深水鉆井安全鉆井液密度窗口計(jì)算模型的建立與應(yīng)用＊——以西非AKPO深水油田為例

蔚寶華 閆傳梁 鄧金根 周建良 劉書杰 邢希金 譚 強(qiáng)

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）； 2.中海油研究總院）

AKPO油田位于尼日利亞OML130區(qū)塊，油田距尼日利亞海岸線約200 km，所處海域水深在1150～1750 m。該油田為擠壓形成的背斜構(gòu)造，構(gòu)造內(nèi)正斷層發(fā)育，最大水平主應(yīng)力方向約為N60°E。

深水鉆井平均日費(fèi)在100萬美元以上，減少鉆井復(fù)雜情況、提高鉆井效率是提高深水油氣田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵，而我國(guó)的深水油氣田開發(fā)尚處于起步階段，對(duì)深水鉆井液密度的確定也沒有專門的計(jì)算模型。筆者針對(duì)AKPO油田的鉆井情況和深水地質(zhì)特征開展了井壁穩(wěn)定性研究，建立了深水井壁穩(wěn)定性分析模型，并在該油田鉆井實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，對(duì)類似深水油田井壁穩(wěn)定性分析具有借鑒意義。

1 深水井壁穩(wěn)定性分析的難點(diǎn)

國(guó)外在20世紀(jì)90年代掀起了深水油氣開發(fā)的熱 潮，Martin Traugott［1］、Richin Chhajlani［2］、Rocha［3］等學(xué)者對(duì)深水井壁穩(wěn)定性的研究做出了很多有益的探索。盡管深水地層與陸地和淺水地層相比在地層性質(zhì)方面有其特殊性，但在井壁穩(wěn)定性研究方法上是基本相同的，都要先確定井眼周圍應(yīng)力狀態(tài)和地層的變形破壞規(guī)律，然后根據(jù)合適的破壞準(zhǔn)則判斷井壁是否穩(wěn)定。

雖然研究方法基本相同，但深水地層條件更加復(fù)雜，井壁穩(wěn)定性分析的難度也會(huì)更大，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）由于深水區(qū)域上覆巖層相當(dāng)一部分被海水替代，上覆巖層壓力與陸地相比偏低，導(dǎo)致地層破裂壓力較低，使得地層孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口很窄，因此，提高安全鉆井液密度窗口的預(yù)測(cè)精度尤為重要；

（2）泥面以下1000 m以內(nèi)的深水淺部地層壓實(shí)時(shí)間短，仍處于固結(jié)成巖階段，地層滲透率高，強(qiáng)度低，表現(xiàn)出塑性趨勢(shì)，坍塌壓力較高，破裂壓力值極低，極易發(fā)生井眼縮徑和井下漏失，因此，建立反映深水淺層井眼周圍應(yīng)力狀態(tài)的坍塌壓力和破裂壓力計(jì)算模型非常重要；

（3）深水淺層沉積層可能存在淺層氣、淺層水，易發(fā)生井涌、井噴。

由于淺層氣、淺層水在AKPO油田很少鉆遇，所以前2個(gè)問題對(duì)于評(píng)估AKPO油田井壁穩(wěn)定性更加重要。

2 深水鉆井安全鉆井液密度窗口計(jì)算模型的建立

2.1 深水淺層安全鉆井液密度窗口計(jì)算模型的建立

深水淺部地層處于固結(jié)成巖階段，塑性強(qiáng)，井壁附近處于彈塑性狀態(tài)，用傳統(tǒng)的多孔彈性理論進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析顯然是不合適的，必須對(duì)井眼周圍塑性狀態(tài)進(jìn)行研究。

為了準(zhǔn)確評(píng)估深水淺層井眼破裂壓力，國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。1997年，Lee［4］等人研究了水深對(duì)破裂壓力的影響，發(fā)現(xiàn)深水井壁破裂壓力和上覆巖層壓力較為接近，但未給出專門的計(jì)算模型。深水淺部地層強(qiáng)度很低，在進(jìn)行破裂壓力計(jì)算時(shí)，其抗拉強(qiáng)度可以忽略。E.Kaarstad［5］（2006）基于挪威的深水鉆井實(shí)踐提出了用于計(jì)算深水淺層破裂壓力的彈塑性模型，即

式（1）中：pf為地層破裂壓力；σH和σh分別為最大、最小水平主應(yīng)力；pp為地層孔隙壓力；py為塑性附加應(yīng)力。

在AKPO油田，淺部地層很少經(jīng)歷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，兩水平主應(yīng)力之間基本相等，主要由上覆巖層的自重產(chǎn)生；淺部地層壓力為靜水壓力，不存在異常高壓，對(duì)破裂壓力影響不大。根據(jù)E.Kaarstad等人研究，深水淺層的塑性附加應(yīng)力py與上覆巖層壓力有關(guān)，故公式（1）可簡(jiǎn)化為

式（2）中：σob為上覆巖層壓力；const為常數(shù)，與油田地質(zhì)特征有關(guān)，各油田間具有差異。

筆者對(duì)AKPO油田淺部地層的地漏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和上覆巖層壓力進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果如圖1所示，得到AKPO油田的const值約為1。也就是說，對(duì)于AKPO油田淺部地層，式（2）可簡(jiǎn)化為

