劉 陽

(中海油天津分公司， 天津 300459)

在油氣開采過程中，烴類流體不斷從儲(chǔ)層中采出，油藏內(nèi)部的孔隙壓力會(huì)因此而降低，若外界沒有任何補(bǔ)給壓力，地層壓力發(fā)生衰竭就是必然的。油藏壓力衰竭會(huì)促使巖石顆粒承受的應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。這種儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的變形，微觀表現(xiàn)為孔隙度、滲透率、孔喉毛管壓力以及流體滲流特性的變化等；宏觀表現(xiàn)為壓實(shí)度的變化和出現(xiàn)地面沉降、套管變形以及地層滑移、裂縫閉合與再生等現(xiàn)象。因此，鉆遇壓力衰竭區(qū)域的地層，需要合理評(píng)估地層坍塌壓力、破裂壓力的變化情況，從而優(yōu)化鉆井的安全泥漿密度窗口，合理設(shè)計(jì)井眼軌跡，以預(yù)防發(fā)生井壁坍塌、漏失等復(fù)雜事故。

1 壓力衰竭對(duì)地應(yīng)力的影響

對(duì)由于孔隙壓力變化而產(chǎn)生的應(yīng)力變化，相關(guān)文獻(xiàn)介紹了多種計(jì)算方法。其中，常用的是彈性解析方程法[1-3]。這種方法將儲(chǔ)層看作均質(zhì)各向同性線彈性體，并假設(shè)地層壓力的變化只引起地層的垂向變形，地層主應(yīng)力變化與地層壓力變化之間的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：Δσ—— 水平主應(yīng)力變化量，MPa；

Δp—— 地層壓力變化量，MPa；

v—— 地層巖石泊松比；

α——有效應(yīng)力系數(shù)。

對(duì)于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)平緩區(qū)域，考慮地質(zhì)構(gòu)造作用，則地層水平主應(yīng)力可用下列公式[4-6]計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：σv、σH、σh—— 壓力衰竭前的垂直、最大和最小水平主應(yīng)力，MPa；

ω1、ω2—— 構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。

假設(shè)：井深為2 500 m，σv=49.9 MPa，pp=25.2 MPa，ω1=0.48，ω2=0.27，v=0.25。改變?chǔ)梁挺值，按上述方法，探索水平最大和最小地層應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 最大水平地應(yīng)力變化規(guī)律

圖2 最小水平地應(yīng)力變化規(guī)律

由圖1和圖2可知，隨著地層壓力的衰竭，最大和最小水平地應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)，壓力衰竭程度越大，地應(yīng)力降低值越大；有效應(yīng)力系數(shù)越大，地應(yīng)力下降速率越大。

2 壓力衰竭對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

假設(shè)巖石為線彈性、均質(zhì)、各向同性材料，不考慮滲流的影響。井周應(yīng)力分布參見圖3[8]，(x′,y′,z′)為地應(yīng)力的直角坐標(biāo)系；(x,y,z)為井眼軸線坐標(biāo)系；α、β、θ分別為井斜角、方位角、井周角。

井眼柱坐標(biāo)系下井壁圍壓應(yīng)力分布，可用下列公式[8-9]計(jì)算。

(6)

圖3 定向井應(yīng)力轉(zhuǎn)化示意圖

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：σxx1、σyy1、σzz1、σxy、σzy、σyz、σxz—— 由井眼和作用在井眼壁上邊界條件所引起的應(yīng)力分量；

σr—— 井眼柱坐標(biāo)下的總正應(yīng)力，MPa；

σθ、σz—— 井眼柱坐標(biāo)下的剪應(yīng)力，MPa；

R—— 井眼半徑，m。

鉆井液密度過低，液柱壓力不能有效支撐井壁而發(fā)生坍塌破壞。通常利用Mohr-Coulumb準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，用式(12)[10]計(jì)算坍塌壓力。當(dāng)鉆井液密度過高，井壁應(yīng)力超過地層抗拉強(qiáng)度而發(fā)生破裂。采用單軸抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，用式(13)計(jì)算破裂壓力。

(σ1-αpp)≥(σ3-αpp)·

(12)

(σ3-αpp)≤-St

(13)

