南堡3 號(hào)構(gòu)造水平井安全密度窗口敏感性研究

陳穎超

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 石油工程系,河北 承德 67000)

南堡3 號(hào)人工島儲(chǔ)層工程地質(zhì)條件復(fù)雜,在鉆井作業(yè)中易出現(xiàn)鉆井液漏失等井下復(fù)雜情況,井壁坍塌壓力和破裂壓力差值較小形成窄安全密度窗口,井控風(fēng)險(xiǎn)較大極易形成噴漏同層,儲(chǔ)層保護(hù)難度大且效果很難評(píng)價(jià),通過(guò)計(jì)算揭示安全密度窗口變化規(guī)律,實(shí)施有效的鉆井技術(shù),解決漏噴同存問(wèn)題,是該區(qū)塊高效勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)南堡3 號(hào)儲(chǔ)層的工程地質(zhì)特征,從發(fā)現(xiàn)和保護(hù)裂縫儲(chǔ)層的角度出發(fā),以降低鉆井過(guò)程中井控風(fēng)險(xiǎn)和減少鉆井非生產(chǎn)時(shí)間為目標(biāo)點(diǎn),有效解決該區(qū)塊窄密度窗口地層鉆井中出現(xiàn)的涌、漏、塌、卡等復(fù)雜事故,加快鉆井速度,縮短鉆井周期,同時(shí)形成適合南堡3 號(hào)構(gòu)造的微流量鉆井技術(shù)。

1 模型建立

1.1 坍塌壓力

井眼軌跡參數(shù)影響井壁圍巖受力,因此對(duì)斜井而言,坍塌壓力也受井眼軌跡的影響,下面就先利用剪切破壞準(zhǔn)則推導(dǎo)出公式,再計(jì)算井眼軌跡對(duì)其的影響。

當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力過(guò)低時(shí),若井壁周?chē)鷰r石所受應(yīng)力超過(guò)巖石本身的抗剪強(qiáng)度,則井壁會(huì)發(fā)生剪切破壞,對(duì)于脆性地層會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊,導(dǎo)致井徑擴(kuò)大;而對(duì)于塑性地層則會(huì)在井眼內(nèi)產(chǎn)生塑性變形,造成縮徑。根據(jù)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則,巖石破壞時(shí)剪切面上的剪應(yīng)力τ必須克服剪切面上的摩擦阻力σntgφ和巖石的內(nèi)聚力C,即:

式中,τ為剪應(yīng)力,MPa;σntgφ為摩擦阻力,MPa;C為巖石的內(nèi)聚力;σn為法向應(yīng)力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°)。

當(dāng)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為σ1和σ3時(shí),剪應(yīng)力和切面法向正應(yīng)力為:

式中,σ1、σ3為柱坐標(biāo)中的應(yīng)力分量,MPa。

將(2)帶入式(1),Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則可變形為:

式中,τ0為巖石固有剪切強(qiáng)度,MPa;σn為剪切面法向正應(yīng)力,MPa;η為應(yīng)力非線(xiàn)性修正系數(shù);ν為泊松比;kb為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);α為有效應(yīng)力系數(shù)。

通過(guò)式(3)可得到井壁坍塌時(shí)的壓力值。由于最大和最小主應(yīng)力都是井斜角、方位角的函數(shù),所以井眼軌跡的變化影響坍塌壓力的大小。

1.2 破裂壓力

按照最大拉應(yīng)力理論,當(dāng)巖石內(nèi)任意點(diǎn)的最小主應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí),巖石便發(fā)生破壞:

式中,σθ為 井壁主應(yīng)力,MPa;St為抗拉強(qiáng)度,MPa。

由井壁主應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式可知:當(dāng)井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力P增大時(shí),σθ減小,當(dāng)P增大到某一臨界值Pf時(shí),σθ變?yōu)樨?fù)值,若超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度,在井壁上將產(chǎn)生微裂縫,并在液柱壓力下迅速向地層擴(kuò)展,井眼發(fā)生漏失。這個(gè)引起井壁巖石開(kāi)裂的臨界鉆井液液柱壓力Pf即為該井壁處的破裂壓力,即:

式中,P為地層破裂壓力,MPa。

將公式(4)帶入式(5),即可轉(zhuǎn)化成關(guān)于鉆井液液柱壓力P的函數(shù),進(jìn)行求解,即可確定地層破裂壓力。由于主應(yīng)力σθ是井斜角、方位角、井周角的函數(shù),所以井眼破裂壓力隨井眼軌跡變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

2 案例分析

前面分析了在不同井斜和方位下保持井壁穩(wěn)定的地層坍塌壓力和破裂壓力的變化規(guī)律,安全鉆井液密度應(yīng)該處于同時(shí)能避免井壁坍塌和地層破裂的合理范圍之內(nèi)。由于地應(yīng)力關(guān)系為最大水平地應(yīng)力大于垂向地應(yīng)力,針對(duì)這種地應(yīng)力關(guān)系下分析安全密度窗口隨地層特性不同的變化規(guī)律。其中包括巖石內(nèi)聚強(qiáng)度C、和巖石抗張強(qiáng)度St、水平主應(yīng)力σH、σh等因素的影響,計(jì)算中井深3 500 m;上覆壓力62.5 MPa;最大水平應(yīng)力52.5 MPa;最小水平應(yīng)力50 MPa;巖石內(nèi)聚強(qiáng)度19.5 MPa;地層孔隙壓力42.6 MPa;畢奧特系數(shù)0.8;泊松比0.25;巖石抗張強(qiáng)度8.6 MPa;巖石內(nèi)摩擦角45°。每一種參數(shù)進(jìn)行變換時(shí),其他參數(shù)保持不變,采用mathcad 軟件進(jìn)行求解并繪圖。

