某海上油田砂巖地層井壁穩定研究及應用

張艷英 王天慧 高智梁 呂國勝 郝曉軍

中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業公司 天津 300459

某海上油田，屬于前古近系基巖基礎上發育起來的第三紀沉積盆地。在某層位的鉆探過程中發現大套油層。通過地質錄井和巖屑分析確定儲層主要巖性為砂巖。該區塊已鉆的X1井等5口探井表明，鉆井過程中在儲層段遇阻、卡鉆等井下復雜情況頻繁，嚴重影響了鉆井速度及儲層保護。對取自該油田的16塊巖樣進行的單軸抗壓強度試驗結果表明，巖石抗壓強度不高，范圍在7.26～19.45MPa之間，研究發現：該區塊砂巖儲層具有高孔隙度、高滲透率、弱膠結和低強度的特點，在地應力作用下容易發生大變形，是導致井壁失穩的主因[1]。本文從井壁穩定的力學機理出發，分析定向井井周應力分布規律，建立定向井井壁穩定力學模型，并結合地應力、孔隙壓力及室內試驗確定的巖石強度參數和彈性參數[2]，對坍塌壓力、破裂壓力隨井斜角、方位角的分布規律進行了計算分析。

1 井壁穩定力學模型的建立

1.1 力學模型的建立

廣義平面應變條件下的斜井井眼示意圖如圖1所示（井眼初始形狀為圓形），受三向地應力的作用，在井壁巖石為彈性狀態，且考慮地層滲透作用時，井壁某點處所受的三個主應力為：

圖1 斜井井眼應力分析坐標轉換示意圖

式中：

σh、σH、σV-分別為最小、最大水平主地應力及上覆地層壓力；

Pm－泥漿柱壓力；P0－地層孔隙壓力；

φ0－地層孔隙度；α1－有效應力系數；

v－泊松比。

依據Mohr-Coulomb剪切破環準則，可建立基于井壁圍巖有效應力場的巖石應力狀態與巖石強度間的關系模型如下：

式中σ1、σ2分別為最大、最小水平主地應力。

由拉伸斷裂機理可知，當巖石上一個有效主應力達到巖石的拉伸強度T時便發生地層破裂，按井壁滲透與否分如下兩種判別：

由（2）知σ1、σ2、σr之間存在3種可能的關系：

1.2 坍塌壓力的確定

給定一個初始pi值，算出θ角；計算出σ1、σ2和σr值；比較σ1、σ2和σr的大小，看其滿足式上式中哪一條，然后帶入相應的強度準則表達式看是否滿足，如果不滿足，則改變pi值重復上述計算，直至得到滿足為止，這個pi值即為地層坍塌壓力值。

1.3 破裂壓力的確定

給定一個初始pi值，算出θ角；計算出σ1、σ2和σr值；比較σ1、σ2和σr的大小，令其最小值等于σmin，并根據井壁是否滲透代入（3）中看是否滿足，如果不滿足，則改變pi值重復上述計算，直至得到滿足為止，這個pi值即為地層破裂壓力值。

當井內鉆井液液柱壓力過低時，井壁很可能發生坍塌破壞（地層坍塌壓力） ；當井內鉆井液液柱壓力過大時，井壁可能發生拉伸破壞（地層破裂壓力）[3]。因此，可以得出保持井壁穩定的鉆井液密度窗口范圍[4]，上限為破裂壓力，下限為坍塌壓力。

2 井壁穩定實例分析

根據前面建立的模型，應用Visual Basic 6.0語言編制了定向井井壁穩定分析軟件，選取該區塊X1井某儲層（1832m）為研究對象，對該油田定向井井壁穩定進行了分析，根據研究地層的巖性特點，考慮了滲透對地層漏失的影響[5]。

由前面的井壁坍塌壓力和地層破裂壓力的計算模型可知，地層巖石的力學參數（內聚力、內摩擦角、彈性模量、泊松比等）和地應力是計算井壁坍塌壓力和地層破裂壓力的基礎[6]。

