四川氣田GM區(qū)塊地層三壓力剖面建立及應(yīng)用*

蔣曉紅孫　亮陳劍川李　果

（1.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院　2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院　3.中國(guó)石化西南油氣分公司川西采氣廠）

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四川氣田GM區(qū)塊地層三壓力剖面建立及應(yīng)用*

蔣曉紅1孫亮2陳劍川3李果1

（1.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院3.中國(guó)石化西南油氣分公司川西采氣廠）

摘要地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力剖面是鉆井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全鉆井液密度窗口確定的基礎(chǔ)。利用測(cè)井方法計(jì)算三壓力剖面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三壓力數(shù)據(jù)，建立了GM區(qū)塊地層三壓力剖面；在充分認(rèn)識(shí)三壓力剖面特征基礎(chǔ)上，開(kāi)展了GM區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及安全鉆井液密度窗口制定。研究提出，該區(qū)針對(duì)須二目的層的鉆井具備三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化條件，同時(shí)指出前期鉆井以地層孔隙壓力為依據(jù)制定鉆井液密度存在不合理處，推薦J3p－T3x5段地層采用微超地層坍塌壓力設(shè)計(jì)鉆井液密度較為合理，T3x4段以深地層采用微超地層孔隙壓力設(shè)計(jì)鉆井液密度較為合理。研究結(jié)果為GM區(qū)塊鉆井工程設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工提供了科學(xué)依據(jù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提高了鉆井效率、降低了鉆井成本，取得良好經(jīng)濟(jì)效益。圖2表1參10

關(guān)鍵詞孔隙壓力坍塌壓力破裂壓力井身結(jié)構(gòu)安全鉆井液密度

四川氣田GM區(qū)塊陸相沉積巨厚砂泥巖互層，間夾一定礫巖層和煤系地層，鉆深達(dá)5000 m左右。該區(qū)J3p－T3x5段地層井壁穩(wěn)定性差，鉆井中掉塊、阻卡嚴(yán)重，影響鉆井進(jìn)程，導(dǎo)致鉆井效率低、鉆井周期長(zhǎng)。為提高該區(qū)鉆井效率，有必要開(kāi)展地層三壓力剖面特征研究，為鉆井工程設(shè)計(jì)及施工提供科學(xué)依據(jù)。

1　地層三壓力計(jì)算方法

（1）地層孔隙壓力計(jì)算方法

地層孔隙壓力計(jì)算方法有許多種。本文根據(jù)GM區(qū)塊地層沉積特征、巖性特征及礦場(chǎng)資料狀況，采用伊頓法計(jì)算地層孔隙壓力。主要利用聲波測(cè)井資料建立地層正常壓實(shí)趨勢(shì)線公式（1），再根據(jù)伊頓法通用公式(地層水靜液柱壓力當(dāng)量密度取為1.0 g/cm3），結(jié)合礦場(chǎng)實(shí)測(cè)地層孔隙壓力資料，反算GM地區(qū)伊頓常數(shù)值，由此建立GM區(qū)塊地層孔隙壓力計(jì)算模型（2）。

式中:

AC—聲波時(shí)差，μs/ft；

H—地層深度，m；

Pp—地層孔隙壓力當(dāng)量密度, g/cm3；

σv—上覆巖石壓力當(dāng)量密度(根據(jù)密度測(cè)井資料求?。? g/ cm3。

（2）地層坍塌壓力計(jì)算方法

地層坍塌壓力的計(jì)算主要是井壁巖石強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)分析及剪切破壞準(zhǔn)則的選取。巖石強(qiáng)度利用測(cè)井資料,結(jié)合巖心實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,建立力學(xué)參數(shù)模型而獲取相關(guān)參數(shù)。而剪切破壞準(zhǔn)則的選取目前有多種，其中Mohr-Coulomb破壞判斷準(zhǔn)則在解析計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)Mohr-Coulomb破壞判斷基本準(zhǔn)則（3）,在井壁穩(wěn)定力學(xué)分析中，Mohr-Coulomb破壞判別準(zhǔn)則表示為公式（4)或公式（5）：

式中:

σ—正應(yīng)力，MPa；

τ—剪應(yīng)力，MPa；

φ—巖石內(nèi)摩擦角，（°）；

C—巖石內(nèi)聚力，MPa。

式中：

σmax—井壁最大主應(yīng)力分量，MPa；

σmin—井壁最小主應(yīng)力分量，MPa；

PP—地層孔隙壓力，MPa；

α—孔彈性系數(shù)。

對(duì)于直井，井壁的三個(gè)主應(yīng)力一般表示為公式（6）：

式中:

