裂縫性儲(chǔ)層最大下鉆速度確定

陳穎超，張紅靜，韓光明，蘇花衛(wèi)，褚會(huì)麗，王 晶

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校石油工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學(xué)校教務(wù)處，河北 承德 067000;3.承德石油高等?？茖W(xué)校科技發(fā)展與校企合作處，河北 承德 067000)

裂縫性儲(chǔ)層最大下鉆速度確定

陳穎超1，張紅靜2，韓光明3，蘇花衛(wèi)1，褚會(huì)麗1，王 晶1

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校石油工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W(xué)校教務(wù)處，河北 承德 067000;3.承德石油高等?？茖W(xué)校科技發(fā)展與校企合作處，河北 承德 067000)

針對(duì)塔中Ⅰ號(hào)氣田碳酸鹽巖儲(chǔ)層壓力敏感、孔隙發(fā)育，安全密度窗口窄，一般為(1.20 g/cm3～1.23 g/cm3)。當(dāng)下入鉆具過快使井內(nèi)液柱壓力大于地層壓力時(shí)，鉆井液很容易透過裂縫、孔隙、裂縫—孔隙、溶洞發(fā)生漏失，這種情形下的漏失往往是有進(jìn)無出，導(dǎo)致循環(huán)失返。通過建立地層破裂壓力和瞬態(tài)波動(dòng)壓力模型，求出不同泥漿密度的下鉆速度。文章以TH62-X井為例預(yù)測(cè)了不同井深處下鉆速度。

裂縫性儲(chǔ)層;壓力敏感;破裂壓力;下鉆速度

1 儲(chǔ)層構(gòu)造分析

奧陶系OI氣層組塔中82、83、62、26井區(qū)未充填裂縫較大，分別為64%，81%、35%、8%;半充填裂縫分別占28%、17%、44%、37%;全充填裂縫比較大，分別為8%、2%、21%、55%;裂縫多被方解石或泥質(zhì)充填。

OI氣層組縫密度最大的是塔中62井區(qū)，為1.76條/m，塔中82、26井區(qū)分別為0.95條/m、0.73條/m;OIII氣層組塔中83井區(qū)較小為0.33條/m。

裂縫所占比例遠(yuǎn)大于基質(zhì)，裂縫既是儲(chǔ)層，又是滲流通道，故裂縫起主導(dǎo)作用，由于裂縫發(fā)育，所以在鉆進(jìn)實(shí)踐中容易產(chǎn)生“噴漏同層”、“又噴又漏”、上噴下漏的井下復(fù)雜情況出現(xiàn)［1-3］。

若下鉆速度過快，因特殊儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)極易造成井漏。TZ62-X井在4 959.1-4 959.3 m和4 973.21-4 973.76 m井段分別放空0.2 m、0.55 m，發(fā)育大溶洞兩個(gè)，漏失泥漿799.2 m3，表1為奧陶系鉆、錄井異常統(tǒng)計(jì)表。

表1 塔中Ⅰ號(hào)氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)奧陶系鉆、錄井異常統(tǒng)計(jì)表

地層孔隙發(fā)育，無法精確預(yù)測(cè)儲(chǔ)層深度，所以一旦鉆遇大型縫洞，下鉆速度過快壓漏地層后關(guān)井壓力高(有時(shí)高達(dá)20～28 MPa)，控壓鉆井技術(shù)和裝備處于相對(duì)較低水平，井控風(fēng)險(xiǎn)大，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致先漏后噴的井下復(fù)雜情況出現(xiàn)，且無法實(shí)施后續(xù)水平段鉆進(jìn)，增大了復(fù)雜鉆井時(shí)效。

2 預(yù)測(cè)三壓力剖面

當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力過低時(shí)，若井壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石本身的抗剪強(qiáng)度，則井壁會(huì)發(fā)生剪切破壞［4-5］。根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，巖石破壞時(shí)剪切面上的剪應(yīng)力τ必須克服剪切面上的摩擦阻力σntgφ和巖石的內(nèi)聚力C，即:

當(dāng)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為σ1和σ3時(shí)，剪應(yīng)力和切面法向正應(yīng)力為:

摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則可變形為:

式可以化為一個(gè)關(guān)于p的一元二次方程，解這個(gè)方程即可得到井壁坍塌時(shí)的壓力值。

從實(shí)際出發(fā)西南石油大學(xué)范翔宇教授給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

公式備注:C1=1表示非裂縫地層或孔隙地層，否則C1=0;C2=1表示壓力施工時(shí)計(jì)算的地層破裂壓力當(dāng)量密度，C2=0表示用于鉆井中為防止鉆井液密度過大壓漏地層而要忽略地層抗張強(qiáng)度時(shí)計(jì)算的地層自然破裂壓力當(dāng)量密度。式中:

σh，σH—最大、最小水平主地應(yīng)力，MPa;

pp—孔隙壓力當(dāng)量密度，MPa;

α—有效應(yīng)力系數(shù)，無因次;

k1—滲流效應(yīng)系數(shù)，無因次;

δ—參數(shù)，當(dāng)井壁為不可滲透時(shí)為0，當(dāng)井壁可滲透時(shí)為1;

φ—內(nèi)摩擦角，無因次;

μb—地層水平骨架應(yīng)力的非平衡因子，無因次;

ν—泊松比，無因次;

E—靜態(tài)彈性模量;

ε1，ε2——構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，無因次。

以塔中62井區(qū)62、621、624為例分析孔隙壓力、破裂壓力、坍塌壓力變化規(guī)律(見圖1和圖2)。

該井段裂縫發(fā)育，容易引發(fā)井漏和溢流事故，泥漿密度上限不宜按照破裂壓力當(dāng)量密度設(shè)計(jì)，建議泥漿密度上限為1.30 g/cm3。在下鉆過程中，嚴(yán)格控制下鉆速度，避免壓漏地層。

