克深地區(qū)井壁穩(wěn)定性評價及鉆井工程應(yīng)用

王志民 譚麗娟 陳 勝 袁 芳 韓興杰 王益民

1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580；2.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

沉積地層中存在的弱結(jié)構(gòu)面會顯著影響巖石的強度,這種現(xiàn)象也稱為巖石強度各向異性[1-2]。在石油鉆井工程中,巖石結(jié)構(gòu)弱面一般指深部地層中與井眼相切割的各種節(jié)理面、裂縫面和斷層面等[3]。弱結(jié)構(gòu)面對巖石強度的影響程度取決于其與巖石本體的相對軟弱程度和結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀,其對鉆井井壁穩(wěn)定性的影響很大,甚至在一定情況下巖石裂縫弱面是井壁失穩(wěn)的主控因素[4-9]。近年,隨著非常規(guī)油氣資源及復(fù)雜油氣藏開發(fā)的不斷進行,針對地層弱面對井壁穩(wěn)定性的影響研究成為熱點和難點[10-12]?；诘貙尤趺娈a(chǎn)生的強度各向異性和水化作用,建立力學(xué)-化學(xué)耦合井壁穩(wěn)定性模型是目前主要的研究方向[13-15],研究成果在較淺層頁巖氣和常規(guī)油氣田開發(fā)中取得很好的應(yīng)用效果。

塔里木盆地克深地區(qū)由于中新生界構(gòu)造復(fù)雜、儲層埋藏深、地應(yīng)力強且分布復(fù)雜、地層孔隙異常高壓、斷層及天然裂縫發(fā)育[16]。這種強應(yīng)力背景下的裂縫弱面影響,使得本區(qū)鉆井過程中的井壁失穩(wěn)與地層漏失頻發(fā),導(dǎo)致鉆井周期長,事故頻發(fā),成本高,一定程度上制約了油氣勘探、開發(fā)的進程。針對頁巖氣和常規(guī)油氣藏的井壁穩(wěn)定性研究成果在該區(qū)的應(yīng)用效果不甚理想?；诳松顓^(qū)帶的復(fù)雜條件,從強地應(yīng)力背景下天然裂縫造成的強度弱面井壁穩(wěn)定力學(xué)模型出發(fā),分析天然裂縫對井壁垮塌和漏失的影響,對比基質(zhì)巖塊和巖石裂縫弱面的穩(wěn)定性特征,厘定了本區(qū)白堊系地層井壁失穩(wěn)的主控地質(zhì)因素,定量評價裂縫發(fā)育層段的鉆井坍塌壓力和漏失壓力,實現(xiàn)強應(yīng)力背景下裂縫性地層安全鉆井壓力窗口的更準確評價,并針對這種強各向異性地層可能存在的特殊鉆井壓力窗口,提出相應(yīng)的工程地質(zhì)建議,為該區(qū)鉆井工程的安全、高效實施提供理論參考依據(jù)。

1 裂縫性儲層井壁穩(wěn)定力學(xué)原理

假設(shè)地層中存在一組特定產(chǎn)狀裂縫切割井眼形成低強度弱面,而在其他方位上地層強度相同,則可利用Donath及Jaeger和Cook提出的軟弱面對強度的影響關(guān)系[4-5],判斷弱面先于巖石本體發(fā)生的破壞,其破壞準則的數(shù)學(xué)表達式為[17]：

(1)

式中：σ1、σ3為裂縫等弱結(jié)構(gòu)面所處空間位置上的最大、最小主應(yīng)力,Pa；Sw為弱面黏聚力,kPa；μw為弱面的內(nèi)摩擦系數(shù),λ為弱面法向與最大應(yīng)力方位之間的夾角,(°)。由于μw=tanφw(φw為弱面內(nèi)摩擦角,(°)),因此當λ=φw或λ=π/2時,弱面不會產(chǎn)生滑動破壞,而是基質(zhì)巖塊的破壞,這時基質(zhì)巖塊的破壞準則為[9]：

(2)

