高壓氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析

劉厚彬 孟英峰 萬(wàn)尚賢 李皋 蔣祖軍 呂濱

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.川慶鉆探工程有限公司3.中國(guó)石化西南油氣分公司 4.中國(guó)石油遼河油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院儲(chǔ)量室

高壓氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析

劉厚彬1孟英峰1萬(wàn)尚賢2李皋1蔣祖軍3呂濱4

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.川慶鉆探工程有限公司3.中國(guó)石化西南油氣分公司 4.中國(guó)石油遼河油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院儲(chǔ)量室

在利用氣體鉆井技術(shù)揭開(kāi)高壓氣層的初期,由于低密度氣體在井底產(chǎn)生的壓力很小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣層的孔隙壓力,高壓氣層的氣體在壓力勢(shì)差作用下由地層向井眼高速流動(dòng),導(dǎo)致高壓產(chǎn)氣層段井壁穩(wěn)定性下降,易引起井下復(fù)雜事故。通過(guò)分析高壓氣層高速產(chǎn)氣影響氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的作用機(jī)理,建立了一套高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn):高壓氣層高速產(chǎn)氣過(guò)程中,一方面導(dǎo)致產(chǎn)氣層近井壁地帶的孔隙壓力降低,形成一個(gè)壓降漏斗,作用在井壁表面巖石上的有效應(yīng)力增加,有利于氣層的井壁穩(wěn)定;另一方面由于產(chǎn)層孔道迂回曲折,高壓氣體在快速流出地層時(shí),在近井壁地帶會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加徑向應(yīng)力,降低了井底氣體對(duì)井壁巖石的有效支撐作用,不利于氣層的井壁穩(wěn)定。綜合分析正、反兩方面的影響因素后發(fā)現(xiàn):高壓產(chǎn)氣層被氣體鉆井揭開(kāi)瞬間,氣層井壁表面巖石穩(wěn)定性最差;隨后,井壁表面巖石孔隙壓力降低,井壁穩(wěn)定性變好;隨著產(chǎn)氣層暴露時(shí)間的增加,氣層深部位置點(diǎn)高壓氣體開(kāi)始流動(dòng),井壁穩(wěn)定性先變差后變好。

氣體鉆井 高壓氣層 井壁穩(wěn)定性 評(píng)價(jià)方法 孔隙壓力 拖曳力

在氣體鉆井過(guò)程中,循環(huán)介質(zhì)為低密度干燥氣體,氣體在井底產(chǎn)生的壓力很小,在1 M Pa左右,遠(yuǎn)小于地層孔隙壓力。當(dāng)利用氣體鉆井揭開(kāi)高壓產(chǎn)氣層時(shí),氣體在壓力勢(shì)差作用下由地層高速流入井眼內(nèi),導(dǎo)致高壓產(chǎn)氣層段井壁穩(wěn)定性下降,井壁垮塌失穩(wěn)。四川盆地川西新場(chǎng)氣田利用氣體鉆井技術(shù)鉆探侏羅系沙溪廟組地層時(shí),鉆遇高壓產(chǎn)氣層,地層短時(shí)間大量產(chǎn)氣后,井下發(fā)生惡性埋鉆事故,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料證實(shí)為產(chǎn)氣層段垮塌失穩(wěn)造成井下埋鉆事故[1-7]。因此,開(kāi)展高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性研究,可以為產(chǎn)層段氣體鉆井的順利實(shí)施提供技術(shù)保障。

1 高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理

在利用氣體鉆井揭開(kāi)高壓產(chǎn)氣層時(shí),地層中的高壓氣體在壓力勢(shì)差作用下由地層快速流入井眼內(nèi),一方面導(dǎo)致高壓產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力降低,形成一個(gè)壓降漏斗,越是靠近井壁表面地層孔隙壓力越小,那么作用在巖石上的有效應(yīng)力越大;另一方面,產(chǎn)氣層的孔道迂回曲折,高壓氣體快速流出地層過(guò)程中,在近井壁地帶產(chǎn)生一個(gè)將井壁表面巖石推向井眼的附加徑向應(yīng)力,減弱了井筒內(nèi)氣體對(duì)井壁的有效支撐作用。總之,高壓氣層高速產(chǎn)氣導(dǎo)致作用在近井壁地帶巖石上的有效應(yīng)力分布發(fā)生變化,進(jìn)而影響高壓產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性。

