井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性關(guān)系分析

嚴(yán)大松

(大慶油田大慶鉆探鉆井一公司,黑龍江大慶 163000)

井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性關(guān)系分析

嚴(yán)大松

(大慶油田大慶鉆探鉆井一公司,黑龍江大慶 163000)

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,石油能源日趨緊張,這就使得對(duì)石油鉆井的關(guān)注力度呈增加的發(fā)展趨勢(shì)。本文以井壁穩(wěn)定性的影響因素分析為基礎(chǔ),對(duì)井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了探討。該研究對(duì)我國(guó)關(guān)于井壁穩(wěn)定性的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用有一定的參考作用。

井眼尺寸 井壁穩(wěn)定性 關(guān)系

井壁穩(wěn)定性是石油鉆井過程中一直關(guān)注的話題。由于井壁穩(wěn)定性方面存在的問題每年給全球的石油工業(yè)能造成約六億美元的經(jīng)濟(jì)損失。井壁穩(wěn)定性方面的問題導(dǎo)致鉆井施工很難順利的進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致地下石油資源的勘探與開發(fā)存在巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性存在問題的因素是多方面的，本文從井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性關(guān)系的層面進(jìn)行分析。

1 井壁穩(wěn)定的影響因素分析

井壁穩(wěn)定性方面的問題是石油鉆井過程中經(jīng)常存在的問題，該問題一直存在并且一直對(duì)石油工業(yè)產(chǎn)生著重要的影響。井壁穩(wěn)定性方面問題的存在導(dǎo)致石油鉆井施工經(jīng)常不能順利的實(shí)施，同時(shí)還給地下石油的勘探與開發(fā)帶來不可低估的損失[2]。從鉆井實(shí)施過程的層面來看，鉆井本身是在地下進(jìn)行的，因而就會(huì)不可避免的涉及到復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性方面的問題誘發(fā)的事故就會(huì)對(duì)鉆井工程項(xiàng)目帶來極大的傷害。正因?yàn)槿绱?，鉆井工程中的井壁穩(wěn)定性方面的問題目前已經(jīng)成為世界性難題，其復(fù)雜性一直得到了國(guó)內(nèi)和國(guó)外石油工業(yè)的廣泛關(guān)注。從井壁穩(wěn)定的影響因素來看，主要包括地質(zhì)因素、工程因素以及泥頁巖的水化等內(nèi)容。從地質(zhì)方面的影響因素來看，地質(zhì)構(gòu)造類型與原地應(yīng)力、地層巖性、產(chǎn)狀、含粘土礦物類型，弱面的存在以及層面的膠結(jié)狀況；地質(zhì)的巖石強(qiáng)度，節(jié)理裂縫的發(fā)育狀況；孔隙性、滲透性以及孔隙中流體的壓力；異常壓力地層所存在的壓力釋放；鉆遇地質(zhì)破碎帶、斷層、含有大量微裂縫地層以及煤層等等諸多地質(zhì)因素都會(huì)對(duì)井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。從工程方面的影響因素來看，鉆井液的性能，即鉆井液的濾失量、粘度、流變性、密度以及成分等都可以對(duì)井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；鉆井液排量過大，沖蝕井壁也會(huì)對(duì)井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生作用；起下鉆太慢，導(dǎo)致壓力激動(dòng)，壓裂地層；鉆井液液柱的壓力低于地層壓力以及鉆井液所浸泡的時(shí)間過長(zhǎng)，井眼軌跡形狀與鉆柱對(duì)井壁所產(chǎn)生摩擦與碰撞等工程方面的因素都會(huì)對(duì)井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生作用[3]。從泥頁巖的水化層面來看，也會(huì)導(dǎo)致井壁出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，泥頁巖地層中的粘土礦物容易吸水膨脹與分散，導(dǎo)致井壁巖石的強(qiáng)度出現(xiàn)降低，造成井壁不穩(wěn)定情況的存在。也就是說，井壁穩(wěn)定性方面問題其本質(zhì)是力學(xué)與化學(xué)兩者結(jié)合的綜合問題，這也就決定了解決該問題也應(yīng)該從這兩個(gè)方面出發(fā)進(jìn)行綜合研究。由于涉及到的因素較多，本文僅對(duì)井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性關(guān)系進(jìn)行探討。

