壓敏儲層深水平井井壁穩(wěn)定性研究＊

陳穎超，閆建釗，孫 冰，高書香，杜永琳

（承德石油高等專科學(xué)校，河北承德067000）

井壁穩(wěn)定是指石油鉆井形成的井眼在鉆井過程中保持規(guī)則的尺寸與形狀，深層鉆井過程中最大限度地維持井壁穩(wěn)定是國際石油工程界極富挑戰(zhàn)性的難題［1］．壓敏儲層深水平井鉆進(jìn)的主要難點就是井涌、井漏、井塌以及井涌井漏同層等窄密度窗口條件下井壁失穩(wěn)問題．鉆井過程中地層巖性的多變性、壓力系統(tǒng)的復(fù)雜性、地質(zhì)構(gòu)造不同所造成的井壁不穩(wěn)定性等造成井下復(fù)雜情況，使鉆井作業(yè)暫時中斷，不能順利進(jìn)行，增大復(fù)雜時效．因此，本文建立了地應(yīng)力模型、坍塌、破裂模型為出發(fā)點，預(yù)測深水平井井壁穩(wěn)定，指導(dǎo)壓敏儲層鉆井作業(yè)．

1 壓敏儲層地應(yīng)力分析

從力學(xué)角度來說，若井壁圍巖受力小于巖石力學(xué)強度，則井壁穩(wěn)定，否則將產(chǎn)生剪切或拉伸破壞，因此有必要深入細(xì)致描繪井壁圍巖受力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上建立坍塌和破裂模型，預(yù)測安全泥漿密度窗口，指導(dǎo)鉆井設(shè)計和施工，本文主要基于線—彈性理論［2］推導(dǎo)斜井井壁圍巖受力分布狀態(tài)，然后研究地應(yīng)力場與井下復(fù)雜的相關(guān)性．

表1 地應(yīng)力計算模型

通過表1中四種不同的地應(yīng)力計算模型對比．考慮到塔中I號氣田地質(zhì)構(gòu)造運動比較平緩，構(gòu)造運動在水平地應(yīng)力形成中不占主要作用，此時的應(yīng)力大小符合：σV＞σH＞σh．本文采用黃氏模型計算地應(yīng)力的大小，與其它幾種地應(yīng)力計算模型相比，該模型考慮了構(gòu)造應(yīng)力的影響．

圖1 地應(yīng)力和井壁圍巖受力關(guān)系示意圖

式中符號：R——井眼坐標(biāo)，m；r——極坐標(biāo)下地層中某點到井軸的距離，m；σr，σθ，σz，τrθ，τθz，τrz——柱坐標(biāo)中的應(yīng)力分量，MPa．

2 巖石強度破壞準(zhǔn)則

2．1 井壁坍塌模型優(yōu)選［4］

根據(jù)摩爾－庫倫準(zhǔn)則計算地層坍塌壓力，巖石破壞時剪切面上的剪應(yīng)力τ必須克服剪切面上的摩擦阻力σNt gφ和巖石的內(nèi)聚力τ0，即

考慮線性修正和地層孔隙壓力后的坍塌壓力模型為：由于這個預(yù)測模型沒有考慮泊松比和垂向壓力影響，可根據(jù)油田現(xiàn)場經(jīng)驗公式檢驗坍塌壓力：

2．2 井壁破裂模型優(yōu)選［5］

由于碳酸鹽儲層其獨特的孔隙空間結(jié)構(gòu)、底孔、非均質(zhì)性等因素給預(yù)測地層破裂壓力帶來了復(fù)雜性，預(yù)測其破裂壓力有一個經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

式中：C1＝1表示非裂縫地層或孔隙地層，否則C1＝0；C2＝1表示壓力施工時計算的地層破裂壓力，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度時計算的地層自然破裂壓力．

以給定的目標(biāo)層位研究對象，預(yù)測地層壓力和地層破裂壓力，如果大延伸水平井的環(huán)空壓秏當(dāng)量密度確定，則大延伸水平井套管的最大下入深度為：

3 實例分析

中古12－6 H井系塔中一口以良里塔格氣藏為目的層的最深水平井，完鉆井深達(dá)5 695 m．該井屬φ444．5 mm鉆頭開眼，以φ152．4 mm井眼尺寸完鉆的四開結(jié)構(gòu)井．井身結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表2和表3．

表2 中古12－6 H井身基本數(shù)據(jù)

根據(jù)前述建立的裸眼井壁坍塌和破裂模型，計算出破裂壓力和坍塌壓力隨井深的變化曲線（見圖2）．

圖2 中古12－6H井壁穩(wěn)定分析示意圖

表3 中古12－6 H測井?dāng)?shù)據(jù)

該井的5 345～5 350 m、5 385～5 387 m、5 397～5 400 m井段，坍塌壓力和地層壓力非常接近，極易漏失；若泥漿密度過大，很有可能造成嚴(yán)重井漏，由于是裂縫性儲層，孔隙連通，漏失后可能會產(chǎn)生井噴．針對這種情況，應(yīng)該采取控壓鉆井或者欠平衡鉆井方式．

4 結(jié)論

1）塔中I區(qū)塊儲層，壓力敏感，地層壓力和坍塌壓力非常接近，極易造成井下復(fù)雜事故；

2）對于碳酸巖鹽壓力敏感儲層，要從儲層巖石力學(xué)特性和地應(yīng)力分布，結(jié)合井眼軌跡參數(shù)，確定地層安全密度窗口，分析井壁穩(wěn)定性；

3）針對壓力敏感儲層井壁不穩(wěn)定特征，在鉆井方式上應(yīng)該選用控壓鉆井或欠平衡鉆井方式．

［1］雷正義．砂泥巖地層井壁力學(xué)穩(wěn)定性研究及軟件編制［D］．成都：西南石油大學(xué)，2004．

［2］蘇義腦，徐鳴雨．鉆井基礎(chǔ)理論研究與前沿技術(shù)開發(fā)新進(jìn)展［M］．石油工業(yè)出版社，2005．

［3］高德利，陳勉，談?wù)劧ㄏ蚓诜€(wěn)定問題［J］，石油鉆采工藝，1997，19（l）：1－4．

［4］Seott DTho mson LA．A Global Algorith m for Pore Pressure Prediction［J］．SPE 25674，1993．

［5］Johansick C A，F(xiàn)riesen D B，Dawson R．Torque and drag in directional wells－prediction and measurement［R］．SPE15463，1987．

［6］劉之的，夏宏泉，張元澤，等，碳酸鹽巖地層坍塌壓力測井預(yù)測研究［J］．天然氣工業(yè)，2004，（1）：57－59．