合理的井底壓差設計及應用效果分析

楊謀 孟英峰 李皋 李永杰 魏納 王廷民,2 閻凱

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學2.中國石油塔里木油田公司博士后流動站 3.中國石油塔里木油田公司

合理的井底壓差設計及應用效果分析

楊謀1孟英峰1李皋1李永杰1魏納1王廷民1,2閻凱3

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學2.中國石油塔里木油田公司博士后流動站 3.中國石油塔里木油田公司

鉆井施工中,合理的井底壓差可以達到提速增效和保護儲層的目的。為此,應用計算機仿真系統、巖石破碎學理論研究了不同壓差下井底應力場分布及巖石變形狀況。結果表明,與正壓差相比,在負壓差鉆井條件下更利于井底巖石破碎,提高機械鉆速。但井底壓差不能無限制地降低,需要結合具體井位的地質和工程特征,在保證不發生溢流和井壁垮塌的前提下,將井底壓差設計在一個合理的范圍值內:在滲透性地層鉆井時,靜液柱壓力小于地層孔隙壓力時,地層流體將流入井筒,這時設計的最低液柱壓力應略高于地層孔隙壓力(約0.02 MPa)。現場應用表明,井底壓差在合理的范圍內越小時,機械鉆速越高。

井底壓差 機械鉆速 井底應力 巖石力學 破巖效率 井壁穩定

鉆井施工中,合理的井底壓差可以達到提速增效和保護儲層的目的。這兩大優點中,“提速增效”主要體現在大段非儲層井段的應用、通過提高機械鉆速,延長鉆頭壽命,還通過克服井漏,減少壓差粘附卡鉆來達到提速、增效、降低成本的目的。“保護儲層”,在勘探鉆井中有利于發現油氣層,評價油氣層;在開發鉆井中有利于提高單井產量,提高最終采收率。

1 壓差對巖石及鉆井效率的影響

關于降低液柱壓力或減少過平衡壓差提速的機理,早在20世紀50年代開始從事室內實驗研究去揭示其內在規律,所有室內實驗得出的統一結論是:對所有巖石類型,減少過平衡壓差或者液柱壓力,都可以大幅度地提高鉆速。其原因歸結于兩方面:①增加井底壓差會使巖石的抗破碎強度和塑性增加,導致鉆頭的破碎效率下降;②壓差越大對井底巖屑產生壓持效應越顯著,清除巖屑效率越差,增加了鉆頭重復切削的機會,導致鉆速下降[1]。

1.1 井底巖石的破碎強度

巖石的破碎強度是隨圍壓的變化而改變的。巖石強度極限隨著圍壓的增大而增大,只是不同巖石種類有不同的增長速率。鉆井過程中,鉆井液密度越大,井底液柱壓力就越大,巖石的破碎強度就越大,地層就越難破碎;反之相反。因此,在鉆井中盡可能減少井底壓力有利于降低巖石強度、提高鉆速。而降低井底液柱壓力的極限狀態就是氣體鉆井。

1.2 巖石的塑脆性

在鉆井過程中鉆頭牙齒對巖石的沖壓作用,希望得到的是脆性破壞,不希望只是得到一個壓入的塑性坑,而沒有體積破壞。巖石塑脆性也不是固有不變的,是隨著圍壓的增大而增大[2](圖1)。這種增加不是隨圍壓的連續變化,而存在一個明顯的塑脆性轉化點:當圍壓低于此點,巖石成脆性;當圍壓高于此點,巖石呈塑性。鉆井時最好能將液柱壓力降低到塑脆性轉換點以下,使巖石呈脆性破碎,則可較大幅度提高鉆速。

1.3 井底巖石的應力狀態

巖層在原始埋藏狀態下,有原始地應力場。對構造平緩地帶,最大主應力σ1為上覆巖層的壓力,兩個水平主應力σ2、σ3常為最大主應力的30%至50%。當地層被揭開導致地應力分布發生變化,如果井筒內鉆井液密度較高,則二次應力場的最大主應力(σ1)仍是垂向。如果采用鉆井液密度較低,當液柱壓力低到一定程度時,σ1、σ2、σ3的方向就會發生變化:最大主應力(σ1)會成為水平方向,垂向液柱壓力或為σ2或為σ3,這種應力場是有利于井底表面破碎的。如果采用氣體鉆井,液柱壓力幾乎為零,垂向應力一定是σ3(而且幾乎為零),σ1、σ2為水平主應力,這種情況是有利于井底表面破碎的[1]。