2 井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性關(guān)系

2.1 任意井眼與井壁穩(wěn)定性關(guān)系

井壁穩(wěn)定性研究中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)就是確定鉆井液安全密度窗口，其基本理論源于井壁穩(wěn)定性力學(xué)的機(jī)理，鉆井造成本來由巖石承擔(dān)的地應(yīng)力重新分配，井眼圍巖的應(yīng)力與地層強(qiáng)度的比較結(jié)果決定了井壁是否穩(wěn)定，如果地層巖石力學(xué)強(qiáng)度大于井眼圍巖的應(yīng)力則井壁穩(wěn)定，否則井壁失穩(wěn)。大量研究表明，井眼圍巖的應(yīng)力不僅與原地應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且與井眼鉆井液柱壓力也有關(guān)系。從理論上講，鉆井液密度的增大會(huì)使井壁上產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力增加到超過巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，井眼壁會(huì)產(chǎn)生拉張破壞，造成井漏，此即所說的地層破裂壓力對(duì)應(yīng)鉆井液密度上限；反之，鉆井液密度過低，井眼應(yīng)力集中程度加大，當(dāng)井壁應(yīng)力超過巖石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，井眼就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，造成脆性地層井壁坍塌(掉塊)或者塑性地層向井眼內(nèi)塑性變形(縮徑)，這就是所說的地層坍塌壓力對(duì)應(yīng)鉆井液密度下限。實(shí)際鉆井過程中只要控制鉆井液密度大于其臨界值即可保持井壁不發(fā)生大量坍塌，而且可大大提高機(jī)械鉆速，可為現(xiàn)場(chǎng)提供更為精確的安全鉆井液密度，使鉆井安全、快速、有效的進(jìn)行，并為鉆井工程節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性關(guān)系

目前低滲透、特低滲透氣田在我國(guó)天然氣儲(chǔ)量與分布中占有舉足輕重的地位，但其開發(fā)成本較高，采用小井眼井大幅度地降低低滲透、特低滲透氣田的開發(fā)成本[4]。所謂小井眼是指完井井眼尺寸小于152.4mm，或全井60%以上井眼尺寸為152.4m。小井眼比常規(guī)井穩(wěn)定性好對(duì)于低豐度、小型或者邊際油氣田的特殊油氣藏，在地層強(qiáng)度適當(dāng)?shù)臈l件下，小井眼鉆完井是最佳選擇。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)受其生成條件及后期的地質(zhì)構(gòu)造作用、大氣風(fēng)化作用的影響，在巖石內(nèi)部形成各種類型的孔隙、微裂縫及肉眼可觀察到的各種缺陷。巖石大小不同，其力學(xué)性質(zhì)也存在差異，這就是尺寸效應(yīng)或者比例尺效應(yīng)。同一種巖性、形狀相似的巖樣，單軸抗壓強(qiáng)度隨尺寸增大而明顯減小，并最終趨于此類巖石的最小強(qiáng)度值。一般來說，隨著井眼尺寸的減小，其所對(duì)應(yīng)的坍塌壓力降低而破裂壓力增加。就不同井眼尺寸下坍塌壓力、破裂壓力進(jìn)行比較，小井眼鉆進(jìn)時(shí)的安全泥漿密度窗口范圍大，更利于井壁穩(wěn)定。但這并沒有考慮鉆井液與地層相互作用，所得坍塌壓力不允許井壁發(fā)生任何坍塌，破裂壓力不考慮地層的滲透作用。

井壁穩(wěn)定性方面的問題通常是在鉆井施工中，井壁穩(wěn)定問題是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，本文僅從井眼尺寸與井壁穩(wěn)定性關(guān)系上研究了該問題的一個(gè)重要方面，井壁穩(wěn)定性問題的徹底解決還有待于各領(lǐng)域和學(xué)科的共同配合和進(jìn)一步研究[5]。

[1]曹園,蔚寶華,鄧金根,閆傳梁,袁俊亮.砂巖地層井壁穩(wěn)定性分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2014(2)：34-36.

[2]李國(guó)釗,陳強(qiáng),張鵬.科學(xué)探索井大尺寸井眼鉆井液技術(shù)應(yīng)用[J].創(chuàng)新技術(shù),2012(5)：39-41.

[3]徐一龍,黃凱文,梁繼文,鹿傳世,吳江.定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關(guān)系研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(12)：51-53.

[4]尹虎,黃建智,劉輝.側(cè)鉆分支井分叉段井壁穩(wěn)定分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012(7)：4616-4618.

[5]王倩,周英操,唐玉林,姜智博.泥頁巖井壁穩(wěn)定影響因素分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012(1)：171-177.