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某海上油田砂巖地層井壁穩(wěn)定研究及應(yīng)用

2023-08-04 06:54:16張艷英王天慧高智梁呂國勝郝曉軍
石化技術(shù) 2023年7期
關(guān)鍵詞:定向井斜角泊松比

張艷英 王天慧 高智梁 呂國勝 郝曉軍

中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司 天津 300459

某海上油田,屬于前古近系基巖基礎(chǔ)上發(fā)育起來的第三紀(jì)沉積盆地。在某層位的鉆探過程中發(fā)現(xiàn)大套油層。通過地質(zhì)錄井和巖屑分析確定儲(chǔ)層主要巖性為砂巖。該區(qū)塊已鉆的X1井等5口探井表明,鉆井過程中在儲(chǔ)層段遇阻、卡鉆等井下復(fù)雜情況頻繁,嚴(yán)重影響了鉆井速度及儲(chǔ)層保護(hù)。對取自該油田的16塊巖樣進(jìn)行的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明,巖石抗壓強(qiáng)度不高,范圍在7.26~19.45MPa之間,研究發(fā)現(xiàn):該區(qū)塊砂巖儲(chǔ)層具有高孔隙度、高滲透率、弱膠結(jié)和低強(qiáng)度的特點(diǎn),在地應(yīng)力作用下容易發(fā)生大變形,是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的主因[1]。本文從井壁穩(wěn)定的力學(xué)機(jī)理出發(fā),分析定向井井周應(yīng)力分布規(guī)律,建立定向井井壁穩(wěn)定力學(xué)模型,并結(jié)合地應(yīng)力、孔隙壓力及室內(nèi)試驗(yàn)確定的巖石強(qiáng)度參數(shù)和彈性參數(shù)[2],對坍塌壓力、破裂壓力隨井斜角、方位角的分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 井壁穩(wěn)定力學(xué)模型的建立

1.1 力學(xué)模型的建立

廣義平面應(yīng)變條件下的斜井井眼示意圖如圖1所示(井眼初始形狀為圓形),受三向地應(yīng)力的作用,在井壁巖石為彈性狀態(tài),且考慮地層滲透作用時(shí),井壁某點(diǎn)處所受的三個(gè)主應(yīng)力為:

圖1 斜井井眼應(yīng)力分析坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

式中:

σh、σH、σV-分別為最小、最大水平主地應(yīng)力及上覆地層壓力;

Pm-泥漿柱壓力;P0-地層孔隙壓力;

φ0-地層孔隙度;α1-有效應(yīng)力系數(shù);

v-泊松比。

依據(jù)Mohr-Coulomb剪切破環(huán)準(zhǔn)則,可建立基于井壁圍巖有效應(yīng)力場的巖石應(yīng)力狀態(tài)與巖石強(qiáng)度間的關(guān)系模型如下:

式中σ1、σ2分別為最大、最小水平主地應(yīng)力。

由拉伸斷裂機(jī)理可知,當(dāng)巖石上一個(gè)有效主應(yīng)力達(dá)到巖石的拉伸強(qiáng)度T時(shí)便發(fā)生地層破裂,按井壁滲透與否分如下兩種判別:

由(2)知σ1、σ2、σr之間存在3種可能的關(guān)系:

1.2 坍塌壓力的確定

給定一個(gè)初始pi值,算出θ角;計(jì)算出σ1、σ2和σr值;比較σ1、σ2和σr的大小,看其滿足式上式中哪一條,然后帶入相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則表達(dá)式看是否滿足,如果不滿足,則改變pi值重復(fù)上述計(jì)算,直至得到滿足為止,這個(gè)pi值即為地層坍塌壓力值。

1.3 破裂壓力的確定

給定一個(gè)初始pi值,算出θ角;計(jì)算出σ1、σ2和σr值;比較σ1、σ2和σr的大小,令其最小值等于σmin,并根據(jù)井壁是否滲透代入(3)中看是否滿足,如果不滿足,則改變pi值重復(fù)上述計(jì)算,直至得到滿足為止,這個(gè)pi值即為地層破裂壓力值。

當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力過低時(shí),井壁很可能發(fā)生坍塌破壞(地層坍塌壓力) ;當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力過大時(shí),井壁可能發(fā)生拉伸破壞(地層破裂壓力)[3]。因此,可以得出保持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度窗口范圍[4],上限為破裂壓力,下限為坍塌壓力。

2 井壁穩(wěn)定實(shí)例分析

根據(jù)前面建立的模型,應(yīng)用Visual Basic 6.0語言編制了定向井井壁穩(wěn)定分析軟件,選取該區(qū)塊X1井某儲(chǔ)層(1832m)為研究對象,對該油田定向井井壁穩(wěn)定進(jìn)行了分析,根據(jù)研究地層的巖性特點(diǎn),考慮了滲透對地層漏失的影響[5]。

由前面的井壁坍塌壓力和地層破裂壓力的計(jì)算模型可知,地層巖石的力學(xué)參數(shù)(內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比等)和地應(yīng)力是計(jì)算井壁坍塌壓力和地層破裂壓力的基礎(chǔ)[6]。

根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)建立力學(xué)參數(shù)模型,計(jì)算巖石力學(xué)特征參數(shù):

(1)巖石的泊松比和彈性模型

根據(jù)彈力理論,利用縱橫波速度計(jì)算泊松比和彈性模量:

