儲層壓力衰竭對安全泥漿密度窗口的影響

劉 陽

(中海油天津分公司， 天津 300459)

在油氣開采過程中，烴類流體不斷從儲層中采出，油藏內(nèi)部的孔隙壓力會因此而降低，若外界沒有任何補給壓力，地層壓力發(fā)生衰竭就是必然的。油藏壓力衰竭會促使巖石顆粒承受的應力增加，從而導致儲層結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。這種儲層結(jié)構(gòu)的變形，微觀表現(xiàn)為孔隙度、滲透率、孔喉毛管壓力以及流體滲流特性的變化等；宏觀表現(xiàn)為壓實度的變化和出現(xiàn)地面沉降、套管變形以及地層滑移、裂縫閉合與再生等現(xiàn)象。因此，鉆遇壓力衰竭區(qū)域的地層，需要合理評估地層坍塌壓力、破裂壓力的變化情況，從而優(yōu)化鉆井的安全泥漿密度窗口，合理設計井眼軌跡，以預防發(fā)生井壁坍塌、漏失等復雜事故。

1 壓力衰竭對地應力的影響

對由于孔隙壓力變化而產(chǎn)生的應力變化，相關(guān)文獻介紹了多種計算方法。其中，常用的是彈性解析方程法[1-3]。這種方法將儲層看作均質(zhì)各向同性線彈性體，并假設地層壓力的變化只引起地層的垂向變形，地層主應力變化與地層壓力變化之間的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：Δσ—— 水平主應力變化量，MPa；

Δp—— 地層壓力變化量，MPa；

v—— 地層巖石泊松比；

α——有效應力系數(shù)。

對于構(gòu)造運動平緩區(qū)域，考慮地質(zhì)構(gòu)造作用，則地層水平主應力可用下列公式[4-6]計算。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：σv、σH、σh—— 壓力衰竭前的垂直、最大和最小水平主應力，MPa；

ω1、ω2—— 構(gòu)造應力系數(shù)。

假設：井深為2 500 m，σv=49.9 MPa，pp=25.2 MPa，ω1=0.48，ω2=0.27，v=0.25。改變α和Δp值，按上述方法，探索水平最大和最小地層應力的變化規(guī)律，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 最大水平地應力變化規(guī)律

圖2 最小水平地應力變化規(guī)律

由圖1和圖2可知，隨著地層壓力的衰竭，最大和最小水平地應力呈遞減趨勢，壓力衰竭程度越大，地應力降低值越大；有效應力系數(shù)越大，地應力下降速率越大。

2 壓力衰竭對井壁穩(wěn)定性的影響

假設巖石為線彈性、均質(zhì)、各向同性材料，不考慮滲流的影響。井周應力分布參見圖3[8]，(x′,y′,z′)為地應力的直角坐標系；(x,y,z)為井眼軸線坐標系；α、β、θ分別為井斜角、方位角、井周角。

井眼柱坐標系下井壁圍壓應力分布，可用下列公式[8-9]計算。

(6)

圖3 定向井應力轉(zhuǎn)化示意圖

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：σxx1、σyy1、σzz1、σxy、σzy、σyz、σxz—— 由井眼和作用在井眼壁上邊界條件所引起的應力分量；

σr—— 井眼柱坐標下的總正應力，MPa；

σθ、σz—— 井眼柱坐標下的剪應力，MPa；

R—— 井眼半徑，m。

鉆井液密度過低，液柱壓力不能有效支撐井壁而發(fā)生坍塌破壞。通常利用Mohr-Coulumb準則進行判斷，用式(12)[10]計算坍塌壓力。當鉆井液密度過高，井壁應力超過地層抗拉強度而發(fā)生破裂。采用單軸抗拉強度準則進行判斷，用式(13)計算破裂壓力。

(σ1-αpp)≥(σ3-αpp)·

(12)

(σ3-αpp)≤-St

(13)

