裂縫性儲層最大下鉆速度確定

陳穎超，張紅靜，韓光明，蘇花衛，褚會麗，王 晶

(1.承德石油高等專科學校石油工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學校教務處，河北 承德 067000;3.承德石油高等專科學校科技發展與校企合作處，河北 承德 067000)

裂縫性儲層最大下鉆速度確定

陳穎超1，張紅靜2，韓光明3，蘇花衛1，褚會麗1，王 晶1

(1.承德石油高等專科學校石油工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學校教務處，河北 承德 067000;3.承德石油高等專科學校科技發展與校企合作處，河北 承德 067000)

針對塔中Ⅰ號氣田碳酸鹽巖儲層壓力敏感、孔隙發育，安全密度窗口窄，一般為(1.20 g/cm3～1.23 g/cm3)。當下入鉆具過快使井內液柱壓力大于地層壓力時，鉆井液很容易透過裂縫、孔隙、裂縫—孔隙、溶洞發生漏失，這種情形下的漏失往往是有進無出，導致循環失返。通過建立地層破裂壓力和瞬態波動壓力模型，求出不同泥漿密度的下鉆速度。文章以TH62-X井為例預測了不同井深處下鉆速度。

裂縫性儲層;壓力敏感;破裂壓力;下鉆速度

1 儲層構造分析

奧陶系OI氣層組塔中82、83、62、26井區未充填裂縫較大，分別為64%，81%、35%、8%;半充填裂縫分別占28%、17%、44%、37%;全充填裂縫比較大，分別為8%、2%、21%、55%;裂縫多被方解石或泥質充填。

OI氣層組縫密度最大的是塔中62井區，為1.76條/m，塔中82、26井區分別為0.95條/m、0.73條/m;OIII氣層組塔中83井區較小為0.33條/m。

裂縫所占比例遠大于基質，裂縫既是儲層，又是滲流通道，故裂縫起主導作用，由于裂縫發育，所以在鉆進實踐中容易產生“噴漏同層”、“又噴又漏”、上噴下漏的井下復雜情況出現［1-3］。

若下鉆速度過快，因特殊儲層結構極易造成井漏。TZ62-X井在4 959.1-4 959.3 m和4 973.21-4 973.76 m井段分別放空0.2 m、0.55 m，發育大溶洞兩個，漏失泥漿799.2 m3，表1為奧陶系鉆、錄井異常統計表。

表1 塔中Ⅰ號氣田開發試驗區奧陶系鉆、錄井異常統計表

地層孔隙發育，無法精確預測儲層深度，所以一旦鉆遇大型縫洞，下鉆速度過快壓漏地層后關井壓力高(有時高達20～28 MPa)，控壓鉆井技術和裝備處于相對較低水平，井控風險大，嚴重會導致先漏后噴的井下復雜情況出現，且無法實施后續水平段鉆進，增大了復雜鉆井時效。

2 預測三壓力剖面

當井內鉆井液液柱壓力過低時，若井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的抗剪強度，則井壁會發生剪切破壞［4-5］。根據摩爾-庫倫準則，巖石破壞時剪切面上的剪應力τ必須克服剪切面上的摩擦阻力σntgφ和巖石的內聚力C，即:

當最大主應力和最小主應力分別為σ1和σ3時，剪應力和切面法向正應力為:

摩爾庫倫準則可變形為:

式可以化為一個關于p的一元二次方程，解這個方程即可得到井壁坍塌時的壓力值。

從實際出發西南石油大學范翔宇教授給出了一個經驗模型:

公式備注:C1=1表示非裂縫地層或孔隙地層，否則C1=0;C2=1表示壓力施工時計算的地層破裂壓力當量密度，C2=0表示用于鉆井中為防止鉆井液密度過大壓漏地層而要忽略地層抗張強度時計算的地層自然破裂壓力當量密度。式中:

σh，σH—最大、最小水平主地應力，MPa;

pp—孔隙壓力當量密度，MPa;

α—有效應力系數，無因次;

k1—滲流效應系數，無因次;

δ—參數，當井壁為不可滲透時為0，當井壁可滲透時為1;

φ—內摩擦角，無因次;

μb—地層水平骨架應力的非平衡因子，無因次;

ν—泊松比，無因次;

E—靜態彈性模量;

ε1，ε2——構造應力系數，無因次。

以塔中62井區62、621、624為例分析孔隙壓力、破裂壓力、坍塌壓力變化規律(見圖1和圖2)。

該井段裂縫發育，容易引發井漏和溢流事故，泥漿密度上限不宜按照破裂壓力當量密度設計，建議泥漿密度上限為1.30 g/cm3。在下鉆過程中，嚴格控制下鉆速度，避免壓漏地層。