式中：σ1、σ3仍為所在位置上的最大、最小主應(yīng)力,Pa；S0為基質(zhì)巖塊黏聚力,kPa；μ0為基質(zhì)巖塊內(nèi)摩擦系數(shù)。這樣裂縫弱面產(chǎn)生滑動破壞的條件是

(3)

因此在相同的力學(xué)條件下裂縫面的產(chǎn)狀是其發(fā)生破壞的關(guān)鍵因素。

根據(jù)有效應(yīng)力定律,在大地坐標系下,任意空間位置處三個有效主應(yīng)力σ1、σ2、σ3(σ1>σ2>σ3)表達式[9]：

(4)

式中：σ1、σ2、σ3為所在位置上的最大、中間和最小主應(yīng)力,Pa；σz、σθ和σθz分別表示柱坐標系下的切向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力,Pa；δ為有效應(yīng)力系數(shù)；pp為孔隙壓力,Pa；pm為井內(nèi)鉆井液柱壓力,Pa。從對井周應(yīng)力的分析可知,井壁最大、最小主應(yīng)力σ1、σ3及夾角λ都是維持井壁穩(wěn)定的最小鉆井液柱壓力pm的函數(shù)[9]。所以在已知水平向最大、最小主應(yīng)力、垂向應(yīng)力及裂縫弱面產(chǎn)狀時,將(4)式中求得的井壁有效主應(yīng)力σ1、σ3和λ角等參數(shù)代入式(1)和式(2)中,便可判別井壁破壞是從基質(zhì)巖塊還是從裂縫弱面發(fā)生的,也即可以得到裂縫弱面存在時維持井壁穩(wěn)定所需的鉆井液密度安全下限值,并從天然裂縫錯動破壞和張開特性中判斷裂縫開啟漏壓力[18-20],從而確定安全鉆井液密度上限值。實現(xiàn)強應(yīng)力背景下各向異性地層安全鉆井壓力窗口的更準確評價。

2 克深裂縫性儲層井壁穩(wěn)定性評價

以克深2構(gòu)造為例闡述強應(yīng)力背景下天然裂縫切割井眼時,在某一特定方位產(chǎn)生強度弱面后對井壁穩(wěn)定性的影響情況。首先通過克深2白堊系地層基質(zhì)巖體坍塌壓力評價,發(fā)現(xiàn)該區(qū)巖石抗壓強度較高,基質(zhì)巖體的穩(wěn)定性較好。但是該區(qū)正鉆井井壁失穩(wěn)同時存在漏失與卡鉆現(xiàn)象。通過分析天然裂縫對巖石強度的影響,核定了本區(qū)井壁失穩(wěn)的主控地質(zhì)因素；其次定量評價了強應(yīng)力背景下裂縫弱面位置上的坍塌壓力和裂縫錯動開啟性的漏失壓力,并分析了其位置處不同方位不同井斜時的井壁穩(wěn)定情況,得到了直井眼情況下的更符合實際地層情況的安全鉆井壓力窗口。最后依據(jù)裂縫弱面影響下的井壁穩(wěn)定特征,提出了針對性的工程地質(zhì)建議。

圖1為克深2構(gòu)造一完鉆井白堊系地層基質(zhì)巖體穩(wěn)定性評價結(jié)果,圖中第一道曲線數(shù)據(jù)表征巖石抗壓強度,第二道表征基質(zhì)巖石鉆井壓力窗口,其下限為坍塌壓力,上限為破裂壓力,從圖1可知該地層巖石抗壓強度較高(80～130 MPa),其坍塌壓力梯度范圍1.8～1.86 MPa/100 m,說明對于基質(zhì)巖體來說其穩(wěn)定性較好,然而實際鉆進中井壁失穩(wěn)較嚴重,而且不同構(gòu)造位置上的鉆井穩(wěn)定性差異較大。

圖1 克深A(yù)井白堊系基質(zhì)巖石穩(wěn)定評價圖

圖2是本構(gòu)造上另一口井的井史圖形化示意,從圖2可知白堊系地層鉆進過程中劃眼、卡鉆等現(xiàn)象較多,而且卡鉆位置與漏失的位置時間幾乎是一一對應(yīng)的,說明井壁失穩(wěn)與天然裂縫有關(guān)聯(lián)性。

