渤海油田過(guò)斷層井段井壁穩(wěn)定性分析

耿立軍，林 海，劉海龍，李 進(jìn)，唐啟勝

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

斷裂是油氣成藏最重要的因素之一[1-6]。渤海油田主要發(fā)育伸展斷裂和走滑斷裂，局部地區(qū)發(fā)育反轉(zhuǎn)斷裂[7-9]。國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者研究了地質(zhì)斷層構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響，并建立了相應(yīng)的計(jì)算模型[10-13]，也有一些學(xué)者進(jìn)行了斷層對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)影響的有限元研究，并從力學(xué)機(jī)理角度進(jìn)行了解釋[14-16]。首先，受斷裂影響，斷層附近與區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)差異較大，以區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析井壁穩(wěn)定必然帶來(lái)誤差。其次，傳統(tǒng)模型[17]認(rèn)為過(guò)斷層段漏失壓力等于最小水平主應(yīng)力，過(guò)斷層井段的坍塌壓力依然采取常規(guī)模型計(jì)算[18]。實(shí)際上，漏失壓力與斷層走向和傾角相關(guān)，不能以等于最小水平主應(yīng)力一概而論。而坍塌應(yīng)該以發(fā)生巖石基質(zhì)剪切破壞和斷層面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)為判別標(biāo)準(zhǔn)?；谝陨峡紤]，該文創(chuàng)新性建立了過(guò)斷層井段坍塌和漏失壓力計(jì)算新模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)渤海油田A井過(guò)斷層段井壁進(jìn)行穩(wěn)定分析。研究結(jié)果對(duì)渤海過(guò)斷層井段安全鉆井具有較好的指導(dǎo)意義，可為過(guò)斷層井眼軌跡設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 過(guò)斷層地應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)

現(xiàn)有的地應(yīng)力預(yù)測(cè)方法不一[19]，基本都是預(yù)測(cè)斷層形成之前的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)，大都未考慮斷層對(duì)局部地應(yīng)力場(chǎng)造成的影響。Anderson依據(jù)3個(gè)主地應(yīng)力的相對(duì)大小將地層分為正斷層、逆斷層和走滑斷層3類(lèi)[20]。該文以正斷層為例進(jìn)行分析，正斷層主應(yīng)力分布如圖1所示。正斷層形成之前垂向應(yīng)力即上覆巖層壓力，σ1=σv。最小水平主應(yīng)力垂直于斷層跡線，σ3=σh。最小水平主應(yīng)力由水平構(gòu)造應(yīng)力、垂向應(yīng)力的水平應(yīng)力分量和地層孔隙壓力產(chǎn)生的水平應(yīng)力3部分組成。根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，正斷層即將活動(dòng)時(shí)，有[13]:

圖1 正斷層主應(yīng)力分布Fig.1 Main stress distribution of normal fault

σ1=σ3tan2α+UCS+Pp(1-tan2α)

(1)

其中:α為斷裂面法向與最大主應(yīng)力的夾角，(°)；Pp為孔隙壓力，MPa；UCS為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

令Ka為最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力的比值，可表示為:

(2)

圖2 應(yīng)力分解圖Fig.2 Stress decomposition diagram

(3)

其中:f為地層沿?cái)鄬訑嗝婊瑒?dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，f=tanφ，φ為斷面摩擦角，(°)。

令Kb為水平應(yīng)力和垂向應(yīng)力的比值，根據(jù)式(3)有[13]:

(4)

(5)

為研究斷層活動(dòng)停止前后水平應(yīng)力的變化情況，以文獻(xiàn)[12]中正斷層具體參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算分析，孔隙壓力Pp為正常壓力，10 MPa，選取不同α和φ求取K的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 K與斷面摩擦角、傾角變化規(guī)律Fig.3 Change rule of K,friction angle and inclination angle of cross section

