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    大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)分析及研究

    2015-07-02 01:40:08謝志濤武少一陽中華
    石油地質與工程 2015年1期
    關鍵詞:層位黏土水化

    謝志濤,劉 斌,武少一,楊 鵬,陽中華,李 斌

    (1.長江大學石油工程學院,湖北武漢 430100;2.長江大學油氣鉆采工程湖北省重點實驗室;3.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院;4.中國石化河南油田分公司油氣技術處;5.中國石油長慶油田分公司第二采油技術服務處;6.中國石油青海油田分公司采油二廠)

    大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)分析及研究

    謝志濤1,2,劉 斌3,武少一4,楊 鵬1,2,陽中華5,李 斌6

    (1.長江大學石油工程學院,湖北武漢 430100;2.長江大學油氣鉆采工程湖北省重點實驗室;3.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院;4.中國石化河南油田分公司油氣技術處;5.中國石油長慶油田分公司第二采油技術服務處;6.中國石油青海油田分公司采油二廠)

    分析了大北-克深區(qū)塊鉆井過程中發(fā)生的主要復雜情況及層位,從物理、化學因素研究了該區(qū)塊井壁失穩(wěn)的機理,研究結果表明,黏土礦物含量和伊蒙混層所占比例較高以及巖石微裂縫發(fā)育是井壁失穩(wěn)的主要原因。為此,計算出了地層坍塌壓力,同時根據(jù)巖石力學理論確定了破裂壓力,進而確定了該區(qū)塊的安全泥漿密度窗口。研究結果在DB-10井獲得了較好的應用效果,大大減少了井徑擴大和阻卡問題的發(fā)生。

    大北-克深區(qū)塊;井壁穩(wěn)定;泥漿密度窗口

    大北-克深區(qū)塊位于庫車坳陷克-依構造帶東部的卡拉蘇構造帶。為了解大北-克深區(qū)帶鉆井過程中的主要復雜情況,收集了大北-克深區(qū)帶大北1井、大北2井等20余口井的鉆完井和井史等資料,并對該地區(qū)鉆井過程中的各類復雜情況和鉆井事故進行了統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊鉆進過程中井壁穩(wěn)定性較差,導致復雜情況較多,嚴重影響了鉆井作業(yè)時間和鉆進效率。本文對該區(qū)塊井壁失穩(wěn)機理展開研究分析,同時根據(jù)測井資料和經(jīng)驗公式確定了該區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力。

    1 井壁失穩(wěn)機理分析[1-4]

    根據(jù)大北-克深各層位復雜情況,繪制了該區(qū)塊各層位出現(xiàn)復雜情況頻數(shù)分布圖(圖1)。從中可以看出,復雜情況出現(xiàn)的主要層位在庫車組、庫姆格列木組和巴什基奇克組,其主要復雜情況是阻卡和井漏。

    圖1 大北-克深區(qū)帶各層位復雜情況頻數(shù)統(tǒng)計

    1.1 地層礦物X射線衍射分析

    為了研究大北-克深區(qū)塊的深部地層的礦物組成,對深部巖樣進行了礦物X射線衍射定量分析和黏土礦物X-衍射分析,結果表明:深部地層中黏土礦物含量為10%~50%。黏土礦物中伊蒙混層含量為40%~60%,伊利石和綠泥石的含量為20%~30%,深部地層中的水敏性黏土礦物含量較大,使得地層極易水化膨脹,導致井壁失穩(wěn)。

    1.2 巖樣掃描電鏡分析

    對大北-克深區(qū)塊巖樣電鏡分析結果表明:深部地層的泥頁巖局部表面微細孔隙較發(fā)育,部分相互連通;深部地層的泥頁巖微裂縫比較發(fā)育,外來流體的侵入,導致表面水化引發(fā)了井壁失穩(wěn)。

