大港灘海大位移井井壁穩(wěn)定技術(shù)研究

鄒靈戰(zhàn) 汪海閣 張紅軍 程榮超 卓魯斌

（中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195）

大港灘海大位移井井壁穩(wěn)定技術(shù)研究

鄒靈戰(zhàn) 汪海閣 張紅軍 程榮超 卓魯斌

（中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195）

大港油田主要采用大位移井開發(fā)灘海油氣資源。在2008年埕海二區(qū)大位移井鉆井中遭遇了嚴(yán)重的井壁坍塌，單井平均事故復(fù)雜時(shí)效達(dá)22%，嚴(yán)重影響大位移井的安全。通過對(duì)油頁巖層理弱面強(qiáng)度測定、斜井井壁應(yīng)力分析、井眼軌跡對(duì)坍塌壓力和破裂壓力的影響分析、井壁穩(wěn)定的力學(xué)和化學(xué)對(duì)策的研究，指導(dǎo)井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全泥漿密度窗口確定及鉆井液性能改進(jìn)，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。

大位移井；井壁穩(wěn)定；油頁巖

大港油田通過在灘海建立人工島，采用大位移井、水平井鉆井開發(fā)埕海一區(qū)、埕海二區(qū)油田。在2008年鉆井中遇到嚴(yán)重的井壁坍塌問題，完鉆的7口大位移井中有3口井因井壁坍塌造成卡鉆事故、側(cè)鉆，其中張海21-21L井側(cè)鉆5次，張海13-25L側(cè)鉆3次。發(fā)生井壁失穩(wěn)的地層為東營組和沙河街，發(fā)生井段的井斜角全部大于40°，2008年單井平均事故復(fù)雜時(shí)效高達(dá)22%，嚴(yán)重影響了灘海油田的開發(fā)。

大位移井發(fā)生井壁失穩(wěn)的類似情況在國外也遭遇過，1999年美國阿拉斯加Niakuk油田大位移井連續(xù)發(fā)生嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)問題,大位移鉆井被擱置［1］。BP公司的研究表明大位移井井壁穩(wěn)定與地應(yīng)力方向、井眼軌跡、泥巖層理弱面密切相關(guān)，并推薦了針對(duì)性措施［2］。

本研究針對(duì)這些技術(shù)難點(diǎn)，把地質(zhì)、鉆井和測井資料、巖心室內(nèi)試驗(yàn)、力學(xué)分析結(jié)合在一起，建立一套系統(tǒng)評(píng)估的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大位移鉆井井壁穩(wěn)定性的評(píng)估，為井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全鉆井泥漿密度窗口確定、鉆井液性能改進(jìn)提供依據(jù)。

1 研究方法和成果

（1）失穩(wěn)地層的強(qiáng)度特性研究

巖石的破壞條件一般用摩爾-庫侖條件，強(qiáng)度參數(shù)可以通過室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)來測定，通常有單軸抗壓強(qiáng)度、圍壓下的三軸抗壓強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，得到強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角的大?。?］。

式中:σ1—最大主應(yīng)力，MPa;σ3—圍壓，MPa;c—黏聚力，MPa;φ－內(nèi)摩擦角。

油頁巖的層理很發(fā)育，層理面即為強(qiáng)度弱面，弱面上強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角通常比巖石的低很多，弱面強(qiáng)度是弱面法線與最大主應(yīng)力夾角的函數(shù)。通過改變層理面與水平面的角度取心，做單軸或三軸抗壓強(qiáng)度測試，建立弱面強(qiáng)度-層理面角度的特性關(guān)系，弱面的破壞準(zhǔn)則為［3］：

式中:σ1—弱面上最大主應(yīng)力，MPa;σ3—圍壓，MPa;cj—弱面的黏聚力，MPa;φj—弱面的內(nèi)摩擦角；β—弱面法線與最大主應(yīng)力的夾角。

海二區(qū)沙河街油頁巖地層的巖心見圖1，層理非常發(fā)育，為了研究層理面強(qiáng)度參數(shù)，沿著層理面與水平面成60°角度取心，做室內(nèi)三軸抗壓強(qiáng)度測定試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