從計(jì)算結(jié)果可知，正斷層活動(dòng)后水平應(yīng)力增加，增加值與斷層傾角和斷面摩擦角有關(guān)。水平應(yīng)力隨斷層傾角增大、斷面摩擦角減小而增大。因此說(shuō)明斷層停止活動(dòng)后，原本垂直于斷面跡線的最小水平應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)原本平行于斷面跡線的最大水平應(yīng)力，成為中間主應(yīng)力或者最大主應(yīng)力，原來(lái)的中間主應(yīng)力則變?yōu)樾碌淖钚≈鲬?yīng)力。而這3個(gè)主應(yīng)力的相互變化也必然會(huì)導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性(坍塌和漏失壓力值)的變化，斷層對(duì)井眼井壁穩(wěn)定性的影響在后文進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 過(guò)斷層井段漏失和坍塌壓力新模型

當(dāng)鉆井過(guò)程實(shí)施后，鉆井液液柱壓力代替巖石對(duì)井壁的支撐作用，巖石坍塌破壞應(yīng)該分為巖石基質(zhì)剪切破壞和斷層面滑移錯(cuò)動(dòng)兩種。基質(zhì)剪切破壞可由摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則求取，以剪切破壞指數(shù)Kc表示，具體表達(dá)式如式(6)所示，其值大于1表示巖石本體發(fā)生坍塌。斷層發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的井壁垮塌，斷層錯(cuò)動(dòng)可由斷層面剪切滑移準(zhǔn)則來(lái)求取，引入斷層剪切指數(shù)Kd[21]，具體表達(dá)式如式(7)所示，其值大于1表示斷層面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)。

(6)

(7)

其中:C0為基體粘聚力，MPa；φ′為基質(zhì)內(nèi)摩擦角，(°)。σN為斷層法向應(yīng)力，MPa；τN為斷面切向應(yīng)力，MPa；Cw為斷層面粘聚力，MPa。

過(guò)斷層井段坍塌壓力應(yīng)該取基質(zhì)剪切破壞指數(shù)和斷層剪切指數(shù)的較大值，Pt=max{Kc，Kd}。

斷層面法向應(yīng)力σN和切向應(yīng)力τN可通過(guò)幾何方法來(lái)求解[22]，引入井眼坐標(biāo)系(xb，yb，zb)下全應(yīng)力P，在坐標(biāo)軸方向的向量分別用Px，Py，Pz表示，如圖4所示。任取一個(gè)斜面當(dāng)作斷層面，對(duì)斜面上一點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析，斷層面正應(yīng)力和切應(yīng)力可分別表示為式(8)和式(9):

圖4 井眼坐標(biāo)系下任意斜面上一點(diǎn)的應(yīng)力Fig.4 Stress at a point on any slope in BCS

σN=lPx+mPy+nPz

(8)

(9)

其中:l，m，n為斷層面外法線單位向量在井眼坐標(biāo)系下的方向余弦，可以通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法求取[23-24]。

筆者認(rèn)為，斷面正應(yīng)力是斷層封閉性的一個(gè)重要影響因素，當(dāng)流體壓力大于或等于斷面正應(yīng)力時(shí)，斷層開(kāi)啟成為流體漏失的通道，所以定義漏失壓力等于斷層封閉系數(shù)Ke。Ke為斷層面所受正應(yīng)力與流體壓力的比值[21]，當(dāng)Ke>1時(shí)，斷層呈封閉狀態(tài)，Ke越大，封閉程度越高；當(dāng)Ke≤1時(shí)，斷層開(kāi)啟。最小主應(yīng)力漏失模型只是該文漏失模型的特例，只有斷層面垂直于最小水平地應(yīng)力才相同。

(10)

式中:σN為斷層面法向應(yīng)力；Pw為井底流體壓力，MPa。

3 實(shí)例分析

BZ19-6氣田A井為渤海渤中區(qū)塊一口中深層探井，完鉆層位為太古界潛山，根據(jù)BZ19-6-A井地震資料分析，該井預(yù)測(cè)4 090～4 290 m處鉆遇高傾角斷層。該井在沙河街組鉆井期間，地層存在異常高壓，使用PEM鉆井液體系，現(xiàn)場(chǎng)返出少量硬脆泥頁(yè)巖坍塌掉塊。BZ19-6-A井基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 BZ19-6-A井基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Fundamental parameters of well BZ19-6-A

