地層壓力衰減對(duì)水平井井壁穩(wěn)定性的影響

范 志 利

(中海油研究總院, 北京 100028)

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地層壓力衰減對(duì)水平井井壁穩(wěn)定性的影響

范 志 利

(中海油研究總院, 北京 100028)

根據(jù)等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則，在分析井壁巖石等效塑性應(yīng)變相對(duì)變化量與地層壓力衰減值的基礎(chǔ)上，研究穩(wěn)定井壁臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力衰減之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，井壁穩(wěn)定性隨著地層壓力的衰減而減弱，臨界生產(chǎn)壓差隨著地層壓力的衰減而減小，且臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力衰減值呈冪函數(shù)關(guān)系。針對(duì)水平井開發(fā)提出了一套井壁穩(wěn)定實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)壓差合理調(diào)整的方法。

水平井；井壁穩(wěn)定；地層壓力衰減；臨界生產(chǎn)壓差

在油氣生產(chǎn)過(guò)程中，隨著地層流體的采出，地層壓力下降，井周地層巖石的受力平衡狀態(tài)被打破，將可能誘發(fā)井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致油氣井無(wú)法正常生產(chǎn)。很多學(xué)者基于有效應(yīng)力理論，對(duì)地層孔隙壓力改變所導(dǎo)致的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究。Peter等人研究了直井眼總應(yīng)力的變化與地層壓力衰減的關(guān)系[1]。Geertsma研究了地應(yīng)力減小值與地層壓力衰減之間的關(guān)系[2]。其他研究者研究了地層孔隙壓力變化對(duì)直井、水平井鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定性的影響[3-6]， 推導(dǎo)出了壓力衰減條件下的地層破裂壓力和坍塌壓力預(yù)測(cè)公式，建立了適合壓力衰竭地層中水平井段地層破裂壓力的計(jì)算模型。以上研究主要是針對(duì)地層壓力變化對(duì)鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定的影響研究。

張傳進(jìn)等人應(yīng)用三軸應(yīng)力試驗(yàn)裝置，通過(guò)大量巖心試驗(yàn)，分析了孔隙壓力變化對(duì)巖石性質(zhì)的影響規(guī)律，建立了特定地層條件下巖石力學(xué)特性動(dòng)態(tài)計(jì)算模型[7]。樓一珊等人建立了壓力衰減條件下出砂臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型，并發(fā)現(xiàn)隨孔隙壓力衰減，臨界生產(chǎn)壓差降低[8]。劉洪等人對(duì)氣藏開采進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著氣藏壓力的衰竭，井壁穩(wěn)定性將變得越來(lái)越差，可能出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問(wèn)題[9]。目前，關(guān)于生產(chǎn)過(guò)程中地層壓力衰減對(duì)井壁穩(wěn)定和臨界生產(chǎn)壓差影響的研究多為定性描述，尚沒(méi)有更好的預(yù)測(cè)手段和方法。

本次研究針對(duì)水平井安全生產(chǎn)，以等效塑性應(yīng)變作為井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析，觀察井壁穩(wěn)定性及其對(duì)應(yīng)的臨界生產(chǎn)壓差與地層孔隙壓力之間的關(guān)系，探討在開采過(guò)程中對(duì)井壁穩(wěn)定性和臨界生產(chǎn)壓差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整的方法。

1 理論基礎(chǔ)

由等效塑性理論可知，井壁失穩(wěn)是由于井周地層受力平衡狀態(tài)被打破所導(dǎo)致。當(dāng)井壁巖石發(fā)生塑性屈服，且塑性屈服值超過(guò)井壁巖石臨界塑性屈服值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象[10]。其中，井周地層巖石發(fā)生塑性變形可依據(jù)式(1)所示的Drucker-Prager準(zhǔn)則[11]進(jìn)行判定。

J2=H1+H2×J1

(1)

式中：J1—— 應(yīng)力第一不變張量；

J2—— 應(yīng)力第二不變張量；

H1、H2—— 材料參數(shù)。

當(dāng)J2>H1+H2J1時(shí)，井壁穩(wěn)定；當(dāng)J2

根據(jù)等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則[12]，井周地層巖石進(jìn)入塑性屈服后，當(dāng)其等效塑性應(yīng)變?chǔ)舙大于巖石所允許的等效塑性應(yīng)變臨界值εc時(shí)，地層將發(fā)生破壞失穩(wěn)，可由式(2)進(jìn)行描述求解。

εp>εc

(2)

(3)

式中：εp—— 等效塑性應(yīng)變；

εc—— 等效塑性應(yīng)變臨界值；

εp1、εp2、εp3—— 主應(yīng)力方向的塑性應(yīng)變。

不同的地層巖石，具有不同的等效塑性應(yīng)變臨界值，其值通常介于0.3%～0.8%。當(dāng)?shù)貙訋r石等效塑性應(yīng)變超過(guò)這一臨界值時(shí)，地層將被破壞而出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象[12]。

在此，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，基于上述Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則和等效塑性應(yīng)變理論，開展井壁穩(wěn)定性分析。

2 水平井井壁等效塑性應(yīng)變與地層壓力衰減模型

某水平井井段垂深為5 465 m，井眼直徑為215.9 mm，原始地層孔隙壓力梯度、地應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 原始地層孔隙壓力、地應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該油藏井下巖心的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，水平井段巖石被破壞所需的臨界等效塑性應(yīng)變?chǔ)與為0.6%。因此，當(dāng)該儲(chǔ)層巖石的有效塑性應(yīng)變超過(guò)臨界值0.6 %時(shí)，井壁將被破壞而失穩(wěn)。