式中:E―彈性模量(Mpa);μ―泊松比;ρ-地層密度;Vp-縱波速度;Vs-橫波速度;

巖石內(nèi)聚力(C)的確定

根據(jù)Coats等人的研究結(jié)果推出了內(nèi)聚力(C)的計(jì)算模型:

式中:k-調(diào)整粘聚力系數(shù)

巖石的單軸強(qiáng)度

(4)內(nèi)摩擦角

由三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),可得到不同圍壓下試樣的破壞強(qiáng)度,用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,可得到試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

式中:c—粘聚力;φ—內(nèi)摩擦角;σ1—最大主應(yīng)力;σ3—最小主應(yīng)力。

(5)主地應(yīng)力的確定

主地應(yīng)力的大小是隨地層性質(zhì)變化的,它主要來源于上覆巖層壓力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造力[7],在對于不同井深及不同力學(xué)性質(zhì)的地層,建立分層地應(yīng)力計(jì)算模型:

式中:ω1,ω2——構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);

σH,σh,σv——水平最大、最小地應(yīng)力和上覆壓力;

Pp——孔隙壓力;μ——地層泊松比;

α——有效應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)上述力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力計(jì)算模型,得到潿三段地層計(jì)算參數(shù)值為:上覆巖層壓力σv=49.14MPa,最大水平地應(yīng)力σH=45.48MPa,最小水平地應(yīng)力σ v=3 2.8 9 M P a,孔隙壓力Pp=32.89MPa。依據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)得到其它計(jì)算參數(shù):泊松比μ=0.2909,粘聚力C=0.9576,內(nèi)摩擦角Φ=36.07°,抗拉強(qiáng)度St=1.36MPa。

X1井位于凹陷斷裂帶中段,某油組頂面深度構(gòu)造圖如圖2,依據(jù)該圖給出的斷層走向,水平最大地應(yīng)力方位應(yīng)在N125°~140°E之間。

圖2 某海上油田水平地應(yīng)力方位示意圖

利用井壁崩落橢圓法對研究區(qū)塊地應(yīng)力方位進(jìn)行了分析,根據(jù)井壁崩落橢圓統(tǒng)計(jì)結(jié)果,確定水平最大地應(yīng)力方位為:N135°E,如圖3所示。

圖3 某海上油田最大水平主地應(yīng)力方位示意圖

計(jì)算得出的坍塌壓力破裂壓力隨井斜角方位角的變化關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 地層定向井坍塌壓力(a)和破裂壓力(b)隨井斜方位角變化規(guī)律圖

由圖4計(jì)算結(jié)果可以看出某層段地層坍塌壓力隨方位角變化,在最大水平主地應(yīng)力方向?yàn)?.26~1.32g/cm3,整體高于最小水平主地應(yīng)力方向的1.16~1.26g/cm3。即最大水平主應(yīng)力方位地層坍塌壓力較高,屬于高風(fēng)險(xiǎn)方位;在相同方位角下,隨井斜變化,坍塌壓力也不同。以最小水平主應(yīng)力方位為例,在井斜角從0°~90°的變化過程中,坍塌壓力先降低后增加,變化范圍在1.16~1.26g/cm3之間。在約60°的時(shí)候坍塌壓力降低到最低點(diǎn)1.16g/cm3,此時(shí)井壁穩(wěn)定性最好。

上述研究結(jié)果顯示研究區(qū)塊最小水平主應(yīng)力方位安全鉆井密度窗口最大,為最佳鉆井方位?,F(xiàn)場定向井鉆井施工表明:從井下復(fù)雜情況比例和事故率上看,沿最佳鉆井方位角鉆進(jìn)的定向井井下坍塌和漏失等復(fù)雜情況和時(shí)效明顯降低,成功解決了定向井中砂巖儲(chǔ)層段井壁失穩(wěn)問題。

X4h井為該油田繼X1等5口探井之后的水平開發(fā)井,以穩(wěn)斜角87.62°鉆穿某層段儲(chǔ)層,根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果,推薦水平段泥漿密度為1.21~1.28g/cm3,實(shí)鉆顯示,未發(fā)生復(fù)雜情況。

3 結(jié)束語

通過泥漿產(chǎn)生的井筒壓力來維持砂巖地層水平段井眼的井壁穩(wěn)定,是一個(gè)行之有效的方法。關(guān)鍵在于如何確定準(zhǔn)確的安全鉆井泥漿密度窗口來保持井壁穩(wěn)定。

定向井井壁穩(wěn)定受地層巖石物性,地應(yīng)力場分布,井眼軌跡井斜角、方位角等因素的影響。

當(dāng)方位角一定時(shí),隨著井斜角的增加,總體上坍塌壓力要升高,即水平井的坍塌壓力要比直井情況下高一些,因此鉆直井較斜井井壁穩(wěn)定性強(qiáng)。總體上破裂壓力隨著井斜角的增加逐漸增大;沿著最大主應(yīng)力方位,破裂壓力隨著井斜角的增加逐漸降低。

定向鉆井中存在最佳鉆入角,當(dāng)沿最佳鉆入角鉆進(jìn)時(shí),安全鉆井泥漿密度窗口最大,井壁穩(wěn)定性最好。在三個(gè)應(yīng)力滿足上覆巖層的垂向應(yīng)力最大時(shí),最小水平主地應(yīng)力的方位為最佳鉆入方位。

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