定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關(guān)系研究

徐一龍 黃凱文 梁繼文 鹿傳世 吳 江

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，湛江 524057）

定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關(guān)系研究

徐一龍 黃凱文 梁繼文 鹿傳世 吳 江

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，湛江 524057）

從力學(xué)角度分析南海西部海域潿洲XX油田的地層巖石特征，提出適合該油田的井壁穩(wěn)定分析方法?；谶m合該油田定向井的井壁穩(wěn)定計算模型，分析井眼軌跡與井壁穩(wěn)定的關(guān)系，并總結(jié)其規(guī)律。合理設(shè)計定向井井眼軌跡是預(yù)防潿洲XX油田井壁失穩(wěn)的有效措施之一。

定向井；井眼軌跡；井壁穩(wěn)定；井斜角；井斜方位

南海西部海域潿洲XX油田蘊(yùn)藏豐富的油氣資源，但地質(zhì)條件非常復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力大，斷層裂縫發(fā)育，地層水敏性強(qiáng)，安全鉆井液密度窗口窄，鉆井過程中塌、漏、卡等鉆井事故頻發(fā)，特別是鉆遇潿洲組流沙港組地層時，井壁失穩(wěn)問題非常嚴(yán)重。

改善泥漿性能和限制起下鉆速度是研究得較多的做法。改善泥漿性能可以在一定程度上保護(hù)井壁，但儲層污染較大，只適合上部井段的非目的層，而限制起下鉆對穩(wěn)定井壁的效果不甚明顯。因此，研究人員打算從其他角度來分析該油田的井壁穩(wěn)定性，定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定的關(guān)系分析就是在這一基礎(chǔ)上提出的。

1 地層巖石力學(xué)特征分析

潿西南凹陷流沙港組泥頁巖地層屬中深湖相沉積，屬較穩(wěn)定沉積環(huán)境，泥頁巖中發(fā)育的層理性是沉積環(huán)境的振蕩變化（短的周期性變化），造成沉積的物源周期性變化，黏土礦物組成相應(yīng)也產(chǎn)生周期性差異，原始沉積的水平層理經(jīng)波浪、水流和后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的改造，形成了現(xiàn)在泥頁巖地層的層理結(jié)構(gòu)［1］。

層理結(jié)構(gòu)地層的特點：一是力學(xué)上具有顯著的各向異性；二是層理面也是弱勢面，結(jié)構(gòu)薄弱微孔隙裂隙較為發(fā)育，在經(jīng)歷歷次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動后更易沿層理面產(chǎn)生裂縫和微裂縫，進(jìn)而形成鉆井液濾液浸入泥頁巖的通道［2］。

層理性地層具有顯著的各向異性，以往井壁穩(wěn)定性分析中常忽略了各向異性的影響，這必將引起較大的誤差［3］。這里考慮了地層力學(xué)性質(zhì)各向異性的影響，鉆井過程中，層理面會先于地層巖石本體破壞，造成復(fù)雜事故。因此，無論是在直井還是定向井的鉆井中，都需要對層理性地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

2 層理弱面對地層強(qiáng)度的影響

完整性地層的剪切破壞一般采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行描述，用σ1、σ3主應(yīng)力表示：

式中：σ1—巖石基體所受的最大有效主應(yīng)力；

σ3—巖石基體所受的最小有效主應(yīng)力；

C—巖石基體的粘聚力；

φ—巖石基體的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)?shù)貙又写嬖谌趺鏁r，Mclamore等人認(rèn)為巖體破壞可以用黏聚力和內(nèi)摩擦角連續(xù)變化的弱面準(zhǔn)則來分析［4］，即：

式中：A1、B1、A2、B2、α、α′、C1、D1、C2、D2、n、m 為實驗確定的常數(shù)；β為弱面法向與σ1的夾角，如圖1所示。

圖1 層理面法向與夾角示意圖

該模型中的未知參數(shù)較多，實際應(yīng)用中需要對其簡化，即假設(shè)黏聚力連續(xù)變化，內(nèi)摩擦角不變，以降低未知參數(shù)數(shù)量［5］。

3 定向井井壁穩(wěn)定的分析方法

為了分析方便，在定向井的軌跡曲線中取一個單元體，其井壁圍巖應(yīng)力分布和坐標(biāo)軸可用圖2（I）表示［6］。

但如圖2（I）的應(yīng)力表達(dá)式計算不夠簡便，因此，將其轉(zhuǎn)換為如圖2（II）所示的斜坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系以井軸為z軸，x、y軸均垂直于 z軸［7］。這樣就能得到斜坐標(biāo)系下的地應(yīng)力表達(dá)式：

由于該油田地層傾角較小，且室內(nèi)試驗表明井壁的失穩(wěn)主要原因是滲吸破壞，因此，研究人員認(rèn)為該油田的井壁失穩(wěn)只表現(xiàn)為基體破壞。該油田的地應(yīng)力關(guān)系為：σv＞σh1＞σh2，于是將式（3）應(yīng)用于式（2）中，可以得到定向井的坍塌壓力計算模型［8］（此處略）。