1.1 高壓產(chǎn)氣層孔隙壓力變化及其對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

高壓產(chǎn)氣層被氣體鉆井揭開(kāi)后,高壓氣體在壓力勢(shì)差作用下流出產(chǎn)層,導(dǎo)致近井壁地帶孔隙壓力減小,可利用多孔介質(zhì)線性單相滲流基本方程評(píng)價(jià)地層孔隙壓力分布情況。

邊界條件:

初始條件:

式中φ表示地層孔隙度,%;μ表示氣體黏度,m Pa·s; C表示氣體壓縮系數(shù),M Pa-1;K表示地層滲透率, mD;rw表示井眼半徑,m;pw表示井底壓力,M Pa;p0表示原始地層孔隙壓力,M Pa。

結(jié)合邊界條件和初始條件,由式(1)便可得到高壓氣層被氣體鉆井揭開(kāi)后,產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力分布情況,如圖1所示。

圖1 高壓產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力分布情況圖

從圖1可以看出,高壓氣層一旦被氣體鉆井揭開(kāi)后,近井壁地帶孔隙壓力分布發(fā)生明顯變化。井壁表面巖石孔隙壓力與井筒內(nèi)壓力相等,隨著距井壁表面距離的增加,孔隙壓力逐漸增加,直至恢復(fù)原始地層孔隙壓力。

高壓氣層孔隙壓力的變化引起作用在巖石骨架上的有效應(yīng)力分布發(fā)生變化,進(jìn)而影響產(chǎn)氣層近井壁地帶井壁穩(wěn)定性發(fā)生改變。圖2給出了孔隙壓力變化對(duì)高壓產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性的影響,圖2中井壁穩(wěn)定性值越小表明井壁越穩(wěn)定;反之,井壁穩(wěn)定性較差。

圖2 孔隙壓力變化對(duì)產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性的影響關(guān)系圖

從圖2可以看出,高壓產(chǎn)氣層孔隙壓力的變化對(duì)地層井壁穩(wěn)定性的影響十分明顯。從圖2可以看出,與原始地層相比較(即地層不產(chǎn)氣,地層孔隙壓力分布保持原始狀態(tài)),高壓氣層產(chǎn)氣后,近井壁地帶孔隙壓力降低,作用在巖石骨架上的有效應(yīng)力增加,但井壁穩(wěn)定性變好。因此,高壓氣層產(chǎn)氣引起地層孔隙壓力降低有利于產(chǎn)氣層的井壁穩(wěn)定。

1.2 高壓氣體高速流動(dòng)對(duì)地層有效應(yīng)力分布和井壁穩(wěn)定性的影響

在高壓氣層產(chǎn)氣過(guò)程中,除了引起地層孔隙壓力分布發(fā)生變化以外,高壓氣體高速流出地層時(shí),對(duì)井壁表面巖石產(chǎn)生一個(gè)附加徑向應(yīng)力,該附加應(yīng)力將井壁表面巖石向井眼內(nèi)“拖曳”,引起產(chǎn)氣層井壁垮塌掉塊。這種附加作用力也稱(chēng)為“拖曳力”,拖曳力的產(chǎn)生主要是由流體壓差引起的,在單位滲流面積上,巖石的孔隙面積為φ(即孔隙度),則單位長(zhǎng)度上流體對(duì)巖石施加的摩擦拖曳力為:

式(2)又可表示為:

由式(3)可以看出,高壓氣體高速流動(dòng)產(chǎn)生的附加拖曳力與高壓產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力梯度變化相關(guān)。結(jié)合前面得到的高壓氣層產(chǎn)氣過(guò)程中孔隙壓力分布情況,便可得到高壓氣層產(chǎn)氣過(guò)程中拖曳力變化情況,如圖3所示。

