南堡3 號構造水平井安全密度窗口敏感性研究

陳穎超

(河北石油職業技術大學 石油工程系,河北 承德 67000)

南堡3 號人工島儲層工程地質條件復雜,在鉆井作業中易出現鉆井液漏失等井下復雜情況,井壁坍塌壓力和破裂壓力差值較小形成窄安全密度窗口,井控風險較大極易形成噴漏同層,儲層保護難度大且效果很難評價,通過計算揭示安全密度窗口變化規律,實施有效的鉆井技術,解決漏噴同存問題,是該區塊高效勘探開發的關鍵點。針對南堡3 號儲層的工程地質特征,從發現和保護裂縫儲層的角度出發,以降低鉆井過程中井控風險和減少鉆井非生產時間為目標點,有效解決該區塊窄密度窗口地層鉆井中出現的涌、漏、塌、卡等復雜事故,加快鉆井速度,縮短鉆井周期,同時形成適合南堡3 號構造的微流量鉆井技術。

1 模型建立

1.1 坍塌壓力

井眼軌跡參數影響井壁圍巖受力,因此對斜井而言,坍塌壓力也受井眼軌跡的影響,下面就先利用剪切破壞準則推導出公式,再計算井眼軌跡對其的影響。

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,對于脆性地層會產生坍塌掉塊,導致井徑擴大;而對于塑性地層則會在井眼內產生塑性變形,造成縮徑。根據Mohr-Coulomb 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:

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

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:

式中,σ1、σ3為柱坐標中的應力分量,MPa。

將(2)帶入式(1),Mohr-Coulomb 準則可變形為:

式中,τ0為巖石固有剪切強度,MPa;σn為剪切面法向正應力,MPa;η為應力非線性修正系數;ν為泊松比;kb為區域構造應力系數;α為有效應力系數。

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

1.2 破裂壓力

按照最大拉應力理論,當巖石內任意點的最小主應力超過巖石的抗拉強度時,巖石便發生破壞:

式中,σθ為 井壁主應力,MPa;St為抗拉強度,MPa。

由井壁主應力轉換公式可知:當井筒內鉆井液液柱壓力P增大時,σθ減小,當P增大到某一臨界值Pf時,σθ變為負值,若超過巖石的抗拉強度,在井壁上將產生微裂縫,并在液柱壓力下迅速向地層擴展,井眼發生漏失。這個引起井壁巖石開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),即可轉化成關于鉆井液液柱壓力P的函數,進行求解,即可確定地層破裂壓力。由于主應力σθ是井斜角、方位角、井周角的函數,所以井眼破裂壓力隨井眼軌跡變化呈現一定的規律性。

2 案例分析

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

2.1 巖石內聚強度對安全密度窗口的影響

1)主應力關系:在σV>σH>σh的情況下;

2)基本參數:巖石抗張強度、水平井應力、內摩擦角、畢奧特系數、泊松比不變,分別取C為17.5、19.5、21.5 MPa。

①沿最大水平主應力鉆進

沿最大水平主應力鉆進時密度窗口隨井斜角增大變化規律如圖1 所示。

從圖1 可以看出,當內聚強度增大時,坍塌壓力對應的泥漿密度減小,井壁更趨于穩定,不易坍塌失穩,地層破裂壓力不受巖石內聚強度的影響,這與前面分析的巖石張性破壞理論是吻合的。可見隨著井斜角增大,泥漿密度窗口總體變小,這在鉆進實踐中應該注意,以防井下復雜情況的出現,降低鉆井速度。

②沿最小水平主應力鉆進

沿最小水平主應力鉆進時密度窗口隨井斜角增大變化規律如圖2 所示。

從圖2 可以看出:當巖石內聚強度增大時,坍塌壓力對應的泥漿密度減小,井壁更趨于穩定,不易出現井下復雜情況,地層破裂壓力同樣不受巖石內聚強度影響。

2.2 巖石抗張強度對安全密度窗口的影響

1)主應力關系:在σV>σH>σh的情況下;

2)基本參數:巖石內聚強度、水平井應力、內摩擦角、畢奧特系數、泊松比不變,分別取St為7.6、8.6、9.6 MPa。

①沿最大水平主應力鉆進

沿最大水平主應力鉆進時密度窗口隨井斜角增大變化規律如圖3 所示。

從圖3 可以看出:當巖石抗張強度增大時,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,更不易發生井漏。這與前面分析的井壁巖石剪切破壞理論是吻合的。

②沿最小水平主應力鉆進

沿最小水平主應力鉆進時密度窗口隨井斜角增大變化規律如圖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,井壁不易發生失穩,可以看出隨巖石抗張強度增大,地層坍塌壓力也不變,地層破裂壓力整體變大,井壁不易發生拉伸破壞,研究地層特性對安全密度窗口的影響,為判斷井下復雜情況提供依據。

2.3 水平地應力對安全密度窗口的影響

1)主應力關系:在σV>σH>σh的情況下;

2)基本參數:巖石內聚強度、巖石抗拉強度、內摩擦角、畢奧特系數、泊松比不變,分別取σH=50、55、60 MPa。

①沿最大水平主應力鉆進

沿最大水平主應力鉆進時密度窗口隨井斜角增大變化規律如圖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,窗口變化的越明顯,這說明沿最大主應力鉆進時水平井井壁趨于不穩定。

②沿最小水平主應力鉆進

沿最小水平主應力鉆進時密度窗口隨井斜角增大變化規律如圖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,在井斜角增大時,最大主應力越大窗口也相應變寬,井壁穩定性增強。

在其他條件不變時,井斜角較小,水平井地應力增大對井壁穩定不利;當井斜角較大時,并沿最小水平地應力方向鉆進時,泥漿密度變寬,井壁可控性強。

南堡3 號儲層地層特點為孔隙/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定,但又容易壓裂衰竭地層,基于以上特點,選用精細控壓鉆井技術(MPD)進行井底恒壓壓力控制鉆進。

3 結論

1)隨著井斜角增大,泥漿密度窗口總體變小,這在鉆進實踐中應該注意,以防井下復雜情況的出現,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,窗口變化的越明顯,這說明沿最大主應力鉆進時水平井井壁趨于不穩定。

3)應完善南堡3 號復雜地層精細控壓鉆井技術體系,為裂縫性深層海相油藏安全高效開發油氣資源提供技術支撐和儲備。