    1.3 鑄體薄片分析

    對薄片圖像分析結果表明,該井段巖石成分以泥晶白云石為主,具紋層構造,晶間孔少,內未見可測孔隙;可見一定數(shù)量微裂縫,其中部分被泥質充填,順層理分布。

    1.4 地層失穩(wěn)機理分析

    通過X射線衍射、掃描電鏡以及鑄體薄片分析可以確定大北-克深區(qū)塊的失穩(wěn)機理是:黏土礦物含量高,部分地層甚至達到50%,其中伊蒙混層、伊利石和綠泥石所占比例較高,部分層位含有易溶解變形的鹽膏層,易于水化。其黏土礦物組成呈多樣性和非均勻性,使得地層巖石水化后局部應力失衡、坍塌掉塊;深部地層巖石中微裂縫較為發(fā)育,孔隙部分發(fā)育,給水分子浸入巖石提供了通道,水分子與巖層接觸發(fā)生水化作用,致使巖層發(fā)生水化膨脹和分散,尤其是微裂縫發(fā)育,使得水分子更容易進入巖層內部,導致水化作用更加強烈,從而造成井壁失穩(wěn)問題發(fā)生[5-7]。

    2 地層坍塌壓力和破裂壓力的確定

    井壁失穩(wěn)的判定準則是比較井壁應力與強度。井壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)在以下兩個方面:泥漿密度太大時,就會發(fā)生拉伸破壞,導致地層壓破;泥漿密度太小時,就會發(fā)生剪切破壞,導致地層坍塌或縮徑。因而,在現(xiàn)場實鉆過程中,需要確定一個合適的泥漿密度窗口來確保鉆井作業(yè)的順利完成,其上限為破裂壓力Pf,下限為坍塌壓力Pc。

    在巖石力學研究中,判定巖石是否發(fā)生剪切破壞常用庫倫摩爾準則,其判定條件是巖石發(fā)生剪切破壞時,其破壞面上的剪切力大于巖石內聚力與巖石破壞面的內摩擦之和,在此條件下,坍塌壓力的計算模型為:

    (1)

    式中:H——井深,m;ρm——鉆井液密度,g/cm3;C——巖石的黏聚力,MPa;η——應力非線性修正系數(shù);σh1、σh2——水平方向的地應力,MPa;pp——地層壓力,MPa。

    地層破裂壓力是在井內液柱壓力作用下,使得井眼某處裸露地層裂開或使得原有裂縫再次裂開的壓力,其主要原因是井內鉆井液密度過大時,井壁處的剪切力就會轉變成拉應力,拉應力超過巖石的抗拉強度所造成的。

    假定井眼初始狀態(tài)是處于平面應變狀態(tài)下,依據(jù)巖石力學準則,在非均勻地應力作用條件下破裂壓力的計算模型為:

    (2)

    式中:Pf——破裂壓力,MPa;Q——構造應力系數(shù);Pp——地層孔隙壓力,MPa;St——地層抗拉強度,kN/mm2;σV——上覆地層壓力,MPa;μ——泊松比;α——有效應力系數(shù)。

    結合公式(1)、(2)以及大北-克深區(qū)塊實鉆資料和測井資料,可以計算出該區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力當量密度值,進而結合實鉆情況確定該區(qū)塊的安全鉆進泥漿密度窗口(表1)。

    表1 各層位推薦的安全泥漿密度窗口 g/cm3

    總體上,大北、克深區(qū)帶地層坍塌壓力和地層破裂壓力當量密度均呈增加趨勢,上部地層泥漿密度窗口較大,而蘇維依組下部和庫姆格列木組坍塌壓力急劇增大,泥漿密度窗口狹窄,庫姆格列木組之后泥漿密度窗口又變大,因此,建議蘇維依組下部和庫姆格列木組鉆進時,參照鄰井的安全泥漿密度窗口,選擇合適的泥漿密度和泥漿體系,預防或減輕膏鹽層縮徑引起的阻、卡復雜情況的發(fā)生。