圖3 高壓氣層產(chǎn)氣過(guò)程中拖曳力分布情況圖

從圖3可以看出,在高壓氣層被揭開(kāi)前,地層孔隙壓力保持原始狀態(tài),無(wú)高壓氣體流動(dòng),拖曳力為零。當(dāng)高壓氣層被揭開(kāi)瞬間,高壓氣體快速?zèng)_出地層,在井壁表面產(chǎn)生的拖曳力最大,隨著距井壁表面距離的增加,拖曳力逐漸減弱。隨著產(chǎn)氣層裸露時(shí)間的增加,作用在井壁表面上的拖曳力減小。從圖3還可看出,拖曳力的變化曲線上存在一轉(zhuǎn)折點(diǎn),在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)左邊,隨著時(shí)間的增加,拖曳力逐漸減弱,而在該點(diǎn)右邊,拖曳力則逐漸增加。

圖4給出了高壓氣體高速流動(dòng)對(duì)產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性的影響關(guān)系。

圖4 高壓氣體流動(dòng)對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響關(guān)系圖

從圖4可以看出,高壓氣體高速流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性降低。在氣層被揭開(kāi)瞬間,高速流動(dòng)氣體在井壁表面產(chǎn)生的“拖曳力”最大,對(duì)產(chǎn)層井壁穩(wěn)定性影響最大,此時(shí)產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性最差。隨著產(chǎn)層暴露時(shí)間的增加,進(jìn)井壁地帶孔隙壓力逐漸減小,產(chǎn)生的拖曳力逐漸減小,那么,對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響減弱。

1.3 高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性綜合分析

由前面的分析可知,高壓產(chǎn)氣層產(chǎn)氣過(guò)程中,一方面引起近井壁地帶孔隙壓力減小,有利于井壁穩(wěn)定;另一方面高壓氣體高速流動(dòng)產(chǎn)生附加“徑向拖曳力”,不利于井壁穩(wěn)定。那么,綜合考慮正、反兩方面的影響因素,高壓產(chǎn)氣層產(chǎn)氣過(guò)程中井壁穩(wěn)定性究竟怎樣變化呢?

考慮高壓氣層孔隙壓力變化和拖曳力的影響,高壓產(chǎn)氣層近井壁地帶有效應(yīng)力分布可表示為:

式中σ′r、σ′θ、σ′z和τrθ分別表示徑向、周向、垂向的有效應(yīng)力和剪切力,M Pa;σw表示上覆地層壓力,M Pa;σh1、 σh2分別表示兩個(gè)水平方向主地應(yīng)力,M Pa;α表示有效應(yīng)力系數(shù),無(wú)量綱;μ表示巖石靜態(tài)泊松比;θ表示圓周角,(°);p(r)表示距井壁表面處孔隙壓力,M Pa;f(r)表示距井壁表面處拖曳力,M Pa。

由公式(4)～(7)計(jì)算得到高壓氣層產(chǎn)氣過(guò)程中井眼周?chē)貙佑行?yīng)力分布情況,結(jié)合庫(kù)侖—摩爾準(zhǔn)則便可得到產(chǎn)氣層產(chǎn)氣過(guò)程中近井壁地帶井壁穩(wěn)定性分布情況,如圖5所示。

