液相欠平衡鉆井合理欠壓值設(shè)計(jì)方法

竇亮彬，李天太，張明，畢剛

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

液相欠平衡鉆井合理欠壓值設(shè)計(jì)方法

竇亮彬，李天太，張明，畢剛

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

液相欠平衡鉆井井底欠壓值的確立和控制直接決定著鉆井的成敗。目前鉆井行業(yè)井底欠壓值確立方法一般基于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，誤差較大，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，其控制調(diào)節(jié)缺乏理論依據(jù)。欠壓值過(guò)大，易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，出現(xiàn)井控風(fēng)險(xiǎn)及速敏、應(yīng)力敏感等儲(chǔ)層傷害問(wèn)題；欠壓值過(guò)小，易導(dǎo)致鉆井液進(jìn)入儲(chǔ)層，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)儲(chǔ)層及提高機(jī)械鉆速的目的。為此，利用井眼力學(xué)穩(wěn)定及井控風(fēng)險(xiǎn)分析確定欠壓值上限，利用儲(chǔ)層毛細(xì)管力確立欠壓值下限，建立液相欠平衡鉆井合理欠壓值設(shè)計(jì)新方法，并結(jié)合塔里木盆地塔北地區(qū)X井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化。結(jié)果表明，此欠壓值設(shè)計(jì)新方法能夠?yàn)榍菲胶忏@井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，避免了單純依靠經(jīng)驗(yàn)值確立欠平衡鉆井欠壓值導(dǎo)致的鉆井事故或儲(chǔ)層保護(hù)效果不好等問(wèn)題。

液相欠平衡；欠壓值；井壁穩(wěn)定；毛細(xì)管力；塔里木盆地

0 引言

欠平衡鉆井具有提高鉆速、保護(hù)儲(chǔ)集層和有效開(kāi)發(fā)低壓低滲油田的重要作用，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。液相欠平衡鉆井技術(shù)可應(yīng)用于壓力窗口狹窄、巖石致密、可鉆性差等地層，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)或提高機(jī)械鉆速的目的，又可應(yīng)用于壓力衰竭、低滲特低滲等油氣層，以保護(hù)儲(chǔ)層［3］。

在塔里木油田實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)條件相同的鄰井鉆井，液相欠平衡鉆井技術(shù)儲(chǔ)層保護(hù)效果不佳，未明顯提高產(chǎn)量，甚至部分井區(qū)儲(chǔ)層損害嚴(yán)重，未達(dá)到勘探開(kāi)發(fā)預(yù)期效果。對(duì)巖心、試井、測(cè)井資料分析，結(jié)果表明，液相欠平衡鉆井造成儲(chǔ)層傷害主要原因是欠壓值選擇不合適，鉆井液中對(duì)儲(chǔ)層有傷害的流體通過(guò)毛細(xì)管力作用進(jìn)入儲(chǔ)層。另外，以往液相欠平衡鉆井作業(yè)中還發(fā)現(xiàn)：由于欠平衡鉆井欠壓值過(guò)大，導(dǎo)致井徑擴(kuò)大甚至井壁失穩(wěn)，被迫停止欠平衡作業(yè)，還導(dǎo)致侵入井筒流體超過(guò)欠平衡鉆井地面設(shè)備處理能力，井口設(shè)備過(guò)載，被迫關(guān)井。

井底欠壓值是欠平衡鉆井非常重要的參數(shù)，設(shè)計(jì)并保持一個(gè)合理的欠壓值會(huì)影響整體鉆井效果。以往油田欠平衡鉆井欠壓值通常是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定的，缺乏理論基礎(chǔ)且誤差較大。

本次研究綜合考慮井壁失穩(wěn)、井控安全分析所確定的2個(gè)值，最小值作為欠壓值的上限，毛細(xì)管力確立的值作為欠壓值的下限。本次研究建立了液相欠平衡鉆井合理欠壓值確定的新方法，為現(xiàn)場(chǎng)欠平衡鉆井合理欠壓值設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 欠壓值對(duì)液相欠平衡鉆井的影響