4 井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性的關(guān)系分析

為了研究井眼軌跡與井壁穩(wěn)定的關(guān)系，取其中一口井的一小段測井?dāng)?shù)據(jù)來分析其坍塌壓力和破裂壓力（破裂壓力的分析方法已經(jīng)很成熟，這里未寫出其計算模型）。為了計算方便，這里將地層視為一個中心對稱的平面（圖3）,并取不同的井斜角與井斜方位角來進(jìn)行對比。

圖3 井眼橫截面

（1）將井斜方位角固定為0°，分別取井斜角為0°（0°表示直井，不存在井斜方位角）、22.5°、45°、67.5°、90°，進(jìn)行坍塌壓力和破裂壓力計算，可得到一組剖面圖（圖4）。

圖4 井斜方位0°時各井斜角對應(yīng)的壓力

（2）將井斜方位角固定為22.5°，分別取井斜角為0°、22.5°、45°、67.5°、90°，進(jìn)行坍塌壓力和破裂壓力計算，可得到一組剖面圖（圖5）。

（3）將井斜方位角固定為45°，分別取井斜角為0°、22.5°、45°、67.5°、90°，進(jìn)行坍塌壓力和破裂壓力計算，可得到一組剖面圖（圖6）。

圖5 井斜方位22.5°時井斜角對應(yīng)的壓力

（4）將井斜方位角固定為67.5°，分別取井斜角為0°、22.5°、45°、67.5°、90°，進(jìn)行坍塌壓力和破裂壓力計算，可得到一組剖面圖(圖7)。

圖6 井斜方位45°時井斜角對應(yīng)的壓力

（5）將井斜方位角固定為90°，分別取井斜角為0°、22.5°、45°、67.5°、90°，進(jìn)行坍塌壓力和破裂壓力計算，可得到一組剖面圖（圖8）。

圖7 井斜方位67.5°時井斜角對應(yīng)的壓力

直接觀察這些剖面圖不易發(fā)現(xiàn)其規(guī)律性，因此，取2 795m井深處的一個點的計算數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，可以得到表1和表2。表中:F1— 0°井斜角對應(yīng)的坍塌壓力；F2— 22.5°井斜角對應(yīng)的坍塌壓力；F3— 45°井斜角對應(yīng)的坍塌壓力；F4— 67.5°井斜角對應(yīng)的坍塌壓力；F5— 90°井斜角對應(yīng)的坍塌壓力；f1— 0°井斜角對應(yīng)的破裂壓力；f2— 22.5°井斜角對應(yīng)的破裂壓力；f3— 45°井斜角對應(yīng)的破裂壓力；f4—67.5°井斜角對應(yīng)的破裂壓力；f5— 90°井斜角對應(yīng)的破裂壓力。

圖8 井斜方位90°時井斜角對應(yīng)的壓力

2 796、2 797m以及其他井深下的多個數(shù)據(jù)變化趨勢也是如此，限于篇幅，此處略。

表1 2 795m井深下的坍塌壓力當(dāng)量泥漿密度

表2 2795m井深下的破裂壓力當(dāng)量泥漿密度

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)井眼軌跡與井壁穩(wěn)定的關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)潿洲XX油田在井斜方位為45°的情況下，坍塌壓力為最小值，破裂壓力為最大值。也就是說，在其他條件相同的情況下，如果把定向井的井斜方位角設(shè)計在 45°或者 225°，井壁最穩(wěn)定。

（2）在井斜方位為0～90°范圍內(nèi)，坍塌壓力先減小后增大，破裂壓力先增大后減小。結(jié)合該油田的地應(yīng)力特征（最大水平主應(yīng)力方向為135°/315°），發(fā)現(xiàn)45°或者225°正好是最小水平主應(yīng)力方向，即井壁最穩(wěn)定的方位是最小水平主應(yīng)力方向。

（3）不論井斜方位怎么變化，坍塌壓力總是隨著井斜角的增加而增大，破裂壓力總是隨著井斜角的增加而減小，即在其他條件相同的情況下，直井的井壁穩(wěn)定性比定向井好。

（4）總體上講，直井的安全鉆井液密度窗口比水平井的安全鉆井液密度窗口大約寬0.12g/cm3，井斜方位為45°、225°的定向井比井斜方位為135°、315°的定向井安全鉆井液密度窗口大約寬0.1g/cm3。

[1]謝玉洪，黃凱文，余洪驥.北部灣盆地易塌地層鉆井技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

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The Analysis of the Relationship between Directional Well Track and Wellhole Stability

XU Yi-long HUANG Kai-wen LIANG Ji-wen LU Chuan-shiWU Jiang
(Zhanjiang Branch of CNOOC Co.Ltd.,Zhanjiang 524057)

In this paper,the lithologic formation features of Weizhou XX oilfield in South China Sea is analyzed from the perspective of mechanics.Then,the appropriate analytic methods of hole stability for this oilfield is proposed.It also analyzes the relation among well deviation,drift azimuth and wellhole stability,concludes the regularities,and develops some favorable protective suggestions for wellhole stability in this oilfield.Reasonable design of directional wellhole track is one of effective measures to prevent wellhole instability in Weizhou XX oilfield of western South China Sea.

directional well；wellhole track；wellhole stability；hole angle；drift azimuth

TE243

A

1673-1980（2011）06-0051-04

2011-05-03

徐一龍（1981-），男，碩士，工程師，研究方向為海洋鉆井工藝。