圖1 巖石的脆—塑性變化圖

圖2 鉆井液鉆井的合應力圖

圖3 氣體鉆井的合應力圖

圖4 鉆井液鉆井的軸向應力圖

圖5 氣體鉆井的軸向應力圖

用ANSYS有限元軟件模擬了井深3 000 m鉆井液鉆井和氣體鉆井的地層地應力(規定拉應力為正,壓應力為負),從圖2、3可以看出,氣體鉆井時井底巖石應力值比鉆井液鉆井時井底巖石的應力值要小很多,比如圖3中氣體鉆井時井底巖石的應力最小值只有8.756 M Pa,而鉆井液鉆井時,井底巖石的應力最小值約22.94 M Pa。根據第四強度理論得到的氣體鉆井時井底巖石是處于低應力狀態,此條件下的巖石的強度和塑性均比較小,比較容易破壞。從圖4、5分析垂直于井底方向的應力,鉆井液鉆井時井底為壓應力,氣體鉆井時,井底巖石受到沿井眼軸向向上的拉應力,井底中心的拉應力大小為14.28 M Pa,逐漸向外圍擴大,井壁處的拉應力為0.647 M Pa。這拉應力有“拉斷巖石,使井底巖石跳離井底”的趨勢。

1.4 地層孔隙壓力對破巖效率的影響

無論是滲透性地層,還是非滲透性地層,負壓差有利孔隙壓力的釋放,都有利于破碎裂紋擴展和井底凈化[3]。

對滲透性地層,地層內飽和的流體可以流動(圖6)。負壓差條件下向外流動的流體將破碎巖屑浮起,推離井底,避免了重復破碎和產生更多的微粒。在正壓差條件下,正壓差下向地層內的滲流失水,首先將巖屑壓在井底,之后迅速形成淺層濾餅,不但將巖屑緊緊壓在井底,造成巖屑的二次破碎,而且造成液柱壓力與孔隙壓力之差值集中作用于井底薄層,形成該層的集中應力。

圖6 負壓差與正壓差條件下的井底凈化示意圖

飽和有束約流體的極低滲透巖石,如泥頁巖,表現為不滲透特性,但仍然有孔隙壓力,只是在較小的壓差作用下孔隙流體不可流動,呈束縛態。此時負壓差條件下的孔隙壓力相當于多孔介質巖石內部的內張力,這個內張力促使壓入齒周圍裂縫的產生和擴展,促使破碎的巖屑崩離井底。而在正壓差條件下,則正壓差作用在井底,使巖石骨架受壓縮,既不利于壓入齒周圍裂縫的產生和擴展,也不利于破碎的巖屑脫離井底。

1.5 消除了固相微粒對鉆速的影響

在正壓差情況下,由于巖屑重復破碎和礦物的水相分散,鉆井液中微米級固相微粒很多。這些高濃度的固相微粒是在瞬時失水推動下迅速造成井底表面堵塞、成餅的重要原因,轉變了地層的滲透性。負壓差下,消除了這些因素對微粒固相對機械鉆速的影響[4]。

1.6 沖擊破碎方式

負壓差下鉆頭對井底沖擊更頻繁,在沖擊載荷下,雖然巖石的破碎強度有所增加,使巖石不易破碎,但同時沖擊載荷使巖石的脆性大大增加,從而有利于破碎。將沖擊速度適當提高,巖石破碎強度增加不多,但其脆性大幅度增加,從而總體有利于提高破碎效率。

1.7 延長鉆頭壽命

Teale(1965)提出機械比能概念,Pessier和 Fear (1992)通過室內實驗論證了該理論的可行性,其定義為從井底地層上切除單位體積巖石所需做的功。

式中SE為比能,MJ/m3;N為轉速,r/min;ROP為鉆速m/h;WOB為鉆壓,kN;D為鉆頭直徑,mm;T為鉆頭扭矩,kN·m。

因此,井底壓差越小則巖石脆性越大、強度越低,在鉆頭前方形成了一個低應力區,有利巖石產生體積性剪切破壞,其機械比能低,對鉆頭的損耗要小;正壓差條件下,井底巖石塑性大、強度高,在牙齒前方產生擠壓性剪切破壞,巖石對牙齒的研磨性強所需的機械比能高對鉆頭的磨損要大。實踐證明與鉆井液鉆井相比,氣體鉆井條件下,牙輪鉆頭的壽命會增加3～4倍,單只鉆頭進尺會增加8～10倍,鉆同樣井段所用鉆頭數量會減少約70%。

2 合理井底壓差設計原則

確定保持井底合適的壓差。因此,在設計前需要考慮以下兩方面的因素[5]:①地層流體流入井筒的速度與井底壓差有關,負壓差過大,易造成井噴;②壓差過大,易造成井壁失穩,而產生大量塌塊,掩埋鉆具。

2.1 防止溢流的最小鉆井液密度

在滲透性地層鉆井時,如果靜液柱壓力小于地層孔隙壓力時,地層流體將流入井筒。這時設計的最低液柱壓力應略高于地層孔隙壓力(約0.02 M Pa)。因此,防止溢流的最小鉆井液密度為:

式中ρm為最小鉆井液密度,g/cm3;pp為地層壓力, M Pa;D為井深,m。

2.2 防止井壁坍塌最小液柱壓力

在鉆井過程中如果鉆井液的密度過低也會導致井壁崩落或者垮塌,密度過大會導致井底不能安全的鉆進。應用莫爾—庫侖準則分析直井和水平井為了維持井壁穩定所需的最小液柱壓力[6]。