1.1 欠壓值過(guò)大

1.1.1 速敏影響

根據(jù)達(dá)西滲流定律，流速與壓差成正比關(guān)系，因此，高欠壓值會(huì)帶來(lái)高流速，導(dǎo)致儲(chǔ)層中含有的一些細(xì)小礦物顆粒在流體流速達(dá)到臨界流速后發(fā)生運(yùn)移，并且在孔喉處發(fā)生堵塞，造成油氣層滲透率下降。這就是微粒運(yùn)移損害［4］，其根本原因是壓差過(guò)大。

1.1.2 井壁失穩(wěn)

井眼不失穩(wěn)是欠平衡鉆井的基本前提。在欠平衡鉆井過(guò)程中，由于井底壓力小于地層壓力，地層流體不斷流入井筒內(nèi)，如果井底負(fù)壓差過(guò)大，可能導(dǎo)致地層坍塌、出砂，造成嚴(yán)重的鉆井事故。

因此，有必要基于力學(xué)理論合理確定井底負(fù)壓差值。以?xún)?chǔ)層巖石力學(xué)特性和破壞準(zhǔn)則確立可適應(yīng)各種條件的欠平衡鉆井合理負(fù)壓差的判別式，保證液相欠平衡鉆井安全鉆進(jìn)。

1.1.3 井控風(fēng)險(xiǎn)

井控設(shè)備處理能力對(duì)負(fù)壓值設(shè)計(jì)有間接的影響。負(fù)壓值越大，預(yù)計(jì)的隨鉆產(chǎn)油和（或）氣量越大，鉆井液液柱壓力降低越多，井口回壓也會(huì)相應(yīng)升高。因此，負(fù)壓值和井口最大回壓可作為選擇除氣、撇油設(shè)備及旋轉(zhuǎn)防噴器的依據(jù)［5］。

1.1.4 應(yīng)力敏感

較高的欠壓值下，大量孔隙流體快速進(jìn)入井筒，原本和巖石骨架一同承擔(dān)上覆巖層壓力的地層流體缺失后，巖石骨架所受上覆地層壓力增大導(dǎo)致其變形甚至破碎，導(dǎo)致滲透率降低。

此外，在高欠壓值下還會(huì)出現(xiàn)由于pH值變化和儲(chǔ)層流體脫氣導(dǎo)致的無(wú)機(jī)和有機(jī)結(jié)垢等儲(chǔ)層傷害。

1.2 欠壓值過(guò)小

1.2.1 儲(chǔ)層傷害

當(dāng)欠平衡鉆井欠壓值較小時(shí)，造成儲(chǔ)層滲透率下降，最主要原因是儲(chǔ)層的逆流自吸效應(yīng)。液相欠平衡鉆井過(guò)程中，井壁沒(méi)有泥餅保護(hù)，儲(chǔ)層直接與鉆井液接觸，在儲(chǔ)層微孔隙、裂縫內(nèi)會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)管力，當(dāng)欠壓值不能克服毛細(xì)管力的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生逆流自吸效應(yīng)。油水/油氣界面張力越大及地層有效孔徑越小，毛細(xì)管力越大，自吸效應(yīng)越強(qiáng)。毛細(xì)管力將鉆井液吸入儲(chǔ)層，導(dǎo)致水鎖、堿敏等儲(chǔ)層傷害［6-8］。

1.2.2 提速效果不佳

循環(huán)鉆井液井底液柱壓力與地層壓力之差是影響鉆進(jìn)速度的重要因素，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，其差值越大，則鉆井機(jī)械鉆速越低。機(jī)械鉆速降低的原因主要是：增加的井底壓差會(huì)使巖石的抗破碎強(qiáng)度和塑性增加，鉆頭的破碎效率下降；另一方面，增大的壓差對(duì)井底巖屑產(chǎn)生壓持效應(yīng)，使井底清潔條件變差，增加了鉆頭產(chǎn)生重復(fù)切削的機(jī)會(huì)。

欠平衡鉆井除了儲(chǔ)層保護(hù)之外，另一個(gè)重要作用就是提速作用。如果欠壓值過(guò)小，會(huì)降低甚至失去欠平衡鉆井作業(yè)的提速降低成本目的。