    3 應用舉例

    DB-10井是在大北-克深區(qū)塊鉆進的一口評價井。在鉆進過程中,淺中部地層發(fā)生復雜情況較多,其中,阻卡次數(shù)高達41次。庫車組巖性為泥巖、砂巖,康村組巖性為層狀泥巖、粉砂巖和泥質粉砂巖。實鉆中,庫車組使用泥漿密度范圍為1.27~1.6 g/cm3,康村組使用泥漿密度范圍為1.52~1.65 g/cm3。其使用的泥漿密度都小于表1所推薦的坍塌壓力當量密度,因而在庫車組和康村組都會發(fā)生了不同程度的坍塌和井徑擴大問題。另外庫車組和康村組為脆性巖石,坍塌掉塊在井內還會導致阻卡情況的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場測井資料統(tǒng)計的結果,在兩個層位都發(fā)生了不同程度的井眼擴大。因此,在中下部地層鉆進中,按照推薦安全密度窗口,結合地層巖性,重新調配了鉆井液,其泥漿密度為1.82~1.93 g/cm3?,F(xiàn)場實鉆情況表明,在蘇維依組、庫姆格列木組和巴什基奇克組鉆進中都沒有發(fā)生阻卡情況。且測井資料顯示,井徑擴大較小,且有效地解決了該井阻卡的問題。

    4 結論與建議

    (1)統(tǒng)計分析了大北-克深區(qū)塊鉆井過程中主要復雜情況是阻卡和井漏,其主要層位在深部地層。

    (2)大北-克深區(qū)塊井壁失穩(wěn)的內在原因主要表現(xiàn)在兩個方面,一是黏土礦物含量較高,同時黏土礦物中伊蒙混層、伊利石和綠泥石的含量較高,并含有易溶解和變形的膏巖層,易水化;二是地層裂縫較發(fā)育,一定程度上增強了水化作用,加大了井壁失穩(wěn)的幾率。

    (3)根據(jù)計算模型確定了大北-克深區(qū)塊的坍塌壓力和破裂壓力,并確定了該區(qū)塊的安全泥漿密度窗口。這些技術在DB-10井進行了應用,有效地避免了阻卡等復雜事故的發(fā)生,并控制了井徑擴大問題。

    (4)建議對現(xiàn)場使用泥漿進行性能試驗,結合地層特性確定適合大北-克深區(qū)塊的泥漿體系,同時根據(jù)泥漿密度窗口選擇適合該區(qū)塊安全鉆進的泥漿密度。

    [1] 劉其明,趙正果,李勇,等. 百色盆地井壁失穩(wěn)機理及防塌建議[J].天然氣技術,2009,13(3):55-56.

    [2] James Lang, Shuling Li. Wellbore stability modeling and real-time surveillance for deepwater drilling to weak vedding planes and depleted reservoirs[A].SPE/IADC 139708, 2011.

    [3] Ramiro J,LizLosada, Leandro R. Newsafemudweight window representations to prevent wellbore instability[A].SPE/ IADC 62800, 2000.

    [4] Jincai Zhang, JeanClaude Roegiers.Borehole stability in naturally deformable fractured reservoirs - A fully coupled approach[A].SPE77355, 2002.

    [5] 王志龍,楊龍龍,羅躍,等. 超深井段井壁失穩(wěn)機理研究[J].化學與生物工程,2014,31(2):64-67.

    [6] 于玲玲,孫連環(huán),鮑洪志. 川東北地區(qū)高陡構造井壁失穩(wěn)原因及對策[J].石油天然氣學報,2010,32(1):281-283.

    [7] 梁為,陳志學,孫夢慈,等. 青西地區(qū)復雜深井鉆井液技術研究與應用[J].鉆井液與完井液,2006,23(3):47-50.

    編輯:劉洪樹

    1673-8217(2015)01-0113-03

    2014-08-15;改回日期:2014-10-10

    謝志濤,1988年生,2011年畢業(yè)于長江大學石油工程學院,在讀碩士研究生,現(xiàn)主要從事油氣井工程技術研究。

    TE254

    A

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