南堡3,号构造水平井安全密度窗口敏感性研究

陈颖超

(河北石油职业技术大学 石油工程系,河北 承德 67000)

南堡3 号人工岛储层工程地质条件复杂,在钻井作业中易出现钻井液漏失等井下复杂情况,井壁坍塌压力和破裂压力差值较小形成窄安全密度窗口,井控风险较大极易形成喷漏同层,储层保护难度大且效果很难评价,通过计算揭示安全密度窗口变化规律,实施有效的钻井技术,解决漏喷同存问题,是该区块高效勘探开发的关键点。针对南堡3 号储层的工程地质特征,从发现和保护裂缝储层的角度出发,以降低钻井过程中井控风险和减少钻井非生产时间为目标点,有效解决该区块窄密度窗口地层钻井中出现的涌、漏、塌、卡等复杂事故,加快钻井速度,缩短钻井周期,同时形成适合南堡3 号构造的微流量钻井技术。

1.1 坍塌压力

井眼轨迹参数影响井壁围岩受力,因此对斜井而言,坍塌压力也受井眼轨迹的影响,下面就先利用剪切破坏准则推导出公式,再计算井眼轨迹对其的影响。

当井内钻井液液柱压力过低时,若井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的抗剪强度,则井壁会发生剪切破坏,对于脆性地层会产生坍塌掉块,导致井径扩大;而对于塑性地层则会在井眼内产生塑性变形,造成缩径。根据Mohr-Coulomb 准则,岩石破坏时剪切面上的剪应力τ必须克服剪切面上的摩擦阻力σntgφ和岩石的内聚力C,即:

式中,τ为剪应力,MPa;σntgφ为摩擦阻力,MPa;C为岩石的内聚力;σn为法向应力,MPa;φ为内摩擦角,(°)。

当最大主应力和最小主应力分别为σ1和σ3时,剪应力和切面法向正应力为:

式中,σ1、σ3为柱坐标中的应力分量,MPa。

将(2)带入式(1),Mohr-Coulomb 准则可变形为:

式中,τ0为岩石固有剪切强度,MPa;σn为剪切面法向正应力,MPa;η为应力非线性修正系数;ν为泊松比;kb为区域构造应力系数;α为有效应力系数。

通过式(3)可得到井壁坍塌时的压力值。由于最大和最小主应力都是井斜角、方位角的函数,所以井眼轨迹的变化影响坍塌压力的大小。

1.2 破裂压力

按照最大拉应力理论,当岩石内任意点的最小主应力超过岩石的抗拉强度时,岩石便发生破坏:

式中,σθ为 井壁主应力,MPa;St为抗拉强度,MPa。

由井壁主应力转换公式可知:当井筒内钻井液液柱压力P增大时,σθ减小,当P增大到某一临界值Pf时,σθ变为负值,若超过岩石的抗拉强度,在井壁上将产生微裂缝,并在液柱压力下迅速向地层扩展,井眼发生漏失。这个引起井壁岩石开裂的临界钻井液液柱压力Pf即为该井壁处的破裂压力,即:

式中,P为地层破裂压力,MPa。

将公式(4)带入式(5),即可转化成关于钻井液液柱压力P的函数,进行求解,即可确定地层破裂压力。由于主应力σθ是井斜角、方位角、井周角的函数,所以井眼破裂压力随井眼轨迹变化呈现一定的规律性。

前面分析了在不同井斜和方位下保持井壁稳定的地层坍塌压力和破裂压力的变化规律,安全钻井液密度应该处于同时能避免井壁坍塌和地层破裂的合理范围之内。由于地应力关系为最大水平地应力大于垂向地应力,针对这种地应力关系下分析安全密度窗口随地层特性不同的变化规律。其中包括岩石内聚强度C、和岩石抗张强度St、水平主应力σH、σh等因素的影响,计算中井深3 500 m;上覆压力62.5 MPa;最大水平应力52.5 MPa;最小水平应力50 MPa;岩石内聚强度19.5 MPa;地层孔隙压力42.6 MPa;毕奥特系数0.8;泊松比0.25;岩石抗张强度8.6 MPa;岩石内摩擦角45°。每一种参数进行变换时,其他参数保持不变,采用mathcad 软件进行求解并绘图。