2 合理欠壓值設(shè)計(jì)模型

2.1 欠壓值上限確定

2.1.1 考慮井壁穩(wěn)定性所確定的欠壓值上限

本文以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)，依據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度和巖石抗拉強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)［9］，推導(dǎo)出適應(yīng)各種條件的欠平衡鉆井最大井底欠壓值判別式。

2.1.1.1 以巖石抗壓強(qiáng)度為依據(jù)

為便于推導(dǎo)，假設(shè)：σH，σh分別為最大、最小水平主地應(yīng)力；σv為上覆垂直地應(yīng)力；井壁上巖石流體壓力與井筒壓力相同。

井壁應(yīng)力分布計(jì)算公式為

式中：σr，σθ，σz分別為徑向、周向和垂向應(yīng)力，MPa；θ為井眼周?chē)滁c(diǎn)徑向與最大水平主地應(yīng)力的夾角，（°）；pb為環(huán)空井底壓力，MPa；ν為巖石泊松比。

儲(chǔ)層為滲透性地層，則井壁巖石骨架上Terzaghi有效應(yīng)為

式中：σ′θ，σ′H，σ′h分別為周向有效應(yīng)力、最大有效應(yīng)力和最小有效應(yīng)力，MPa；ps為地層孔隙壓力，MPa。

假設(shè)地層為各向同性的彈性體，單相流體流動(dòng)，則井壁巖石抗壓強(qiáng)度破壞判別公式為

式中：σc為儲(chǔ)層巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；σmax為井壁巖石最大周向應(yīng)力，MPa。

對(duì)于直井而言，當(dāng)沿最小主應(yīng)力方向時(shí)，其周向應(yīng)力最大，即θ=90°時(shí)取最大值。代入式（1）可得：

井壁巖石抗壓強(qiáng)度破壞判別公式采用有效應(yīng)力進(jìn)行判別，將式（2）代入式（4），可得：

若不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響，則有：

式中：ρr為上覆巖層的平均密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為儲(chǔ)層深度，m。

聯(lián)立式（5）和式（6），則可得直井液相欠平衡鉆井井底欠壓值Δpq 1判別式：

對(duì)任意井斜、方位角定向井，其井壁最大有效周向應(yīng)力計(jì)算公式為

式中：σz，σθ，σθz分別為井眼坐標(biāo)系下定向井井壁上的軸向正應(yīng)力、周向正應(yīng)力和垂直于徑向的平面上切應(yīng)力，MPa［10］。

2.1.1.2 以巖石抗拉強(qiáng)度為依據(jù)

當(dāng)井壁應(yīng)力達(dá)到摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則后，近井帶將塑性變形，此時(shí)彈性解已不適用。由塑性力學(xué)可知，井壁受拉狀態(tài)下井底欠壓值Δpq 2判別式為［11］

式中：S0為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；φ為儲(chǔ)層巖石破壞角，（°）；D0為供給邊緣直徑，m；Dh為井眼直徑，m。

2.1.2 考慮井控安全時(shí)所確定的欠壓值上限

考慮井控安全時(shí)，井底欠壓值Δpq 3的給出，需要根據(jù)不同地區(qū)不同地質(zhì)工程情況下所用地面井口設(shè)備處理返出流體的能力、井口回壓調(diào)節(jié)能力以及現(xiàn)場(chǎng)工程師處理經(jīng)驗(yàn)確定。因而Δpq 3的確定無(wú)法用理論計(jì)算進(jìn)行定量表征，建議油田現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合其設(shè)備處理能力進(jìn)行初步計(jì)算確立給出。

因而，液相欠平衡鉆井欠壓值上限Δpq sh為

2.2 欠壓值下限確定

在液相欠平衡鉆井過(guò)程中，即使井底循環(huán)壓力小于地層孔隙壓力，鉆井液流體也可能受毛細(xì)管吸入壓力的作用將其吸入到地層，造成儲(chǔ)層損害，尤其對(duì)高含黏土礦物的水敏性地層而言，更要盡量避免此狀況。因此，在進(jìn)行液相欠平衡鉆井井底欠壓值設(shè)計(jì)時(shí)，其值要求大于毛細(xì)管吸入壓力。