圖2 克深B井白堊系鉆井井史圖

圖3為克深A(yù)井白堊系地層天然裂縫基本特征示意,從圖3可知裂縫傾角分布于30°～90°之間,但裂縫傾角的統(tǒng)計峰值為60°～80°,即大部分屬于高傾角裂縫。

a) 克深A(yù)井井壁成像裂縫示意圖

b)克深A(yù)井裂縫傾角統(tǒng)計圖

圖4為不同裂縫產(chǎn)狀對巖石單軸抗壓強度的影響示意圖[4-5],從圖4可知當裂縫面角度接近0°或90°時,裂縫對與巖石強度幾乎沒有影響；但當裂縫面傾角在30°～90°之間,巖石強度明顯降低,裂縫傾角為60°時,巖石強度最低,裂縫對巖石強度的影響最大。

圖4 裂縫產(chǎn)狀對巖石強度影響示意圖

綜合圖1～4可知，克深2構(gòu)造白堊系地層裂縫的存在對巖石抗壓強度有較大的降低效應(yīng),且直接影響到鉆井井壁穩(wěn)定性。因此,厘定本區(qū)井壁失穩(wěn)的主要地質(zhì)因素是發(fā)育的天然裂縫在鉆井井眼上產(chǎn)生若干組與之相切割的低強度弱面,其在強應(yīng)力、高孔隙壓力的背景下將先于基質(zhì)巖體破壞,而且井壁不同程度的泥漿漏失降低了裂縫面周圍巖塊間的剪切強度,一定程度上加劇了井壁失穩(wěn)。

克深構(gòu)造白堊系地層現(xiàn)今應(yīng)力模式為潛在走滑型應(yīng)力場(σH>σV>σh),水平應(yīng)力強且分布復(fù)雜,在此背景下裂縫發(fā)育位置處的坍塌壓力和漏失壓力是本區(qū)井壁穩(wěn)定性研究中的關(guān)鍵。圖5為克深C井白堊系地層某一裂縫發(fā)育位置上井壁穩(wěn)定性評價結(jié)果,(圖5-a))為其不同產(chǎn)狀裂縫切割井眼的模型平面示意圖,(圖5-b))為相應(yīng)裂縫發(fā)育位置井壁穩(wěn)定性評價結(jié)果,其中圓餅圖表示這種應(yīng)力狀態(tài)和裂縫產(chǎn)狀情況下,不同方位不同井斜時的穩(wěn)定性,其中冷暖系反應(yīng)此種情況下維持井壁穩(wěn)定所需的泥漿密度,藍色表示較穩(wěn)定的位置,需要較小的泥漿密度平衡失穩(wěn),紅色表示穩(wěn)定性差的位置,需要更高的泥漿密度維持穩(wěn)定,圓餅圖中圓周表示不同的地理方位,圓心至圓外表示不同的井斜角度。從圖5中可知直井眼時(即圓心位置)維持井壁穩(wěn)定的泥漿密度略大于1.91 g/cm3,而其中包括直井所在的A區(qū)位置井壁穩(wěn)定性較差,坍塌壓力范圍1.87～1.92 g/cm3泥漿當量,而在B區(qū)和C區(qū)穩(wěn)定性較好,坍塌壓力小于 1.85 g/cm3泥漿當量,也即對于本區(qū)來說,井斜大于60°,方位在北東、北西、南南西、南南東上的井軌跡穩(wěn)定性更好。

圖6為克深C井鉆井裂縫開啟性漏失壓力評價結(jié)果,其中黑白點子位置表示天然裂縫產(chǎn)狀(傾向和傾角)信息,白色點子對應(yīng)左邊紅色點子表示開啟裂縫,黑色點子表示閉合裂縫。可知當泥漿密度大于1.95 g/cm3時部分天然裂縫開啟,發(fā)生漏失可能性大,而當泥漿密度小于1.9 g/cm3時部分天然裂縫均未開啟,說明在強應(yīng)力背景下的裂縫性地層,鉆井液液柱壓力大于孔隙壓力一定值時即有可能發(fā)生漏失,漏失壓力不再由破裂壓力和最小水平主應(yīng)力控制,而是取決于裂縫產(chǎn)狀和現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系,如果發(fā)生漏失,鉆井液進入這些弱強度結(jié)構(gòu)面,將降低巖塊間的摩擦力,增加井壁失穩(wěn)。