σr—井壁徑向正應(yīng)力，MPa；

σθ—切向正應(yīng)力，MPa；

σz—垂向正應(yīng)力，MPa；

Pwf—保持井壁穩(wěn)定所需的鉆井液柱壓力下限(坍塌壓力)，MPa；

σH1—水平最大地應(yīng)力，MPa；

σH2—水平最小地應(yīng)力，MPa；

θ—研究點(diǎn)的失量與最大地應(yīng)力間夾角，（°）。

（3）地層破裂壓力計(jì)算方法

井壁破裂壓力求取采用最大拉應(yīng)力理論。根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，井壁巖石拉伸破壞時(shí)應(yīng)滿足以下不等式：

式中：

σmin—井壁最大拉應(yīng)力，MPa；

Pp—地層孔隙壓力，MPa；

σt—巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。

σmin-Pp=時(shí)，井壁巖石處于張性極限平衡態(tài)。求解該方程可以得到保證井壁不發(fā)生張性破裂的鉆井液柱壓力極限，稱為張性破裂壓力（Pf）。在直井狀態(tài)下，破裂發(fā)生在σθ最小處(即在θ＝0°和180°處），此時(shí)有：

地層破裂壓力為：

地層破裂的當(dāng)量泥漿密度為：

上述公式中力學(xué)參數(shù)的獲取可通過(guò)室內(nèi)巖石抗拉實(shí)驗(yàn)建立與測(cè)井參數(shù)間的相關(guān)模型，再利用礦場(chǎng)測(cè)井資料建立力學(xué)參數(shù)剖面；水平地應(yīng)力可利用組合彈簧模式，結(jié)合礦場(chǎng)資料計(jì)算出剖面。在此基礎(chǔ)上，利用上述計(jì)算方法，可確立地層三壓力剖面。

2　地層三壓力剖面建立

利用上述三壓力剖面計(jì)算方法，結(jié)合GM區(qū)塊力學(xué)參數(shù)剖面、地應(yīng)力剖面建立GM區(qū)塊三壓力剖面（圖1）。從圖1可見(jiàn)，縱向上，J3p－T3x5段地層坍塌壓力主體高于地層孔隙壓力、低于地層破裂壓力，常規(guī)鉆井安全鉆井液密度窗口下限受控于地層坍塌壓力，上限受控于破裂壓力；T3x4段以深地層坍塌壓力主體低于或近于地層孔隙壓力，地層孔隙壓力低于破裂壓力，安全鉆井液密度窗口下限受控于地層孔隙壓力，上限受控于破裂壓力。據(jù)此，J3p－T3x5段地層應(yīng)采用微超地層坍塌壓力設(shè)計(jì)鉆井液密度較為合理，T3x4段以深地層采用微超地層孔隙壓力設(shè)計(jì)鉆井液密度較為合理。而該區(qū)早期鉆井液密度設(shè)計(jì)均以地層孔隙壓力為依據(jù)，存在不合理處；致使J3p－T3x5段地層鉆井液密度設(shè)計(jì)偏低，易造成井壁失穩(wěn)；前期實(shí)鉆也證實(shí)了該區(qū)J3p－T3x5段地層掉塊、阻卡嚴(yán)重。因此，該區(qū)鉆井液密度設(shè)計(jì)有必要依據(jù)三壓力剖面特征進(jìn)行優(yōu)化。

此外，從三壓力剖面特征來(lái)看，破裂壓力遠(yuǎn)高于地層坍塌壓力和孔隙壓力，縱向安全鉆井液密度窗口較寬，目前以須二為目的層的四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)具備三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化條件。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鉆井液密度設(shè)計(jì)推薦見(jiàn)表1、圖2。