2.1 巖石內(nèi)聚強(qiáng)度對(duì)安全密度窗口的影響

1)主應(yīng)力關(guān)系:在σV>σH>σh的情況下;

2)基本參數(shù):巖石抗張強(qiáng)度、水平井應(yīng)力、內(nèi)摩擦角、畢奧特系數(shù)、泊松比不變,分別取C為17.5、19.5、21.5 MPa。

①沿最大水平主應(yīng)力鉆進(jìn)

沿最大水平主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)密度窗口隨井斜角增大變化規(guī)律如圖1 所示。

從圖1 可以看出,當(dāng)內(nèi)聚強(qiáng)度增大時(shí),坍塌壓力對(duì)應(yīng)的泥漿密度減小,井壁更趨于穩(wěn)定,不易坍塌失穩(wěn),地層破裂壓力不受巖石內(nèi)聚強(qiáng)度的影響,這與前面分析的巖石張性破壞理論是吻合的。可見(jiàn)隨著井斜角增大,泥漿密度窗口總體變小,這在鉆進(jìn)實(shí)踐中應(yīng)該注意,以防井下復(fù)雜情況的出現(xiàn),降低鉆井速度。

②沿最小水平主應(yīng)力鉆進(jìn)

沿最小水平主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)密度窗口隨井斜角增大變化規(guī)律如圖2 所示。

從圖2 可以看出:當(dāng)巖石內(nèi)聚強(qiáng)度增大時(shí),坍塌壓力對(duì)應(yīng)的泥漿密度減小,井壁更趨于穩(wěn)定,不易出現(xiàn)井下復(fù)雜情況,地層破裂壓力同樣不受巖石內(nèi)聚強(qiáng)度影響。

2.2 巖石抗張強(qiáng)度對(duì)安全密度窗口的影響

1)主應(yīng)力關(guān)系:在σV>σH>σh的情況下;

2)基本參數(shù):巖石內(nèi)聚強(qiáng)度、水平井應(yīng)力、內(nèi)摩擦角、畢奧特系數(shù)、泊松比不變,分別取St為7.6、8.6、9.6 MPa。

①沿最大水平主應(yīng)力鉆進(jìn)

沿最大水平主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)密度窗口隨井斜角增大變化規(guī)律如圖3 所示。

從圖3 可以看出:當(dāng)巖石抗張強(qiáng)度增大時(shí),地層坍塌壓力不變,地層破裂壓力升高,井壁抗拉伸破壞能力增強(qiáng),更不易發(fā)生井漏。這與前面分析的井壁巖石剪切破壞理論是吻合的。

②沿最小水平主應(yīng)力鉆進(jìn)

沿最小水平主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)密度窗口隨井斜角增大變化規(guī)律如圖4 所示。

從圖4 可以看出:隨井斜角增大,安全密度窗口整體變寬,井壁不易發(fā)生失穩(wěn),可以看出隨巖石抗張強(qiáng)度增大,地層坍塌壓力也不變,地層破裂壓力整體變大,井壁不易發(fā)生拉伸破壞,研究地層特性對(duì)安全密度窗口的影響,為判斷井下復(fù)雜情況提供依據(jù)。

2.3 水平地應(yīng)力對(duì)安全密度窗口的影響

1)主應(yīng)力關(guān)系:在σV>σH>σh的情況下;

2)基本參數(shù):巖石內(nèi)聚強(qiáng)度、巖石抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、畢奧特系數(shù)、泊松比不變,分別取σH=50、55、60 MPa。

①沿最大水平主應(yīng)力鉆進(jìn)

沿最大水平主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)密度窗口隨井斜角增大變化規(guī)律如圖5 所示。

從圖5 可以看出:隨井斜角的增加,泥漿密度窗口變窄,并且在井斜角較小時(shí),窗口變化的越明顯,這說(shuō)明沿最大主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)水平井井壁趨于不穩(wěn)定。

②沿最小水平主應(yīng)力鉆進(jìn)

沿最小水平主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)密度窗口隨井斜角增大變化規(guī)律如圖6 所示。

從圖6 可以看出:隨井斜角增大,密度窗口有整體變寬的趨勢(shì),在井斜角增大時(shí),最大主應(yīng)力越大窗口也相應(yīng)變寬,井壁穩(wěn)定性增強(qiáng)。

在其他條件不變時(shí),井斜角較小,水平井地應(yīng)力增大對(duì)井壁穩(wěn)定不利;當(dāng)井斜角較大時(shí),并沿最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí),泥漿密度變寬,井壁可控性強(qiáng)。

南堡3 號(hào)儲(chǔ)層地層特點(diǎn)為孔隙/破裂壓力窗口窄,且安全窗口隨井眼軌跡變化,為了保證安全,需要高密度泥漿以保持井壁穩(wěn)定,但又容易壓裂衰竭地層,基于以上特點(diǎn),選用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)(MPD)進(jìn)行井底恒壓壓力控制鉆進(jìn)。

3 結(jié)論

1)隨著井斜角增大,泥漿密度窗口總體變小,這在鉆進(jìn)實(shí)踐中應(yīng)該注意,以防井下復(fù)雜情況的出現(xiàn),降低鉆井速度。

2)井斜角的增加,泥漿密度窗口變窄,并且在井斜角較小時(shí),窗口變化的越明顯,這說(shuō)明沿最大主應(yīng)力鉆進(jìn)時(shí)水平井井壁趨于不穩(wěn)定。

3)應(yīng)完善南堡3 號(hào)復(fù)雜地層精細(xì)控壓鉆井技術(shù)體系,為裂縫性深層海相油藏安全高效開(kāi)發(fā)油氣資源提供技術(shù)支撐和儲(chǔ)備。