式中：σ1、σ3—— 井壁最大和最小主應力，MPa；

σc—— 地層單軸抗壓強度，MPa；

φ—— 內(nèi)摩擦角；

St—— 地層單軸抗拉強度。

以某油田為例。σH=44.3 MPa，σh=38.1 MPa，α=0.8，φ=33.5°，σc=18.6 MPa，最大主應力方位N60°E，其他參數(shù)如前所述。考慮地層壓力衰竭，按上述方法計算，得沿鉆井方位N150°E的坍塌壓力、破裂壓力的變化情況及泥漿安全密度窗口允值(見圖4至圖6)。

圖4 沿N150°E方位壓力衰竭后的坍塌壓力變化

圖5 沿N150°E方位壓力衰竭后的破裂壓力變化

圖6 N150°E方位壓力衰竭后的安全密度窗口允值

由圖4至圖6可知：在水平最小地應力方位，隨著地層壓力衰竭，坍塌壓力降低，而破裂壓力在井斜角30°—45°范圍以外也降低，且降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大。當井斜角小于30°時，隨著地層壓力衰竭，安全泥漿密度窗口變寬，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而增大；當井斜角大于45°時，隨著地層壓力衰竭，安全泥漿密度窗口變窄，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而減小。隨著井斜角的增大，坍塌壓力逐漸升高，破裂壓力逐漸降低，安全鉆井液密度窗口逐漸收縮。

以同樣的方法，計算分析了地層壓力衰竭50%時可能發(fā)生的情況。當?shù)貙訅毫λソ?0%時，定向井井壁失穩(wěn)風險的分布，如圖7、圖9所示。將此時的坍塌壓力、破裂壓力與在原始地層壓力時的坍塌壓力、破裂壓力進行對比，其變化規(guī)律如圖8、圖10所示。

圖7 地層壓力衰竭50%后坍塌壓力風險分布

圖8 地層壓力衰竭前后的坍塌壓力變化百分比

由圖7至圖10可知：地層壓力衰竭50%以后，坍塌壓力、破裂壓力都會降低。地層壓力衰竭程度一定的情況下，井斜角小于30°時，沿任何方位鉆井，對應坍塌壓力的降低幅度大于20%，而破裂壓力降低幅度小于10%；當井斜角大于45°時，各方位對應的坍塌壓力降低幅度約12%，而水平最大主應力方位對應的破裂壓力降低幅度，大于水平最小主應力方位對應的破裂壓力降低幅度，超過16%。這說明，地層壓力衰竭后，水平最大主應力方位的安全泥漿密度窗口變窄程度，大于水平最小主應力方位的安全泥漿密度窗口。因此，大斜度井或水平井鉆進時，沿水平最小地應力方向的鉆井，是相對比較安全的。

圖9 地層壓力衰竭50%后破裂壓力風險分布

圖10 地層壓力衰竭前后的破裂壓力變化百分比

3 結(jié) 論

(1) 地層壓力衰竭將導致地層水平地應力降低，有效應力系數(shù)影響地應力降低幅度。當?shù)貙訅毫λソ叩揭欢ǔ潭?，有效應力系?shù)越大，地應力下降就越顯著。

(2) 隨著地層壓力衰竭，坍塌壓力會降低，其降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大；破裂壓力在某特定井斜角范圍外會遞減，其降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大。

(3) 隨著地層壓力衰竭，當井斜角小于某區(qū)間時，安全泥漿密度窗口變寬，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而增大；當井斜角大于該區(qū)間時，坍塌壓力逐漸升高，破裂壓力逐漸降低，安全泥漿密度窗口變窄，安全密度允值隨壓力衰減程度增大而減小。

(4) 在壓力衰竭地層鉆定向井時，井斜角應避開安全密度窗口較窄的范圍，以小井斜井為宜；大斜度或水平井鉆井，應朝最小水平主應力方位鉆進。