圖1 沙河街地層巖心

圖2 油頁巖層理面強(qiáng)度特性曲線

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了油頁巖層理面的內(nèi)摩擦角28°，低于正常情況（42°），層理面黏聚力 7MPa，是正常情況的1/2，據(jù)此做出層理面強(qiáng)度特性曲線見圖2。在井斜角達(dá)到35°以后層理面開始影響井壁穩(wěn)定，大井斜條件下井壁巖石層理面法線與井壁應(yīng)力之間夾角處于不利范圍內(nèi)，強(qiáng)度是正常情況下的將近1/3，剪切破壞將會(huì)發(fā)生在層理弱面上。另外，浸泡清水7d的強(qiáng)度降低將近50%，反映了水化作用的影響。

（2）斜井應(yīng)力分析

斜井條件下井壁應(yīng)力的計(jì)算與直井不同，需要對(duì)三個(gè)主應(yīng)力的坐標(biāo)系進(jìn)行兩次坐標(biāo)變換，計(jì)算得到斜井的井壁應(yīng)力。

（3）兩個(gè)判斷準(zhǔn)則

大位移井井壁發(fā)生剪切破壞（坍塌）的判斷準(zhǔn)則：

大位移井發(fā)生井壁拉張破壞（破裂）的判斷準(zhǔn)則：

式中：σθ—井壁切向應(yīng)力，MPa；σr—井壁徑向應(yīng)力，MPa；C—黏聚力，MPa；φ—內(nèi)摩擦角，（°）；T—巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。

層理弱面特征明顯的沙河街油頁巖地層，則需要考慮弱面法線與井壁切向應(yīng)力之間的夾角，采用弱面破壞的準(zhǔn)則來判斷，見式（5）。

（4）沙河街油頁巖地層井壁穩(wěn)定的力學(xué)評(píng)估

油頁巖地層層理特征很明顯，大位移井情況下層理面法線與井壁切向應(yīng)力方向夾角在弱面強(qiáng)度不利的角度范圍內(nèi)，更容易發(fā)生沿著層理面的剪切破壞，大斜度井情況下坍塌壓力最高達(dá)到1.55MPa，破裂壓力將降低到1.8MPa，因此在油頁巖地層更容易發(fā)生嚴(yán)重的井壁坍塌。觀察沙河街油頁巖地層井壁坍塌返出的掉塊，能夠發(fā)現(xiàn)剪切破壞主要發(fā)生在層理面上，與分析結(jié)果吻合。

圖3 沙河街油頁巖地層大斜度井坍塌壓力與破裂壓力

2 大位移井井壁失穩(wěn)原因與對(duì)策

（1）大位移井井壁失穩(wěn)原因

力學(xué)原因：埕海二區(qū)儲(chǔ)層垂深達(dá)到2 800m，大斜度井的應(yīng)力集中比直井更大，尤其在水平最大主應(yīng)力方位，井壁應(yīng)力最為集中,而且沙河街油頁巖的層理特征明顯，大斜度鉆井時(shí)泥巖層理弱面的法線與井壁應(yīng)力之間夾角處于不利范圍內(nèi)，井斜角達(dá)到60°以后，層理弱面強(qiáng)度處于最低范圍，單軸強(qiáng)度20MPa，因此更容易發(fā)生剪切破壞，井壁破壞區(qū)的范圍更大。2008年所鉆的張海13-25L井、張海21-21L井的井眼軌跡靠近最大水平主應(yīng)力的方位，大井斜條件下坍塌壓力高達(dá)1.55MPa，而鉆井液密度是按照直井三壓力來設(shè)計(jì)的，現(xiàn)場鉆井液密度在1.20～1.28g/cm3的范圍，因此遠(yuǎn)不能平衡東營組和沙河街地層的坍塌壓力，這是發(fā)生井壁失穩(wěn)的力學(xué)原因。