圖5 高壓氣層產(chǎn)氣過(guò)程中井壁穩(wěn)定性變化情況圖

從圖5可以看出,當(dāng)產(chǎn)氣層被揭開(kāi)瞬間,井壁表面巖石孔隙壓力保持原始狀態(tài),井壁表面巖石孔隙壓力與井眼內(nèi)壓力差異最大,作用在井壁表面巖石上的“拖曳力”最大,此時(shí)井壁表面巖石穩(wěn)定性最差,高于原始地層井壁表面巖石穩(wěn)定性。高壓氣層瞬間產(chǎn)氣后,導(dǎo)致井壁表面巖石孔隙壓力降低,與井眼內(nèi)壓力持平,“拖曳力”消失,井壁表面巖石孔隙壓力的降低導(dǎo)致井眼表面巖石穩(wěn)定性變好,低于原始地層井壁穩(wěn)定性。隨著時(shí)間的增加,由于氣體的流出,壓力的傳遞,產(chǎn)氣層深部位置點(diǎn)孔隙壓力發(fā)生變化,進(jìn)而引起地層深部氣體在壓力勢(shì)差作用下流出地層,一方面導(dǎo)致孔隙壓力減小,另一方面產(chǎn)生“拖曳力”。地層深部每個(gè)位置點(diǎn)由于前一個(gè)位置點(diǎn)的孔隙壓力降低,高壓氣體欲動(dòng)未動(dòng)時(shí),先產(chǎn)生“拖曳力”引起該位置點(diǎn)井壁穩(wěn)定性變差,然后孔隙壓力降低,井壁穩(wěn)定性變好。

2 實(shí)例分析

川西地區(qū)新場(chǎng)氣田利用空氣鉆井技術(shù)鉆探沙溪廟組地層時(shí),鉆遇產(chǎn)氣層段,產(chǎn)氣層短時(shí)間產(chǎn)氣后引起井下遇阻卡鉆事故,隨后被迫轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井。利用前面建立的高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分析了新場(chǎng)氣體沙溪廟組產(chǎn)氣層段不產(chǎn)氣和產(chǎn)氣瞬間兩種情況下的坍塌密度變化情況,如圖6所示。

從圖6可以看出,高壓氣層在產(chǎn)氣前后坍塌密度有著明顯的變化,考慮地層瞬間產(chǎn)氣影響的地層坍塌密度要明顯高于地層不產(chǎn)氣時(shí)的地層坍塌密度,這也說(shuō)明地層瞬間產(chǎn)氣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性下降,在評(píng)價(jià)分析高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定時(shí)需要考慮地層產(chǎn)氣對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。

1）停工開(kāi)始階段，含油污水排放后路就受到了限制，為了降低在吹掃過(guò)程中產(chǎn)生大量含油污水，輕油管線吹掃一律選擇用蒸汽，有效的降低了含油污水的產(chǎn)生。

圖6 新場(chǎng)氣田沙溪廟組地層產(chǎn)氣前后坍塌密度變化情況圖

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)氣體鉆井高壓氣層高速產(chǎn)氣過(guò)程中井壁穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)分析,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井實(shí)鉆情況,可以得出以下結(jié)論與認(rèn)識(shí):

1)在評(píng)價(jià)高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性時(shí),需要考慮高壓氣層高速產(chǎn)氣對(duì)氣層近井壁地帶有效應(yīng)力分布和井壁穩(wěn)定性的影響。

2)高壓氣層被氣體鉆井揭開(kāi)后,高壓氣體在壓力勢(shì)差作用下高速流出地層,一方面導(dǎo)致產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力降低,另一方面高速流動(dòng)氣體通過(guò)地層孔道時(shí),產(chǎn)生一個(gè)附加徑向拖曳力。

3)高壓氣層近井壁地帶孔隙壓力的降低有利于氣層井壁穩(wěn)定,而徑向拖曳力則不利于氣層井壁穩(wěn)定。

4)高壓氣層被氣體鉆井揭開(kāi)瞬間,氣層井壁穩(wěn)定性最差,高于原始地層井壁穩(wěn)定性,隨后孔隙壓力降低,井壁穩(wěn)定性變好。

5)為了避免高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井下復(fù)雜事故的發(fā)生,可以采取適當(dāng)措施方法,諸如當(dāng)利用氣體鉆井揭開(kāi)高壓產(chǎn)氣層時(shí),應(yīng)盡量降低鉆速或停止鉆進(jìn),利用產(chǎn)氣層的孔道連通性,使鉆頭前方地層氣體得以釋放,降低孔隙壓力,增加井壁穩(wěn)定性,接著充分循環(huán)、沖洗井底巖屑,然后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

[1]劉厚彬.川西高壓高產(chǎn)氣藏井壁失穩(wěn)機(jī)理研究[R]∥“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第四次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.成都:西南石油大學(xué),2007:487-491.