圖1　GM3地層三壓力剖面及四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)圖

圖2　XS1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

表1　井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鉆井液密度設(shè)計(jì)推薦表

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

根據(jù)GM區(qū)塊三壓力剖面特征推薦的三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)及鉆井液密度優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，在XS1井現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用。該井設(shè)計(jì)井深4975 m，設(shè)計(jì)目的層為T(mén)3X2段TX26砂層，三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；一開(kāi)下鉆深度加深502 m（鉆至J3p下部），鉆井液密度設(shè)計(jì)為1.10～1.70 g/cm3，實(shí)際使用鉆井液密度1.12～1.70 g/cm3；二開(kāi)鉆深設(shè)計(jì)至4502 m（鉆至T3X2段頂部），鉆井液密度設(shè)計(jì)為1.70～2.10 g/cm3，實(shí)際使用鉆井液密度1.69～2.31 g/cm3，實(shí)際鉆井液密度較設(shè)計(jì)上限偏高，主要是鉆遇良好氣顯示而提鉆井液密度所致；三開(kāi)直接鉆至目的層底部完鉆，鉆井液密度設(shè)計(jì)為1.69～ 1.75 g/cm3，實(shí)際使用鉆井液密度1.69～1.75 g/cm3。從實(shí)鉆情況來(lái)看，鉆井液密度設(shè)計(jì)較前期鉆井更為合理，鉆井中于J2s—J2x井段雖發(fā)生一定程度掉塊、阻卡現(xiàn)象，但相對(duì)前期鉆井掉塊阻卡事故明顯降低，有效保證了安全鉆井。此外，該井鉆井中發(fā)生了兩次井漏(一開(kāi)下套管固井井漏、二開(kāi)底部須二頂裂縫性漏失)；在此需要指出的是，目前有關(guān)破裂壓力計(jì)算方法針對(duì)完整性井壁預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高，但針對(duì)裂縫發(fā)育段的地層漏失壓力預(yù)測(cè)難度較大。因?yàn)椋芽p發(fā)育的非均質(zhì)性極強(qiáng)，區(qū)域上無(wú)法有效確定其分布規(guī)律，以常規(guī)測(cè)井資料無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別裂縫，以此預(yù)測(cè)的破裂壓力剖面也就無(wú)法真實(shí)反映裂縫狀態(tài)下的情況；故以破裂壓力剖面確定的鉆井液密度上限在裂縫發(fā)育段可能會(huì)偏高，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)資料掌握情況，酌情考慮周邊裂縫或斷層的影響，適當(dāng)調(diào)低鉆井液密度上限?？傮w而言，GM區(qū)塊利用三壓力剖面特征首次成功嘗試采用三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，制定合理鉆井液密度窗口，單井節(jié)約鉆井周期50 d，節(jié)省鉆井總費(fèi)用約610萬(wàn)元?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好，提高了鉆井效率、降低了鉆井成本，取得良好經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)論及建議

（1）三壓力剖面特征及實(shí)踐證實(shí)：GM區(qū)塊J3p－T3x5段地層應(yīng)采用微超地層坍塌壓力設(shè)計(jì)鉆井液密度、T3x4段以深地層采用微超地層孔隙壓力設(shè)計(jì)鉆井液密度更為合理。

（2）三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)在GM區(qū)塊是行之有效的，值得推廣應(yīng)用。

（3）破裂壓力計(jì)算方法針對(duì)完整性井壁預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高，但針對(duì)裂縫發(fā)育段的地層破裂壓力目前預(yù)測(cè)難度較大。有關(guān)類似裂縫性漏失壓力目前所用模型及測(cè)井資料尚不能有效預(yù)測(cè)，但應(yīng)用時(shí)可根據(jù)資料掌握情況，酌情考慮周邊裂縫或斷層的影響，適當(dāng)調(diào)低鉆井液密度上限或作鉆井特別提示。

參考文獻(xiàn)

1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，2004：67-73．

2胡湘炯，高德利著．石油與天然氣工程學(xué)-油氣井工程學(xué)[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2003：124-131．

3劉其明，黃建智，盧蜀秀，等．新場(chǎng)構(gòu)造三壓力剖面計(jì)算方法[J]．鉆采工藝，2011，34（5）：37-40．

4胡南，夏宏泉，付建紅，等．大港油田港中區(qū)塊地層三壓力剖面的建立及應(yīng)用[J]．鉆采工藝，2011，34（4）：105-108．

5申輝林，朱玉林.安棚油田地應(yīng)力及安全鉆井液密度范圍的測(cè)井確定[J].確定鉆井液與完井液，2008，25（1）：63-66.

6程遠(yuǎn)方，徐同臺(tái).安全泥漿密度窗口的確立及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，1999，27（3）：16-18.

7郭齊軍，瞿輝.測(cè)井聲波時(shí)差在地層壓力預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣,1997,11（1）：66-70.

8王敏生，李祖奎.測(cè)井聲波預(yù)測(cè)巖石力學(xué)特性的研究與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24（1）：74-78.

9樊洪海.測(cè)井資料檢測(cè)地層孔隙壓力傳統(tǒng)方法討論[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2003，30（4）：72-74.

10樓一珊，黃立新，向東，著.地層坍塌壓力的計(jì)算及應(yīng)用研究[J].河南油田，1999，6（2）：25-28.

（修改回稿日期2015-03-23編輯文敏）

作者簡(jiǎn)介蔣曉紅，女，1970年出生，高級(jí)工程師（碩士）；從事油氣工程地質(zhì)。地址:（618000）四川德陽(yáng)龍泉山北路298號(hào)中石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院。電話:18583379663。E-mail: 843554749@qq.com

*科研項(xiàng)目：中國(guó)石化西南油氣分公司科技項(xiàng)目（編號(hào):GJ-238-1234）“高廟子-中江構(gòu)造工程地質(zhì)特征及鉆完井對(duì)策研究”的部分研究成果。