根據(jù) Andrew K.Wojtanowicz［6］等人的研究，在深水淺部地層，井筒被壓裂時(shí)只能形成水平縫而無法形成垂直縫，這與公式（3）是非常吻合的。

圖1 西非AKPO深水油田淺層破裂壓力與上覆巖層壓力關(guān)系

對(duì)于深水淺部地層，利用彈性模型計(jì)算的井壁坍塌壓力相對(duì)比較保守，因?yàn)榧词咕谥車霈F(xiàn)一定面積的塑性區(qū)，也能維持穩(wěn)定，為此需要計(jì)算不同鉆井液密度下的井眼周圍地層塑性區(qū)面積。AKPO油田淺層水平主應(yīng)力近似相等，防止井壁坍塌的鉆井液液柱壓力pt可以通過下式計(jì)算：

2.2 深水深層安全鉆井液密度窗口計(jì)算模型的建立

深水深部地層處于成巖后的壓實(shí)階段，井眼周圍地層一般處于彈性狀態(tài)，可利用多孔彈性理論進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析，井壁坍塌壓力的計(jì)算模型為

式（5）中：M 為安全系數(shù)；σH為最大水平主應(yīng)力；σh為最小水平主應(yīng)力；α為有效應(yīng)力系數(shù)；pp為地層孔隙壓力。

井壁破裂壓力的計(jì)算模型為

式（6）中：Q＝β－3γ，為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；pp為地層孔隙壓力；St為地層抗拉強(qiáng)度；σv為上覆地層壓力；μ為泊松比。

2.3 深水地層井下漏失壓力計(jì)算模型的建立

鉆井過程中的井下漏失問題與地層性質(zhì)密切相關(guān)，地層性質(zhì)不同，漏失的機(jī)理不同，漏失壓力的計(jì)算方法不同。為準(zhǔn)確確定井下漏失壓力，需要根據(jù)鉆井工程中的井漏現(xiàn)象確認(rèn)漏失機(jī)理，進(jìn)而優(yōu)選漏失壓力計(jì)算模型。筆者對(duì)AKPO油田已鉆井的鉆井情況進(jìn)行了總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失現(xiàn)象非常普遍，漏失皆發(fā)生在鉆進(jìn)或起鉆過程中，瞬時(shí)漏失量較高但隨后能夠自然降低，加入封堵材料后漏失速率明顯降低，總漏失量較低。結(jié)合各井的過井地震剖面，對(duì)漏失情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該油田已鉆各井的漏失都發(fā)生在斷層附近。

AKPO油田地層正斷層發(fā)育，部分?jǐn)鄬臃忾]性差，裂縫面導(dǎo)流能力強(qiáng)，容易造成瞬時(shí)快速滲透性漏失。因此，在鉆遇斷層破碎帶或其它裂縫性地層時(shí)，應(yīng)以最小水平主應(yīng)力作為鉆井液密度的上限，并增強(qiáng)鉆井液的封堵性，以防止鉆井液侵入裂縫而造成漏失。漏失壓力計(jì)算公式如下：

3 實(shí)例分析

A井是AKPO油田的一口探井，所處海域水深約1375 m，井深4158 m。利用公式（5）～（7）對(duì)該井的安全鉆井液密度窗口進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見圖2。

圖2 西非AKPO深水油田A井安全鉆井液密度窗口

從計(jì)算結(jié)果可以看出：坍塌壓力的計(jì)算值與實(shí)用鉆井液密度相符合，破裂壓力、漏失壓力與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值相符合，說明本文提出的計(jì)算模型是合理的。

應(yīng)該注意：該油田裂縫較發(fā)育，應(yīng)盡量保持鉆井液液柱壓力小于漏失壓力，并增強(qiáng)鉆井液的封堵性，以免發(fā)生漏失；另外，該油田安全鉆井液密度窗口較窄，在合理選擇鉆井液密度的基礎(chǔ)上應(yīng)注意優(yōu)化鉆井工藝，以免起下鉆時(shí)的激動(dòng)壓力造成井壁失穩(wěn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)AKPO深水油田地層特性，基于塑性力學(xué)、多孔彈性力學(xué)建立了深水地層鉆井液密度窗口計(jì)算模型。AKPO深水油田A井鉆井實(shí)踐表明本文建立的鉆井液密度窗口計(jì)算模型較為合理，可為類似深水油田鉆井提供借鑒。

［1］ TRAUGOTT M.Pore pressure and fracture pressure determinations in deepwater［C］.Deepwater Technology Supplement to World Oil，1997.

［2］ CHHAJLANI R，ZHENG Z Q .Utilization of geomechanics for medusa field development，deepwater gulf of Mexico［C］.SPE 77779，2002.

［3］ ROCHA L A S，F(xiàn)ALC?O J L，GONCALVES C J C ，et al.Fracture pressure gradient in deepwater［C］.SPE 88011，2004.

［4］ LEE S，REILLY J，LOWE R，et al.Accurate pore pressure and fracture pressure predictions using seismic velocities：an aid to deep water exploration and drilling design［C］.World Oil，Deep Water Special Supplement，1998：68－70.

［5］ KAARSTAD E，AADNOY B S.Fracture model for general offshore applications［C］.SPE 101178，2006.

［6］ WOJTANOWICZ A K，BOURGOYNE A T，ZHOU Desheng，et al.Strength and fracture gradients for shallow marine sediments［R］.Louisiana State University，2000.