式中：σ1、σ3—— 井壁最大和最小主應(yīng)力，MPa；

σc—— 地層單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

φ—— 內(nèi)摩擦角；

St—— 地層單軸抗拉強(qiáng)度。

以某油田為例。σH=44.3 MPa，σh=38.1 MPa，α=0.8，φ=33.5°，σc=18.6 MPa，最大主應(yīng)力方位N60°E，其他參數(shù)如前所述?？紤]地層壓力衰竭，按上述方法計(jì)算，得沿鉆井方位N150°E的坍塌壓力、破裂壓力的變化情況及泥漿安全密度窗口允值(見圖4至圖6)。

圖4 沿N150°E方位壓力衰竭后的坍塌壓力變化

圖5 沿N150°E方位壓力衰竭后的破裂壓力變化

圖6 N150°E方位壓力衰竭后的安全密度窗口允值

由圖4至圖6可知：在水平最小地應(yīng)力方位，隨著地層壓力衰竭，坍塌壓力降低，而破裂壓力在井斜角30°—45°范圍以外也降低，且降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大。當(dāng)井斜角小于30°時(shí)，隨著地層壓力衰竭，安全泥漿密度窗口變寬，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而增大；當(dāng)井斜角大于45°時(shí)，隨著地層壓力衰竭，安全泥漿密度窗口變窄，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而減小。隨著井斜角的增大，坍塌壓力逐漸升高，破裂壓力逐漸降低，安全鉆井液密度窗口逐漸收縮。

以同樣的方法，計(jì)算分析了地層壓力衰竭50%時(shí)可能發(fā)生的情況。當(dāng)?shù)貙訅毫λソ?0%時(shí)，定向井井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的分布，如圖7、圖9所示。將此時(shí)的坍塌壓力、破裂壓力與在原始地層壓力時(shí)的坍塌壓力、破裂壓力進(jìn)行對(duì)比，其變化規(guī)律如圖8、圖10所示。

圖7 地層壓力衰竭50%后坍塌壓力風(fēng)險(xiǎn)分布

圖8 地層壓力衰竭前后的坍塌壓力變化百分比

由圖7至圖10可知：地層壓力衰竭50%以后，坍塌壓力、破裂壓力都會(huì)降低。地層壓力衰竭程度一定的情況下，井斜角小于30°時(shí)，沿任何方位鉆井，對(duì)應(yīng)坍塌壓力的降低幅度大于20%，而破裂壓力降低幅度小于10%；當(dāng)井斜角大于45°時(shí)，各方位對(duì)應(yīng)的坍塌壓力降低幅度約12%，而水平最大主應(yīng)力方位對(duì)應(yīng)的破裂壓力降低幅度，大于水平最小主應(yīng)力方位對(duì)應(yīng)的破裂壓力降低幅度，超過16%。這說明，地層壓力衰竭后，水平最大主應(yīng)力方位的安全泥漿密度窗口變窄程度，大于水平最小主應(yīng)力方位的安全泥漿密度窗口。因此，大斜度井或水平井鉆進(jìn)時(shí)，沿水平最小地應(yīng)力方向的鉆井，是相對(duì)比較安全的。

圖9 地層壓力衰竭50%后破裂壓力風(fēng)險(xiǎn)分布

圖10 地層壓力衰竭前后的破裂壓力變化百分比

3 結(jié) 論

(1) 地層壓力衰竭將導(dǎo)致地層水平地應(yīng)力降低，有效應(yīng)力系數(shù)影響地應(yīng)力降低幅度。當(dāng)?shù)貙訅毫λソ叩揭欢ǔ潭?，有效?yīng)力系數(shù)越大，地應(yīng)力下降就越顯著。

(2) 隨著地層壓力衰竭，坍塌壓力會(huì)降低，其降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大；破裂壓力在某特定井斜角范圍外會(huì)遞減，其降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大。

(3) 隨著地層壓力衰竭，當(dāng)井斜角小于某區(qū)間時(shí)，安全泥漿密度窗口變寬，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而增大；當(dāng)井斜角大于該區(qū)間時(shí)，坍塌壓力逐漸升高，破裂壓力逐漸降低，安全泥漿密度窗口變窄，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而減小。

(4) 在壓力衰竭地層鉆定向井時(shí)，井斜角應(yīng)避開安全密度窗口較窄的范圍，以小井斜井為宜；大斜度或水平井鉆井，應(yīng)朝最小水平主應(yīng)力方位鉆進(jìn)。