結(jié)合該井測(cè)井資料和鉆井資料，采用新模型對(duì)該井過(guò)斷層段漏失壓力和坍塌壓力進(jìn)行計(jì)算分析。

首先分別對(duì)該井?dāng)鄬赢a(chǎn)生前、產(chǎn)生時(shí)和穩(wěn)定后的地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，圖5a為計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，斷層產(chǎn)生前為原始區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)，斷層產(chǎn)生時(shí)假設(shè)垂直應(yīng)力不變，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)拉張作用，最小主應(yīng)力降低，直到引起斷層剪切縫，上下盤(pán)錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致正斷層的出現(xiàn)，最小主應(yīng)力垂直于斷層跡線，此時(shí)斷層尚未達(dá)到穩(wěn)定。斷層要重新達(dá)到穩(wěn)定，垂直于斷層跡線的水平應(yīng)力需不斷上升，直到它足以使上盤(pán)滑動(dòng)停止。從圖5a同時(shí)可以看出，斷層穩(wěn)定后，在個(gè)別井深條件下垂直于斷層跡線的水平應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)原始的水平最大地應(yīng)力而變?yōu)橹虚g主應(yīng)力。因此，原始的水平最大地應(yīng)力、原始的上覆巖層壓力、垂直于斷層跡線的水平應(yīng)力重新構(gòu)成了3個(gè)主應(yīng)力，形成斷層局部地應(yīng)力場(chǎng)。這種地應(yīng)力場(chǎng)的變化過(guò)程必然會(huì)導(dǎo)致鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定性的差異。

圖5 BZ19-6氣田A井井壁穩(wěn)定分析Fig.5 Borehole stability analysis of well A in BZ19-6 gas field

其次，利用該文新模型對(duì)井眼漏失壓力和坍塌壓力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5b所示。該文模型與常規(guī)模型對(duì)比情況見(jiàn)表2所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出:相比于常規(guī)計(jì)算模型，同時(shí)考慮巖石本體基質(zhì)坍塌和斷層滑移錯(cuò)動(dòng)時(shí)，坍塌壓力增大，坍塌風(fēng)險(xiǎn)增高，坍塌壓力分別為1.18 g/cm3和1.53 g/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)使用鉆井液密度高于常規(guī)模型計(jì)算的坍塌壓力值，卻低于該文模型得到的坍塌壓力值，但現(xiàn)場(chǎng)依然發(fā)現(xiàn)輕微的掉塊，更好地驗(yàn)證了新模型在計(jì)算過(guò)斷層井段坍塌壓力的可靠性。采用該文計(jì)算模型計(jì)算的漏失壓力也比常規(guī)模型更大，漏失壓力分別為1.85 g/cm3和2.02 g/cm3，計(jì)算結(jié)果與斷層面產(chǎn)狀有直接關(guān)系，該井是由于斷層面法向應(yīng)力比最小水平地應(yīng)力更大導(dǎo)致的。該井在過(guò)斷層現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)中未發(fā)生漏失現(xiàn)象。

表2 坍塌與漏失壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of calculation results of collapse and leakage pressure

4 結(jié)論

1)受斷裂影響，斷層附近與區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)差異較大，以區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析井壁穩(wěn)定必然帶來(lái)誤差。正斷層活動(dòng)后水平應(yīng)力增加，增加值與斷層傾角和斷面摩擦角有關(guān)。水平應(yīng)力隨斷層傾角增大、斷面摩擦角減小而增大。

2)新模型漏失壓力等于斷層面所受正應(yīng)力，坍塌壓力等于井壁基質(zhì)坍塌和斷層發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)井底壓力的較大值。

3)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一口實(shí)例井進(jìn)行計(jì)算，分析斷裂對(duì)局部應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律和對(duì)過(guò)斷層井段漏失壓力和坍塌壓力的影響規(guī)律。相比于常規(guī)計(jì)算模型，同時(shí)考慮巖石本體基質(zhì)坍塌和斷層滑移錯(cuò)動(dòng)時(shí)，坍塌風(fēng)險(xiǎn)增高，坍塌壓力分別為1.18 g/cm3和1.53 g/cm3。漏失壓力分別為1.85 g/cm3和2.02 g/cm3，計(jì)算結(jié)果與斷層面產(chǎn)狀有直接關(guān)系。以現(xiàn)場(chǎng)鉆井工程現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證，新模型具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性，對(duì)過(guò)斷層井段安全鉆井具有較好的理論指導(dǎo)意義。