平均 ROP；圓點和菱形符表示兩個儲層的不同數據，坐標圖中逗號分隔的數值代表井號，F1 和 F2 代表兩個相鄰區塊（儲層）。根據所發生事故的嚴重度，作為井眼方位的函數，鉆出的井按對應的泥漿過平衡（圖 5a）和平均 ROP（圖 5b）繪制出圖形，井眼方位指的是距 SHmax 方向的角度；圖中的彩色數據點代表事故的嚴重度，先前已做出解釋；圖中展示的是兩個臨近區塊所鉆的井，F1和 F2 是被一個非產致密層垂直分隔的兩個儲層，圖 5a 中的字母和數字符號表示井號（左側數字）和區塊，無論是 F1 或 F2。圖 5a 表 明， 距 SHmax 方 向45°方位以內的井，兩個區塊都可以 用 0.16-0.19g/cm 3 相 同 的 泥 漿過平衡，以及 10.67~11.58m/hr. 的ROP 進行鉆井作業；當井的方位角增至 45°以上（接近 SHmin 方向）時，圖 5a 中兩個區塊的泥漿過平衡需按兩條曲線走勢增大，F1按實線走勢增大，F2 按虛線走勢增大，為的是保持井眼穩定。分析建議，由于兩個區塊的原位應力和其它地質力學因素或許不盡相同，需要采用可變的泥漿過平衡；一口距SHmax 方向方位角大于 45° 的井，井壁經歷了較高的應力差，這種情況下，需要增大泥漿過平衡，以更高的過平衡來降低坍塌度和發生率，圖 5b 顯示，根據兩個區塊的單一曲線，ROP 需要逐漸降低，對于方位角在 75°~90°之間的井，保持3~3.66m/hr. 的 ROP 為適宜。

依據 ROP 值和泥漿過平衡，圖5 所列井的數據被用于井眼穩定的進一步分類，分為 4 個風險等級，風險等級為 1 的井是那些依據圖 5確定的 ROP 和泥漿過平衡都在安全限值內的井，這些井鉆井期間未出現 大 的 問 題， 如 井 1、2、10、12和 13；風險等級為 2 的井包括那些要么因泥漿過平衡低于穩定限值，導致出現坍塌，如井 6、7，或者因ROP 高于安全限值，導致巖屑過量，如井 3、5，這樣的井被定為中等風險等級，可能遇到的問題如縮徑、高扭矩和高摩阻、以及偶爾出現的卡鉆事件。同樣，如果兩個參數都未在規定的限值內，如泥漿過平衡較低且 ROP 高于安全限值，就會存在更高的卡鉆風險，由于井下過量的巖屑和塌屑很難有效循環出井筒，很可能導致埋鉆具事故，如果是那樣，就會損失井底鉆具和昂貴的工具，這些井被分類為高風險井，風險等級為 3 級，如井 4、8 和 9。

 

風險等級為 2 的井可能需要調整兩個參數中的一個，以實現穩定的井眼工況；對于風險等級為 3 的井，需要同時增大泥漿過平衡和降低 ROP 至安全限值，以保持井眼穩定；極高風險的井是風險等級為 4的井，為了抑制坍塌，泥漿過平衡大于穩定限值過多時，即使 ROP 在安全限值內，如井 14 和 15，由于穿越滲透層時壓差過大，遭遇卡鉆事故；這類事故的解決方法是減小泥漿過平衡，使其接近穩定的泥漿過平衡限值，見圖 5a。

 

如何優化鉆井施工應當與實時觀察和井眼穩定數據更新一起納入經驗教訓，有助于成功戰勝挑戰，降低沿 SHmin 方向鉆進的事故復雜，圖 6 是沿 SHmin 方向鉆井性能改善的示意圖，從中可以看出，鉆井成功的數量從 2012 年占比的22% 增至 2014 年的 65%，2014 年大約有 25% 的井遭遇了嚴重的鉆井事故，事故主要是因鉆井穿過低壓或高孔隙度地層產生的自然壓差所致，這類事故正通過優化泥漿添加劑和使用合適的橋接材料得到進一步解決。