2.1 岩石内聚强度对安全密度窗口的影响

1)主应力关系:在σV>σH>σh的情况下;

2)基本参数:岩石抗张强度、水平井应力、内摩擦角、毕奥特系数、泊松比不变,分别取C为17.5、19.5、21.5 MPa。

①沿最大水平主应力钻进

沿最大水平主应力钻进时密度窗口随井斜角增大变化规律如图1 所示。

从图1 可以看出,当内聚强度增大时,坍塌压力对应的泥浆密度减小,井壁更趋于稳定,不易坍塌失稳,地层破裂压力不受岩石内聚强度的影响,这与前面分析的岩石张性破坏理论是吻合的。可见随着井斜角增大,泥浆密度窗口总体变小,这在钻进实践中应该注意,以防井下复杂情况的出现,降低钻井速度。

②沿最小水平主应力钻进

沿最小水平主应力钻进时密度窗口随井斜角增大变化规律如图2 所示。

从图2 可以看出:当岩石内聚强度增大时,坍塌压力对应的泥浆密度减小,井壁更趋于稳定,不易出现井下复杂情况,地层破裂压力同样不受岩石内聚强度影响。

2.2 岩石抗张强度对安全密度窗口的影响

1)主应力关系:在σV>σH>σh的情况下;

2)基本参数:岩石内聚强度、水平井应力、内摩擦角、毕奥特系数、泊松比不变,分别取St为7.6、8.6、9.6 MPa。

①沿最大水平主应力钻进

沿最大水平主应力钻进时密度窗口随井斜角增大变化规律如图3 所示。

从图3 可以看出:当岩石抗张强度增大时,地层坍塌压力不变,地层破裂压力升高,井壁抗拉伸破坏能力增强,更不易发生井漏。这与前面分析的井壁岩石剪切破坏理论是吻合的。

②沿最小水平主应力钻进

沿最小水平主应力钻进时密度窗口随井斜角增大变化规律如图4 所示。

从图4 可以看出:随井斜角增大,安全密度窗口整体变宽,井壁不易发生失稳,可以看出随岩石抗张强度增大,地层坍塌压力也不变,地层破裂压力整体变大,井壁不易发生拉伸破坏,研究地层特性对安全密度窗口的影响,为判断井下复杂情况提供依据。

2.3 水平地应力对安全密度窗口的影响

1)主应力关系:在σV>σH>σh的情况下;

2)基本参数:岩石内聚强度、岩石抗拉强度、内摩擦角、毕奥特系数、泊松比不变,分别取σH=50、55、60 MPa。

①沿最大水平主应力钻进

沿最大水平主应力钻进时密度窗口随井斜角增大变化规律如图5 所示。

从图5 可以看出:随井斜角的增加,泥浆密度窗口变窄,并且在井斜角较小时,窗口变化的越明显,这说明沿最大主应力钻进时水平井井壁趋于不稳定。

②沿最小水平主应力钻进

沿最小水平主应力钻进时密度窗口随井斜角增大变化规律如图6 所示。

从图6 可以看出:随井斜角增大,密度窗口有整体变宽的趋势,在井斜角增大时,最大主应力越大窗口也相应变宽,井壁稳定性增强。

在其他条件不变时,井斜角较小,水平井地应力增大对井壁稳定不利;当井斜角较大时,并沿最小水平地应力方向钻进时,泥浆密度变宽,井壁可控性强。

南堡3 号储层地层特点为孔隙/破裂压力窗口窄,且安全窗口随井眼轨迹变化,为了保证安全,需要高密度泥浆以保持井壁稳定,但又容易压裂衰竭地层,基于以上特点,选用精细控压钻井技术(MPD)进行井底恒压压力控制钻进。

1)随着井斜角增大,泥浆密度窗口总体变小,这在钻进实践中应该注意,以防井下复杂情况的出现,降低钻井速度。

2)井斜角的增加,泥浆密度窗口变窄,并且在井斜角较小时,窗口变化的越明显,这说明沿最大主应力钻进时水平井井壁趋于不稳定。

3)应完善南堡3 号复杂地层精细控压钻井技术体系,为裂缝性深层海相油藏安全高效开发油气资源提供技术支撑和储备。