在生產(chǎn)壓差不變的情況下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬，分析地層孔隙壓力降低不同程度(地層壓力衰減到95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%)所對(duì)應(yīng)的等效塑性應(yīng)變。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到井壁塑性應(yīng)變相對(duì)變化量與地層壓力降低值之間的關(guān)系 。圖1所示為井壁等效塑性應(yīng)變變化量與地層壓力降低值的關(guān)系。

圖1 井壁等效塑性應(yīng)變變化量與地層壓力降低值的關(guān)系

生產(chǎn)壓差不變的情況下，井壁的等效塑性應(yīng)變隨著地層壓力的衰減而逐漸增大，即隨地層壓力的降低，井壁越容易發(fā)生剪切垮塌。該結(jié)論與周長(zhǎng)江等人對(duì)水平氣井井壁穩(wěn)定性研究的結(jié)果相一致[13]。在生產(chǎn)壓差一定的情況下，井壁巖石等效塑性應(yīng)變相對(duì)變化量隨著地層壓力的降低而增大，且兩者之間呈線性關(guān)系：

ξ=a×ω+b

(4)

式中：ξ—— 井壁巖石等效塑性應(yīng)變相對(duì)變化量；

ω—— 開采過(guò)程中的地層壓力與原始地層壓力的比值；

a、b—— 計(jì)算系數(shù)。

依據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的地層壓力判斷井壁穩(wěn)定情況時(shí)，可參考該模型。

3 水平井臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力衰減值關(guān)系模型

在油氣開采過(guò)程中，隨著地層壓力衰減，井壁穩(wěn)定性減弱，需要對(duì)臨界生產(chǎn)壓差進(jìn)行調(diào)整，以保證油氣井的安全生產(chǎn)。通過(guò)有限元數(shù)值模擬，分析不同衰減程度下的臨界生產(chǎn)壓差，得到臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力衰減值之間的關(guān)系。圖2所示為臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力衰減值的關(guān)系。

圖2 臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力衰減值的關(guān)系

可看出，隨著地層壓力的衰減，水平井臨界生產(chǎn)壓差逐漸降低，且兩者之間為冪函數(shù)關(guān)系：

Δp=m×ρn

(5)

式中：Δp—— 地層臨界生產(chǎn)壓差，MPa；

ρ—— 衰減后地層壓力所占原始地層壓力的百分比，%；

m、n—— 計(jì)算系數(shù)。

使用該模型可以根據(jù)地層壓力衰減的情況，實(shí)時(shí)調(diào)整合理的生產(chǎn)壓差。

4 實(shí)踐應(yīng)用分析

某區(qū)塊地層壓力衰減到90%和80%時(shí)，井周地層的臨界塑性應(yīng)變分別為0.002 739 7、0.003 076 1，保持井眼穩(wěn)定的臨界生產(chǎn)壓差為17、16 MPa。依據(jù)前述研究結(jié)果可得：式(4)中的常數(shù)，a=-1.596 77，b=1.737 3；式(5)中的常數(shù)，m=1.584 5，n=0.527 6。即該井井周巖石等效塑性應(yīng)變相對(duì)變化量與地層壓力衰減值的關(guān)系，以及臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力降低值之間的關(guān)系分別如式(6)和式(7)所示：

ξ=-1.596 7ω+1.737 3

(6)

Δp=1.584 5×ρ0.527 6

(7)

根據(jù)式(6)和式(7)，可分析地層壓力衰減至不同狀態(tài)時(shí)，保持井壁穩(wěn)定所需的臨界生產(chǎn)壓差。表2所示為模型計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表。

表2 模型計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，等效塑性應(yīng)變模型計(jì)算精度與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果基本一致，誤差在1%以內(nèi)，而臨界生產(chǎn)壓差模型最大誤差在6%以內(nèi)。因此，使用該方法可以分析地層壓力衰減時(shí)的井壁穩(wěn)定情況。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的地層壓力，可以實(shí)時(shí)分析井壁穩(wěn)定狀態(tài)及調(diào)整合理的生產(chǎn)壓差。

5 結(jié) 語(yǔ)

在生產(chǎn)壓差一定的情況下，井壁的等效塑性應(yīng)變隨地層壓力的衰減而增大，因此井壁的穩(wěn)定性隨著地層壓力的衰減而減弱。

井壁等效塑性應(yīng)變相對(duì)變化量與地層孔隙壓力具有較好的相關(guān)性。在當(dāng)前分析條件下，生產(chǎn)壓差一定時(shí)，井壁等效塑性應(yīng)變的變化量與地層孔隙壓力降低值呈線性關(guān)系。

臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力具有較好的相關(guān)性。當(dāng)前分析條件下，臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力衰減呈冪函數(shù)關(guān)系。運(yùn)用該方法，可以結(jié)合生產(chǎn)測(cè)井資料對(duì)油氣開采過(guò)程中的井壁穩(wěn)定情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，合理調(diào)整井底生產(chǎn)壓差，計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果誤差小。

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Effect of Formation Pressure Decay on Wellbore Stability in Horizontal Wells

FANZhili

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

According to the criterion of equivalent plastic strain, the relationship between critical drawdown pressure and formation pressure attenuation is studied based on the analysis of the relationship between the relative variation of wall equivalent plastic strain and the reduced value of formation pressure. The results show that borehole stability decreases with the formation pressure decay and critical production pressure difference weakens with the formation pressure decay; and the critical production pressure difference and formation pressure decay values have power function relationship. At the same time, a method is provided for horizontal well to monitor the status of borehole stability and adjust the appropriate critical drawdown pressure.

horizontal well; wellbore stability; formation pressure decay; critical drawdown pressure

2016-10-15

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“西非、亞太及南美典型油氣田開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究” (2011ZX05030-005)

范志利(1981 — )，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殂@完井技術(shù)。

TE243

A

1673-1980(2017)02-0051-03