2.2.1 直井井壁穩定性分析

當σθ>σz>σr時,這時所需要的最小液柱壓力為:

當σz>σθ>σr時,這時所需要的最小液柱壓力為:

2.2.2 水平井井壁穩定性分析

當σθ>σz>σr時,這時所需要的最小液柱壓力為:

當σz>σθ>σr時,這時所需要的最小液柱壓力為:

式(3)～(6)中σz、σθ、σr分別為上覆巖層應力、周向應力、徑向應力,M Pa;ph為鉆井液液柱壓力,M Pa;β為巖石破壞面與最大主應力之間的夾角,(°);σh為水平應力,M Pa;σv為垂直應力,M Pa;pp為地層壓力, M Pa;Co為巖石單軸抗壓強度,M Pa;ν為巖石泊松比; α為巖石有效應力系數。

結合以上分析,可形成如下決策圖(圖7)。

圖7 不同壓差對機械鉆速影響示意圖

鉆前通過對不同鉆井方式下的井壁穩定性分析,在保證井壁穩定和不發生井下復雜情況的前提下盡可能地降低鉆井液密度,使得巖石能在脆性狀態下破壞。

3 不同壓差下機械鉆速對比分析

窿9井在鉆井過程中遇到各種井下復雜事故,該口井采用了氣體、霧化、泡沫以及鉆井液鉆井方式[7]。現場實踐表明,井底壓差越小,則機械鉆速越大(圖8)。因此,鉆前需要認真研究該區塊的地質特征以及分析工程難點,評價該區塊的油、氣、水分布特點和井壁穩定性效果,然后結合具體的鉆井方式計算合理的井底壓差來達到提速增效的目標。

圖8 窿9井在不同壓差下平均機械鉆速對比分析圖

4 結論

1)地層的滲透性和孔隙壓力對巖石強度影響較大,當液柱壓力低于地層壓力時,井底巖石在負壓差下處于受拉狀態,其強度和可鉆性級值都較低,使得鉆頭破巖效率更高,井底清巖效果更好。

2)鉆前通過對不同鉆井方式下的井壁穩定性分析,在保證井壁穩定和不發生井下復雜情況的前提下盡可能地降低鉆井液密度,使得巖石能在脆性狀態下破壞。

3)現場實踐證明,井底壓差在合理的范圍內越小時,機械鉆速越高。

[1]趙業榮,孟英峰.氣體鉆井理論與實踐[M].北京:石油工業出版社,2007.

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[4]林鐵軍,練章華,孟英峰,等.空氣鉆井中動態破巖有限元仿真研究[J].巖石力學與工程學報,2008,23(增刊2): 3592-3597.

[5]劉厚彬,孟英峰,李皋,等.超深井井壁穩定性分析[J].天然氣工業,2008,28(4):67-69.

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Proper design of bottomhole differen tial pressure and itsapplication results analysis

Yang Mou1,M eng Yingfeng1,Li Gao1,Li Yongjie1,Wei Na1,Wang Tingmin1,2,Yan Kai3
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Geology and Exp loration,Southw est Petroleum University,Chengdu, Sichuan 610500,China;2.Postdoctoral W ork Station of Talim u Oilfield Com pany,PetroChina,Kuerle, Xinjiang 841000,China;3.Talim u Oilfield Com pany,PetroChina,Kuerle,X injiang 841000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.58-61,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Proper bottomhole differential p ressure(BHDP)during drilling can help imp rove the ROP and p rotect reservoirs.Hereby, this paper,based on the computer simulation system and rock crushing theories,studies the bottomhole stress field distribution and rock deformation mechanism under differential p ressures.This study show s that the ROP is imp roved much more easily by rock crushing under the negative bottomhole differential p ressure,in comparison w ith that under the positive one.However,there is a limit for the BHDP,so its value,in combination with the geological and engineering featuresof a well,should be designed w ithin a reasonable range under such condition that no overflow or well caving occurs.For drilling through permeable formations,the fo rmation fluid w ill flow into the wellbo re if the hydrostatic p ressure gets lower than the formation pore p ressure,so the designed minimum hydrostatic p ressure should be slightly higher than the fo rmation po re p ressure of about 0.02 M Pa.Field app lication show s the lower the BHDPwithin the p roper range,the higher the ROP.

bottomhole differential p ressure,rateof penetration(ROP),bottom stress,rock mechanics,rock-rushing efficiency,stable borehole.

楊謀等.合理的井底壓差設計及應用效果分析.天然氣工業,2010,30(7):58-61.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.016

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目“全過程欠平衡技術與裝備”(編號:2006AA 06A 104)及國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發項目”(編號:2008ZX05022-005-004HZ)的研究成果。

楊謀,1982年生,博士研究生;主要從事欠平衡鉆井、氣體鉆井提速機理及工藝方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區。電話:15902825271。E-mail:ym528919@126.com

2010-05-21 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.016

Yang Mou,born in 1982,is studying for a Ph.D degree at Southwest Petroleum University,focusing on research of UBD and gas drilling technology.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Tel:+86-28-8303 5450E-mail:ym528919@126.com