因此對于這種強應(yīng)力背景下的裂縫發(fā)育地層,井壁穩(wěn)定性研究的關(guān)鍵是從應(yīng)力與裂縫關(guān)系角度出發(fā),確定裂縫面上的垮塌壓力和漏失壓力。從圖5和圖6及上面描述中可知，本井目的層裂縫發(fā)育位置地層坍塌壓力泥漿當量為1.91 g/cm3,而地層漏失壓力泥漿當量為1.95 g/cm3,安全鉆井壓力窗口較窄。而對于另一構(gòu)造克深B井來說,其位置處于構(gòu)造較低部位,地層較陡、地層傾角較大,

a)天然裂縫切割井眼平面示意

b)考慮裂縫影響的鉆井穩(wěn)定性評價結(jié)果

a)克深C井泥漿密度大于1.95 g/cm3時裂縫特征

b)克深C井泥漿密度小于1.92 g/cm3時裂縫特征

且存在斷層使其天然裂縫更發(fā)育,地層破碎性更強,因此估算其井位處白堊系地層上部直井眼坍塌壓力大于1.93 g/cm3泥漿當量,而漏失壓力又小于1.93 g/cm3,對于直井眼,理論上的安全壓力窗口為零,因此鉆直井眼時困難極大。

針對裂縫性地層安全鉆井壓力窗口窄、井壁容易失穩(wěn)的問題,提出兩個工程地質(zhì)建議：一是改善鉆井液綜合性能,增加地層漏失壓力,防止或最大限度減少漏失,提高其對井壁穩(wěn)定的支持能力。二是在鉆井工藝可行的條件下考慮改變井眼軌跡,從高部位(地層傾角較小)向北東方向,鉆70°左右的大斜度井,這樣既能避開最不穩(wěn)定區(qū)域(圖5-b)),又能實現(xiàn)滲透性裂縫的最佳鉆遇(圖6),而且這種井軌跡也更利于鉆后儲層改造,可進一步提高單井產(chǎn)量。

3 結(jié)論

1)從天然裂縫切割鉆井井眼形成強度弱面角度出發(fā),建立適用于強各向異性復(fù)雜條件下的井壁穩(wěn)定性評價方法。

2)核定克深地區(qū)白堊系地層井壁失穩(wěn)的主控地質(zhì)因素是強應(yīng)力背景下的裂縫弱面錯動破壞,由于這種地質(zhì)因素的影響使得地層坍塌壓力較高而漏失壓力又較低,當?shù)貙觾A角較高、裂縫更發(fā)育時某些層段的安全鉆井壓力窗口極窄,甚至沒有理論安全窗口。

3)對于這種安全鉆井壓力窗口窄的裂縫性地層,不能單從泥漿密度的高低調(diào)整來維持井壁穩(wěn)定,而是要改善泥漿綜合性能來防止漏失,以提高其有效支撐井壁能力。在鉆井技術(shù)條件容許的情況下,改變井眼軌跡從構(gòu)造高部位鉆大斜度井是維持井壁穩(wěn)定的最佳方案,既能避開最不穩(wěn)定區(qū)域,又能實現(xiàn)滲透性裂縫的最佳鉆遇,提高單井產(chǎn)量。

4)本區(qū)應(yīng)力與裂縫特征雖然對鉆井井壁穩(wěn)定性影響較大,但其中若干裂縫面位置處于潛在力學(xué)活動狀態(tài),力學(xué)液導(dǎo)性能、開啟和錯動性均較好,有利于實施儲層改造工程和應(yīng)用新技術(shù),便于高效增產(chǎn)。

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