3 下鉆速度確定

由于井底為裸眼井段，下鉆過程中波動壓力對井底壓力影響又是最大的，在該井段上尤其是裂縫性層最容易發生井漏、井塌事故。以TH62-X井為例，計算不同的最大下鉆速度產生的波動壓力對井底壓力的具體貢獻。

1)基本參數:井深5 900 m;套管下深5 460 mm;裸眼直徑215.90 mm;套管內徑225.10 mm;套管外徑244.50 mm;

2)鉆具參數:鉆桿長度5 735 m;鉆鋌長度165 m;鉆鋌外徑177.8 mm;鉆桿外徑127 mm;噴嘴直徑17.46 mm;

3)鉆進參數:泥漿密度1.26 g/cm3;泵壓17 Mpa;流量18 L/s。

應用波動壓力計算模型，計算結果如表2。

表2 波動壓力對井底壓力的貢獻

一般來說，波動壓力對井底壓力貢獻越大，則井漏事故發生的可能性越大。從表2中可以看出當最大下鉆速度從0.3 m/s增加到3.0 m/s時，井底最大波動壓力從1.131 MPa增加到10.250 MPa，其波動壓力對井底壓力的貢獻值也從1.49%上升到12.08%，使得井底的最大當量泥漿密度從1.28 g/cm3增加到1.437 g/cm3。這樣就造成了井壁上的動壓力大大增加，井壁失穩趨勢也明顯增大。看出最大下鉆速度對井底壓力的貢獻呈上升趨勢，其產生的當量泥漿密度增值也從0.02 g/cm3增加到0.177 g/cm3，大大改變了井筒中的循環壓力，圖3顯示了不同的最大下鉆速度在井底壓力的貢獻值，圖4顯示了不同的最大下鉆速度在井底產生的波動壓力的當量泥漿密度值。

由于塔中Ⅰ氣田儲層壓力敏感特性，所以對下鉆速度比較敏感，過大的下鉆速度產生的井下波動壓力再加上液柱壓力很有可能壓破地層，導致井下復雜情況的發生。考慮到該井的井底地層破裂壓力當量密度為1.31 g/cm3，即井底地層破裂壓力77.29 MPa。由表2可以看出，下鉆最大速度在0.6～0.8 m/s之間，超過0.8 m/s地層可能被壓裂，鉆井液就可能發生漏失，一旦漏失，儲層空洞連通，大量的漏失會造成液柱有效壓力急劇下降，有可能發生溢流等井下復雜情況。

4 結論

1)分析儲層結構可知其裂縫發育，所以在下鉆中容易產生壓漏地層，產生井下復雜情況出現。2)利用巖石力學知識預測了井壁破裂壓力剖面，計算不同泥漿密度時的下鉆波動壓力，求出不同井深最大的下鉆速度。3)對于塔中裂縫性儲層，在下鉆過程中一定要嚴格控制下鉆速度在0.8 m/s以下，防止壓漏地層。

［1］劉汝山，曾義金.鉆井井下復雜問題預防與處理［M］.北京:中國石化出版社，2005.

［2］Fuenkajorn.Drilling-Induced Fractures in Borehole Walls［J］.SPE 21301，1992.

［3］高德利.復雜地質條件下深井超深井鉆井技術［M］.北京:石油工業出版社，2005.

［4］M.R.MeLeanand，M.A.Addis.Bore Stability Analysis:A Review of Current Methods of anlysis and Their Field APPlieation［J］.SPE 19941.1990.

［5］劉向君，羅平亞.巖石力學與石油工程［M］.北京:石油工業出版社，2002.

Defining Maximum Down Drill Speed

CHEN Ying-chao1，ZHANG Hong-jing2，HAN Guang-ming3，SU Hua-wei1，CHU Hui-li1，WANG Jing1
(1.Department of Petroleum Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China;2.Department of Teaching Affairs，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China;3.Division of Technology Development and School-Enterprise Cooperation，Chengde Petroluem College，Chengde 067000，Hebei，China)

The sensitive pressure，porosity development，narrow safety density window(1.20 g/cm3～1.23 g/cm3)of tower I field carbonate reservoir cause the outflow of drilling fluid through voids and crack when the drilling column pressure overstep reservoir pressure is caused by the greater down drill speed.Under such circumstances，the loss of circulation return is usually caused by drilling fluid leakage.The establishment of the transient formation fracture pressure and pressure fluctuation model helps to calculate the down drill speed of different mud density.The paper takes well TH62-X as an example to predict the speed drill wells of different depths.

fractured reservoirs;pressure sensitive;burst pressure;down drill speed

TE249

A

1008-9446(2014)03-0004-05

2013-12-18

陳穎超(1986-)，男，山東菏澤人，承德石油高等專科學校石油工程系助教，碩士，主要從事巖石力學和鉆井工藝研究工作。