根據巖心實驗建立力學參數模型，計算巖石力學特征參數：

（1）巖石的泊松比和彈性模型

根據彈力理論，利用縱橫波速度計算泊松比和彈性模量：

式中：E―彈性模量（Mpa）；μ―泊松比；ρ－地層密度；Vp－縱波速度；Vs－橫波速度；

巖石內聚力（C）的確定

根據Coats等人的研究結果推出了內聚力（C）的計算模型：

式中：k－調整粘聚力系數

巖石的單軸強度

（4）內摩擦角

由三軸抗壓強度實驗，可得到不同圍壓下試樣的破壞強度，用Mohr-Coulomb準則對實驗數據進行回歸，可得到試樣的內摩擦角和粘聚力。

式中:c—粘聚力；φ—內摩擦角；σ1—最大主應力；σ3—最小主應力。

（5）主地應力的確定

主地應力的大小是隨地層性質變化的，它主要來源于上覆巖層壓力和構造運動產生的構造力[7]，在對于不同井深及不同力學性質的地層，建立分層地應力計算模型:

式中：ω1，ω2——構造應力系數；

σH，σh，σv——水平最大、最小地應力和上覆壓力；

Pp——孔隙壓力；μ——地層泊松比；

α——有效應力系數。

根據上述力學參數和地應力計算模型，得到潿三段地層計算參數值為：上覆巖層壓力σv=49.14MPa，最大水平地應力σH=45.48MPa，最小水平地應力σ v=3 2.8 9 M P a，孔隙壓力Pp=32.89MPa。依據巖心實驗得到其它計算參數：泊松比μ=0.2909，粘聚力C=0.9576，內摩擦角Φ=36.07°，抗拉強度St=1.36MPa。

X1井位于凹陷斷裂帶中段，某油組頂面深度構造圖如圖2，依據該圖給出的斷層走向，水平最大地應力方位應在N125°～140°E之間。

圖2 某海上油田水平地應力方位示意圖

利用井壁崩落橢圓法對研究區塊地應力方位進行了分析，根據井壁崩落橢圓統計結果，確定水平最大地應力方位為：N135°E，如圖3所示。

圖3 某海上油田最大水平主地應力方位示意圖

計算得出的坍塌壓力破裂壓力隨井斜角方位角的變化關系圖如圖4所示。

圖4 地層定向井坍塌壓力（a）和破裂壓力（b）隨井斜方位角變化規律圖

由圖4計算結果可以看出某層段地層坍塌壓力隨方位角變化，在最大水平主地應力方向為1.26～1.32g/cm3，整體高于最小水平主地應力方向的1.16～1.26g/cm3。即最大水平主應力方位地層坍塌壓力較高，屬于高風險方位；在相同方位角下，隨井斜變化，坍塌壓力也不同。以最小水平主應力方位為例，在井斜角從0°～90°的變化過程中，坍塌壓力先降低后增加，變化范圍在1.16～1.26g/cm3之間。在約60°的時候坍塌壓力降低到最低點1.16g/cm3，此時井壁穩定性最好。

上述研究結果顯示研究區塊最小水平主應力方位安全鉆井密度窗口最大，為最佳鉆井方位。現場定向井鉆井施工表明：從井下復雜情況比例和事故率上看，沿最佳鉆井方位角鉆進的定向井井下坍塌和漏失等復雜情況和時效明顯降低，成功解決了定向井中砂巖儲層段井壁失穩問題。

X4h井為該油田繼X1等5口探井之后的水平開發井，以穩斜角87.62°鉆穿某層段儲層，根據前面的計算結果，推薦水平段泥漿密度為1.21～1.28g/cm3，實鉆顯示，未發生復雜情況。

3 結束語

通過泥漿產生的井筒壓力來維持砂巖地層水平段井眼的井壁穩定，是一個行之有效的方法。關鍵在于如何確定準確的安全鉆井泥漿密度窗口來保持井壁穩定。

定向井井壁穩定受地層巖石物性，地應力場分布，井眼軌跡井斜角、方位角等因素的影響。

當方位角一定時，隨著井斜角的增加，總體上坍塌壓力要升高，即水平井的坍塌壓力要比直井情況下高一些，因此鉆直井較斜井井壁穩定性強。總體上破裂壓力隨著井斜角的增加逐漸增大；沿著最大主應力方位，破裂壓力隨著井斜角的增加逐漸降低。

定向鉆井中存在最佳鉆入角，當沿最佳鉆入角鉆進時，安全鉆井泥漿密度窗口最大，井壁穩定性最好。在三個應力滿足上覆巖層的垂向應力最大時，最小水平主地應力的方位為最佳鉆入方位。