壓敏儲層深水平井井壁穩定性研究＊

陳穎超，閆建釗，孫 冰，高書香，杜永琳

（承德石油高等專科學校，河北承德067000）

井壁穩定是指石油鉆井形成的井眼在鉆井過程中保持規則的尺寸與形狀，深層鉆井過程中最大限度地維持井壁穩定是國際石油工程界極富挑戰性的難題［1］．壓敏儲層深水平井鉆進的主要難點就是井涌、井漏、井塌以及井涌井漏同層等窄密度窗口條件下井壁失穩問題．鉆井過程中地層巖性的多變性、壓力系統的復雜性、地質構造不同所造成的井壁不穩定性等造成井下復雜情況，使鉆井作業暫時中斷，不能順利進行，增大復雜時效．因此，本文建立了地應力模型、坍塌、破裂模型為出發點，預測深水平井井壁穩定，指導壓敏儲層鉆井作業．

1 壓敏儲層地應力分析

從力學角度來說，若井壁圍巖受力小于巖石力學強度，則井壁穩定，否則將產生剪切或拉伸破壞，因此有必要深入細致描繪井壁圍巖受力狀態，在此基礎上建立坍塌和破裂模型，預測安全泥漿密度窗口，指導鉆井設計和施工，本文主要基于線—彈性理論［2］推導斜井井壁圍巖受力分布狀態，然后研究地應力場與井下復雜的相關性．

表1 地應力計算模型

通過表1中四種不同的地應力計算模型對比．考慮到塔中I號氣田地質構造運動比較平緩，構造運動在水平地應力形成中不占主要作用，此時的應力大小符合：σV＞σH＞σh．本文采用黃氏模型計算地應力的大小，與其它幾種地應力計算模型相比，該模型考慮了構造應力的影響．

圖1 地應力和井壁圍巖受力關系示意圖

式中符號：R——井眼坐標，m；r——極坐標下地層中某點到井軸的距離，m；σr，σθ，σz，τrθ，τθz，τrz——柱坐標中的應力分量，MPa．

2 巖石強度破壞準則

2．1 井壁坍塌模型優選［4］

根據摩爾－庫倫準則計算地層坍塌壓力，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σNt gφ和巖石的內聚力τ0，即

考慮線性修正和地層孔隙壓力后的坍塌壓力模型為：由于這個預測模型沒有考慮泊松比和垂向壓力影響，可根據油田現場經驗公式檢驗坍塌壓力：

2．2 井壁破裂模型優選［5］

由于碳酸鹽儲層其獨特的孔隙空間結構、底孔、非均質性等因素給預測地層破裂壓力帶來了復雜性，預測其破裂壓力有一個經驗模型：

式中：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，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．

以給定的目標層位研究對象，預測地層壓力和地層破裂壓力，如果大延伸水平井的環空壓秏當量密度確定，則大延伸水平井套管的最大下入深度為：

3 實例分析

中古12－6 H井系塔中一口以良里塔格氣藏為目的層的最深水平井，完鉆井深達5 695 m．該井屬φ444．5 mm鉆頭開眼，以φ152．4 mm井眼尺寸完鉆的四開結構井．井身結構基本參數見表2和表3．

表2 中古12－6 H井身基本數據

根據前述建立的裸眼井壁坍塌和破裂模型，計算出破裂壓力和坍塌壓力隨井深的變化曲線（見圖2）．

圖2 中古12－6H井壁穩定分析示意圖

表3 中古12－6 H測井數據

該井的5 345～5 350 m、5 385～5 387 m、5 397～5 400 m井段，坍塌壓力和地層壓力非常接近，極易漏失；若泥漿密度過大，很有可能造成嚴重井漏，由于是裂縫性儲層，孔隙連通，漏失后可能會產生井噴．針對這種情況，應該采取控壓鉆井或者欠平衡鉆井方式．

4 結論

1）塔中I區塊儲層，壓力敏感，地層壓力和坍塌壓力非常接近，極易造成井下復雜事故；

2）對于碳酸巖鹽壓力敏感儲層，要從儲層巖石力學特性和地應力分布，結合井眼軌跡參數，確定地層安全密度窗口，分析井壁穩定性；

3）針對壓力敏感儲層井壁不穩定特征，在鉆井方式上應該選用控壓鉆井或欠平衡鉆井方式．

［1］雷正義．砂泥巖地層井壁力學穩定性研究及軟件編制［D］．成都：西南石油大學，2004．

［2］蘇義腦，徐鳴雨．鉆井基礎理論研究與前沿技術開發新進展［M］．石油工業出版社，2005．

［3］高德利，陳勉，談談定向井井壁穩定問題［J］，石油鉆采工藝，1997，19（l）：1－4．

［4］Seott DTho mson LA．A Global Algorith m for Pore Pressure Prediction［J］．SPE 25674，1993．

［5］Johansick C A，Friesen D B，Dawson R．Torque and drag in directional wells－prediction and measurement［R］．SPE15463，1987．

［6］劉之的，夏宏泉，張元澤，等，碳酸鹽巖地層坍塌壓力測井預測研究［J］．天然氣工業，2004，（1）：57－59．