3 下鉆速度確定

由于井底為裸眼井段，下鉆過程中波動(dòng)壓力對(duì)井底壓力影響又是最大的，在該井段上尤其是裂縫性層最容易發(fā)生井漏、井塌事故。以TH62-X井為例，計(jì)算不同的最大下鉆速度產(chǎn)生的波動(dòng)壓力對(duì)井底壓力的具體貢獻(xiàn)。

1)基本參數(shù):井深5 900 m;套管下深5 460 mm;裸眼直徑215.90 mm;套管內(nèi)徑225.10 mm;套管外徑244.50 mm;

2)鉆具參數(shù):鉆桿長(zhǎng)度5 735 m;鉆鋌長(zhǎng)度165 m;鉆鋌外徑177.8 mm;鉆桿外徑127 mm;噴嘴直徑17.46 mm;

3)鉆進(jìn)參數(shù):泥漿密度1.26 g/cm3;泵壓17 Mpa;流量18 L/s。

應(yīng)用波動(dòng)壓力計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 波動(dòng)壓力對(duì)井底壓力的貢獻(xiàn)

一般來說，波動(dòng)壓力對(duì)井底壓力貢獻(xiàn)越大，則井漏事故發(fā)生的可能性越大。從表2中可以看出當(dāng)最大下鉆速度從0.3 m/s增加到3.0 m/s時(shí)，井底最大波動(dòng)壓力從1.131 MPa增加到10.250 MPa，其波動(dòng)壓力對(duì)井底壓力的貢獻(xiàn)值也從1.49%上升到12.08%，使得井底的最大當(dāng)量泥漿密度從1.28 g/cm3增加到1.437 g/cm3。這樣就造成了井壁上的動(dòng)壓力大大增加，井壁失穩(wěn)趨勢(shì)也明顯增大。看出最大下鉆速度對(duì)井底壓力的貢獻(xiàn)呈上升趨勢(shì)，其產(chǎn)生的當(dāng)量泥漿密度增值也從0.02 g/cm3增加到0.177 g/cm3，大大改變了井筒中的循環(huán)壓力，圖3顯示了不同的最大下鉆速度在井底壓力的貢獻(xiàn)值，圖4顯示了不同的最大下鉆速度在井底產(chǎn)生的波動(dòng)壓力的當(dāng)量泥漿密度值。

由于塔中Ⅰ氣田儲(chǔ)層壓力敏感特性，所以對(duì)下鉆速度比較敏感，過大的下鉆速度產(chǎn)生的井下波動(dòng)壓力再加上液柱壓力很有可能壓破地層，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況的發(fā)生?？紤]到該井的井底地層破裂壓力當(dāng)量密度為1.31 g/cm3，即井底地層破裂壓力77.29 MPa。由表2可以看出，下鉆最大速度在0.6～0.8 m/s之間，超過0.8 m/s地層可能被壓裂，鉆井液就可能發(fā)生漏失，一旦漏失，儲(chǔ)層空洞連通，大量的漏失會(huì)造成液柱有效壓力急劇下降，有可能發(fā)生溢流等井下復(fù)雜情況。

4 結(jié)論

1)分析儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)可知其裂縫發(fā)育，所以在下鉆中容易產(chǎn)生壓漏地層，產(chǎn)生井下復(fù)雜情況出現(xiàn)。2)利用巖石力學(xué)知識(shí)預(yù)測(cè)了井壁破裂壓力剖面，計(jì)算不同泥漿密度時(shí)的下鉆波動(dòng)壓力，求出不同井深最大的下鉆速度。3)對(duì)于塔中裂縫性儲(chǔ)層，在下鉆過程中一定要嚴(yán)格控制下鉆速度在0.8 m/s以下，防止壓漏地層。

［1］劉汝山，曾義金.鉆井井下復(fù)雜問題預(yù)防與處理［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2005.

［2］Fuenkajorn.Drilling-Induced Fractures in Borehole Walls［J］.SPE 21301，1992.

［3］高德利.復(fù)雜地質(zhì)條件下深井超深井鉆井技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［4］M.R.MeLeanand，M.A.Addis.Bore Stability Analysis:A Review of Current Methods of anlysis and Their Field APPlieation［J］.SPE 19941.1990.

［5］劉向君，羅平亞.巖石力學(xué)與石油工程［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2002.

Defining Maximum Down Drill Speed

CHEN Ying-chao1，ZHANG Hong-jing2，HAN Guang-ming3，SU Hua-wei1，CHU Hui-li1，WANG Jing1
(1.Department of Petroleum Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China;2.Department of Teaching Affairs，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China;3.Division of Technology Development and School-Enterprise Cooperation，Chengde Petroluem College，Chengde 067000，Hebei，China)

The sensitive pressure，porosity development，narrow safety density window(1.20 g/cm3～1.23 g/cm3)of tower I field carbonate reservoir cause the outflow of drilling fluid through voids and crack when the drilling column pressure overstep reservoir pressure is caused by the greater down drill speed.Under such circumstances，the loss of circulation return is usually caused by drilling fluid leakage.The establishment of the transient formation fracture pressure and pressure fluctuation model helps to calculate the down drill speed of different mud density.The paper takes well TH62-X as an example to predict the speed drill wells of different depths.

fractured reservoirs;pressure sensitive;burst pressure;down drill speed

TE249

A

1008-9446(2014)03-0004-05

2013-12-18

陳穎超(1986-)，男，山東菏澤人，承德石油高等?？茖W(xué)校石油工程系助教，碩士，主要從事巖石力學(xué)和鉆井工藝研究工作。