[2]OSISANYA S O,CHENEVERT M E.Physics-Chemical modeling of wellbo re stability in shale fo rmations[C]∥Annual Technical Meeting.Calgary:Petroleum Society of Canada,1994.

[3]雷征東,李相方,程時(shí)清.考慮拖曳力的出砂預(yù)測(cè)新模型及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2006,28(1):69-72.

[4]雷征東,安小平,李相方.射孔完井出砂預(yù)測(cè)新模型及其在射孔優(yōu)化中的應(yīng)用[J].油氣井測(cè)試,2006,15(6):10-13.

[5]柴軍瑞,仵彥卿.作用在裂隙中的滲透力分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2001,9(1):29-31.

[6]劉厚彬,孟英峰,李皋,等.超深井井壁穩(wěn)定性分析[J].天然氣工業(yè),2008,28(4):67-69.

[7]周玉良,孟英峰李皋,等.氣體鉆井條件下泥頁(yè)巖自發(fā)吸水規(guī)律研究[J].石油鉆探技術(shù),2009,37(6):31-34.

Analysis of wellbore stability during gas drilling through high-pressure gas formations

Liu Houbin1,M eng Yingfeng1,Wan Shangxian2,Li Gao1,Jiang Zujun3,LüBin4
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Ex p loitation,Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;2.Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan 610051,China;3.Southw est Petroleum Engineering Com pany,Sinopec,Chengdu,Sichuan 610050, China;4.Reserves Research L aboratory of Exp loration and Development Research Institute,L iaohe Oilfield Com pany,PetroChina,Panjin,L iaoning 124010,China)

When gas drilling starts to get through high-p ressure gas formation,the bottomhole p ressure is very low,far less than the po re p ressure,so under the differential p ressure,high-p ressure gas flow s instantly from the formation into the hole,w hich threatens the wellbore stability and w ill lead to dow nhole p roblem s.Through an in-dep th study on how the high-speed gas escaping from highp ressure fo rmations has influenceon the wellbore stability of gas drilling,a set of evaluation method is thus established.The results show that the p roduced high-p ressure gas w ill lead to both positive and negative changes.The positive one is that the pore p ressure of near-wellbore gas-fo rmation is reduced,and the effective stresses on rock surface increased,w hich is conductive to the wellbore stability.The negative one is that the high-p ressure gas flow ing out of the tortuous po re canals w ill generate an additional radial stresson the near wellbo re rocksw hile the fo rmation,w hich w ill reduce the effective supporton thewellbore and is not conductive to the wellbo re stability.Through a comp rehensive analysis of these two contrary impacts,it can be seen that the stability of surface rocks is the worst at themomentw hen the high-p ressure gas fo rmation just starts to be penetrated,subsequently the po re p ressureof surface rocks is reduced,and the wellbo re stability becomes better.With the exposure time of gas reservoir being p rolonged,the deep high-p ressure gas begins to flow,the wellbo re stability becomes wo rse first and then becomes better afterwards.

high-p ressure gas reservoir,wellbo re stability,po re p ressure,gas drilling,drag fo rce

國(guó)家高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃(863計(jì)劃)“氣體鉆井技術(shù)與裝備”項(xiàng)目(編號(hào):2006AA 06A 103)和“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(PLN0909)的研究成果。

劉厚彬,1980年生,博士后;現(xiàn)主要從事井壁穩(wěn)定和巖石力學(xué)方面研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室A 109室。電話:13980532266。E-mail:liuhoubin523@sina.com

劉厚彬等.高壓氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析.天然氣工業(yè),2010,30(11):59-62.

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.11.016

(修改回稿日期 2010-09-11 編輯 居維清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.11.016

L iu Houbin,bo rn in 1980,holds a Ph.D degree,being mainly engaged in wellbo re stability and rock mechanics.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-13980532266 E-mail:liuhoubin523@sina.com