對(duì)于油水界面，毛細(xì)管力為

對(duì)于氣水界面，毛細(xì)管力為

式中：pcwo，pcwg分別為油水、氣水界面的毛細(xì)管力，MPa；σwo，σwg分別為油水、氣水表面張力，N/m；θwo，θwg分別為油水、氣水界面接觸角，（°）；r為孔喉半徑，μm。

油氣藏巖石的流動(dòng)孔隙可看作一系列大小不同的毛細(xì)管，因此油氣藏中的油水、氣水不是一個(gè)平面，而是一個(gè)過(guò)渡帶。理論上，過(guò)渡帶的高度取決于最細(xì)毛細(xì)管中水（油）柱的上升高度。如果以最細(xì)毛細(xì)管進(jìn)行欠壓值設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)一為最小最細(xì)毛細(xì)管無(wú)法確定，二為采用此方法設(shè)計(jì)的欠壓值偏高。液相欠平衡鉆井大多用于開(kāi)發(fā)井，一般有儲(chǔ)層巖心，對(duì)儲(chǔ)層巖石特性比較熟悉，因此，建議將鄰井巖心壓汞法所得到的中值壓力最大值所對(duì)應(yīng)的毛細(xì)半徑，作為毛細(xì)管孔喉半徑。

2.3 合理欠壓值模型

通過(guò)對(duì)液相欠平衡欠壓值的上限值和下限值分析，確立了液相欠平衡鉆井合理欠壓值模型為

3 應(yīng)用分析

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層裂縫、洞穴發(fā)育，鉆進(jìn)易漏失，巖石強(qiáng)度一般，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)應(yīng)用液相欠平衡/控壓鉆井實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井。欠平衡儲(chǔ)層鉆井作業(yè)一般用于成熟地區(qū)的開(kāi)發(fā)井，其現(xiàn)場(chǎng)資料數(shù)據(jù)主要來(lái)源于測(cè)井、取心及鄰井等?，F(xiàn)場(chǎng)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

利用表1中數(shù)據(jù)，采用式（7）可以得到以抗壓強(qiáng)度井壁穩(wěn)定性分析所確立的最大欠壓值為6.9 MPa，采用式（9）可得到以抗拉強(qiáng)度井壁穩(wěn)定性分析所確立的最大欠壓值為37.9 MPa。井控安全風(fēng)險(xiǎn)值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井口設(shè)備及其處理流體控制能力、回壓控制等方面確定的，此井根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等情況確立的最大欠壓值為8.0 MPa。因而，液相欠平衡鉆井欠壓值上限為3個(gè)值中的最小值6.9 MPa。液相欠平衡欠壓值下限，根據(jù)式（12）油水毛細(xì)管力確定為1.27 MPa。

表1 現(xiàn)場(chǎng)基本參數(shù)

此地區(qū)應(yīng)用液相欠平衡鉆井作業(yè)時(shí)給出的欠壓值范圍為0.8～1.1 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)試井、巖心、產(chǎn)能等分析表明，此地區(qū)應(yīng)用液相欠平衡作業(yè)時(shí)未能有效保護(hù)儲(chǔ)層，機(jī)械鉆速偏小。通過(guò)本文模型分析，其欠壓值偏小導(dǎo)致地層通過(guò)毛細(xì)管力吸入鉆井液進(jìn)入儲(chǔ)層，對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，且欠壓值偏小導(dǎo)致機(jī)械鉆速偏低，使儲(chǔ)層與鉆井液接觸時(shí)間較長(zhǎng)，未能有效發(fā)揮欠平衡鉆井保護(hù)儲(chǔ)層、提高鉆速的目的。

根據(jù)本文所建立的液相欠平衡鉆井欠壓值優(yōu)化模型分析，建議此區(qū)塊欠壓值范圍為1.3～6.5 MPa。此欠壓值范圍既能有效保護(hù)儲(chǔ)層，防止毛細(xì)管力將液相吸入儲(chǔ)層造成傷害，又能避免井壁失穩(wěn)、井控風(fēng)險(xiǎn)等鉆井事故的發(fā)生。