化學(xué)原因：對(duì)沙河街油頁巖巖心浸泡清水后試驗(yàn)測定，強(qiáng)度降低達(dá)到30%～50%，在直井條件下水化作用導(dǎo)致強(qiáng)度從60MPa下降到30MPa，坍塌壓力升高到1.25MPa，因此在直井和小井斜條件下可以通過適當(dāng)提高鉆井液密度，只要達(dá)到1.25g/cm3即可抵消化學(xué)作用，井壁依然保持穩(wěn)定。但在大井斜條件下層理弱面的強(qiáng)度處于不利的角度范圍內(nèi)，坍塌壓力已經(jīng)高達(dá)1.40～1.55MPa，井壁穩(wěn)定本來處于脆弱的力學(xué)平衡狀態(tài)，如果水化作用使層理面強(qiáng)度降低50%，則坍塌壓力將會(huì)提高到1.80MPa，超出安全泥漿密度窗口的上限破裂壓力，是不允許的，此時(shí)化學(xué)作用打破了力學(xué)平衡，導(dǎo)致井壁不斷周期性坍塌。因此大斜度條件下必須強(qiáng)調(diào)鉆井液的失水、封堵、抑制性，優(yōu)良的鉆井液性能成為力學(xué)平衡建立的前提。

（2）保證井壁穩(wěn)定對(duì)策

力學(xué)平衡對(duì)策：2009—2011年后續(xù)大位移井優(yōu)化井眼軌跡方位避開水平最大主應(yīng)力方位（近似東西方向），盡量靠近水平最小主應(yīng)力方位（近似南北方向），并結(jié)合井眼軌跡確定合理的鉆井液密度，保障力學(xué)的穩(wěn)定性，大位移井的安全泥漿密度窗口見圖4，在井斜角45°以后的大斜度井段鉆井液密度從1.19g/cm3提高到1.45g/cm3，平衡坍塌壓力。在力學(xué)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，降低鉆井液的失水、優(yōu)選鉆井液封堵材料提高封堵能力，大斜度井段降低API失水，井斜角45°后，API失水從10mL降低到3.6mL，見圖5。這些措施保障了大位移井在鉆井和完井階段井壁穩(wěn)定。

圖4 結(jié)合地應(yīng)力和井眼軌跡的安全泥漿密度窗口

圖5 現(xiàn)場鉆井液密度和API失水性能曲線

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

經(jīng)過2008、2009年的技術(shù)攻關(guān)，后續(xù)大位移井鉆井的事故復(fù)雜時(shí)效從2008年的22%降低到2011年的1.8%（見圖6）鉆井安全得到有效保障，建成了包括2-1、2-2等人工島，灘海油田實(shí)現(xiàn)了20×104t產(chǎn)能目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

圖6 埕海二區(qū)大位移井事故復(fù)雜時(shí)效逐年對(duì)比

[1]Dowson S L,Willson S M.An Intergrated Solution of Extended-Reach Drilling Problems in the Niakuk Field,Alaska:Part I-Wellbore Stability Assessment[J].SPE 56563.

[2]Stephen M，Willson,Stepthen T，et al.Assuring Stability inExtended-Reach Wells—Analyses,Practices,and Mitigations[J].SPE/IADC 105405.

[3]鄭穎人，沈珠江，龔曉南.巖土塑性力學(xué)原理[M].北京:中國建筑出版社，2002：64-70.

[4]金衍，陳勉，劉貢慧,等.大位移井的井壁穩(wěn)定力學(xué)分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào),1999，5(1)：4-11.

[5]鄧金根,蔚寶華,鄒靈戰(zhàn),等.南海西江大位移井井壁穩(wěn)定性評(píng)估研究[J].石油鉆采工藝，2003，25(6)：1-3.

The Bore-hole Stability Technique in Dagang Nearshore Oilfield

ZOU Lingzhan WANG Haige ZHANG Hongjun CHENG Rongchao ZHUO Lubin
(Drilling Engineering Research Institute,PetroChina,Beijing 100195)

In Dagang oilfield,ERW well is the main drilling mode.In 2008,ERW drill encountered severe well bore instability,resulting in drilling complex and failure which account for average 22 percent drilling time,which greatly impacted on the efficiency of drilling.A suit of techniques is summarized,including pore-pressure prediction,in-situ stress determination,rock tri-axial strength test,character of strength on bedding plane,side wall stress analysis,effect of well trajectory on collapse pressure and bursting pressure.The research gives advice to optimize the well trajectory,safe mud density window,property of drilling fluid,the favorable achievements has been obtained.

extended reach well；borehole stability；oil shale

TE283

A

1673-1980(2012)05-0080-03

2012-05-08

“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目(IRT0411)；全國百篇優(yōu)秀博士論文基金項(xiàng)目(200349)

鄒靈戰(zhàn)(1972-)，男，河南南陽人，博士，研究方向?yàn)殂@井提速，井壁穩(wěn)定。