利用本文所建立的模型可以對(duì)不同地區(qū)、不同儲(chǔ)層條件進(jìn)行影響因素分析，分析儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性、孔喉特性、鉆井液特性（主要為油水、氣水界面張力和接觸角）對(duì)合理欠壓值的影響規(guī)律，因而此模型具有普遍性，可以推廣到各油田液相欠平衡作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為其合理欠壓值設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

1）目前液相欠平衡鉆井井底欠壓值確立方法一般基于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，誤差較大且不便于現(xiàn)場(chǎng)合理控制調(diào)節(jié)。本文綜合考慮了液相欠平衡鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定、井控風(fēng)險(xiǎn)、儲(chǔ)層傷害等方面，通過(guò)井眼力學(xué)穩(wěn)定及井控風(fēng)險(xiǎn)分析確定欠壓值上限，以?xún)?chǔ)層毛細(xì)管力確立欠壓值下限，建立了液相欠平衡鉆井合理欠壓值設(shè)計(jì)新方法。

2）以塔里木盆地塔北地區(qū)X井為例，應(yīng)用所建立的新模型對(duì)區(qū)塊X井合理欠壓值設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用液相欠平衡鉆井給出的欠壓值范圍為0.8～1.1 MPa，但儲(chǔ)層保護(hù)效果不好。而本文模型建議的欠壓值范圍為1.3～6.5 MPa，給出的欠壓值范圍既能有效保護(hù)儲(chǔ)層，防止毛細(xì)管力將液相吸入儲(chǔ)層造成傷害，又能避免井壁失穩(wěn)、井控風(fēng)險(xiǎn)等鉆井事故的發(fā)生。

3）利用建立的模型，現(xiàn)場(chǎng)可快速準(zhǔn)確確立井底合理欠壓值。本文模型具有普遍性，可以推廣到各油田液相欠平衡作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為合理欠壓值設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

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（編輯 楊會(huì)朋）

Designing method for reasonable negative pressure value in liquid underbalanced drilling

DOU Liangbin,LI Tiantai,ZHANG Ming,BI Gang
(School of Petroleum Engineering,Xi′an Shiyou University,Xi′an 710065,China)

Reasonable negative pressure value of the bottom hole is the key to the success of liquid underbalanced drilling(UBD). Negative pressure value is based primarily on on-site experience in the oilfield,which has a bigger error and is unfavorable to regulating the value.High negative pressure value easily leads to wellbore instability,well control accidents,and the permeability damage caused by velocity and stress sensitivity.Small negative pressure value will not protect reservoir and improve the penetration rate.A new designing method for reasonable negative pressure value in liquid UBD is given,in which the maximum negative pressure value is determined by wellbore stability calculation and well control analysis,and the minimum negative pressure value is determined by capillary force analysis.The method was analyzed and optimized by X well data in the northern area of Tarim Basin.The new method provides the guidance for reasonable negative pressure value design in liquid UBD and avoids a series of UBD problems based on experience.

liquid underbalanced drilling;negative pressure value;borehole stability;capillary force;Tarim Basin

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“酸性氣體侵入井筒在鉆井液內(nèi)賦存狀態(tài)及對(duì)瞬態(tài)流動(dòng)影響研究”（51604224）；

TE249

A

10.6056/dkyqt201702024

2016-09-10；改回日期：2017-01-07。

竇亮彬，1986年生，男，講師，博士，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），主要從事井筒復(fù)雜流動(dòng)與控制、非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層改造方面的研究。E-mail：77129dou@163.com。

竇亮彬，李天太，張明，等.液相欠平衡鉆井合理欠壓值設(shè)計(jì)方法［J］.斷塊油氣田，2017，24（2）：247-250.

DOU Liangbin，LI Tiantai，ZHANG Ming，et al.Designing method for reasonable negative pressure value in liquid underbalanced drilling［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（2）：247-250.

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“超臨界CO2微小井眼徑向水平井開(kāi)發(fā)煤層氣機(jī)理研究”（2015JQ5147）；

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目“頁(yè)巖儲(chǔ)層壓縮性對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律研究”（15JK1566）