過斷層井段井壁穩(wěn)定性分析*

林 海 許 杰 幸雪松 范白濤 鄧金根 張羽臣 王桂萍 王曉鵬

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300451; 2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室 北京 102249)

過斷層井段井壁穩(wěn)定性分析*

林 海1許 杰1幸雪松1范白濤1鄧金根2張羽臣1王桂萍1王曉鵬1

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300451; 2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室 北京 102249)

考慮斷層周圍地層非均質(zhì)性和各向異性，根據(jù)弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析了地層各向異性對地應(yīng)力的影響，探討了井壁坍塌壓力隨斷層走向及傾角的變化規(guī)律，建立了過斷層的坍塌壓力計算模型，開展了不同性質(zhì)斷層構(gòu)造坍塌壓力分析，結(jié)果表明：隨著Eh/Ev、vv/vh值的增大，水平最大應(yīng)力、水平最小應(yīng)力增加，過斷層應(yīng)考慮地層各向異性對地應(yīng)力的影響；不同的斷層類型、斷層走向及傾角所對應(yīng)的坍塌壓力存在差異性，且不存在單調(diào)遞增或遞減的井斜方位，安全區(qū)域和危險區(qū)域交替出現(xiàn)；井眼軌跡設(shè)計應(yīng)考慮斷層類型及弱面結(jié)構(gòu)，選擇合理的鉆入角鉆穿斷層。將本文預(yù)測模型用于渤海油田A井取得了良好工程效果，井眼擴(kuò)大率基本小于10%。本文研究結(jié)果對過斷層時鉆井安全具有指導(dǎo)意義，可為井眼軌跡設(shè)計提供理論參考。

過斷層井段；地應(yīng)力；橫觀各向同性；坍塌壓力；井壁穩(wěn)定性

由于受到多期構(gòu)造運(yùn)動和晚期改造作用的影響，渤海海域斷層發(fā)育，以正斷層和走滑斷層為主[1-2]。地層巖石沿斷層破裂面發(fā)生位移，斷層軟弱面(帶)的存在使其周圍巖石力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異[3-4]，會表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性、各向異性，巖石宏觀強(qiáng)度顯著下降，在斷層、剪切帶、不整合面等附近的局部應(yīng)力與區(qū)域應(yīng)力不同。因此，地應(yīng)力的大小與方向、斷層周圍弱結(jié)構(gòu)面的方位與傾角等是渤海海域過斷層井段井眼軌跡設(shè)計及井壁穩(wěn)定性研究中應(yīng)考慮的重要因素[5]。

鉆井作業(yè)中鉆遇斷層時常發(fā)生復(fù)雜情況，斷層附近巖石受斷層面滑移、拖曳、摩擦的影響形成破碎帶，起下鉆常出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象，巖石碎塊間的裂縫具有滲透性， 鉆井液進(jìn)入易發(fā)生井下漏失。地應(yīng)力是決定區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要因素，井壁穩(wěn)定性主要取決于圍巖巖性、結(jié)構(gòu)特性、地應(yīng)力[6]。筆者通過研究斷層對區(qū)域地應(yīng)力影響，探討不同斷層構(gòu)造條件下井壁坍塌壓力隨斷層區(qū)域弱面產(chǎn)狀變化的規(guī)律，重點(diǎn)分析過斷層區(qū)域井壁穩(wěn)定性，確定不同斷層類型下定向井鉆井的最佳鉆入方式和安全鉆井液密度，預(yù)防井壁坍塌等井壁失穩(wěn)問題。

1 過斷層地應(yīng)力計算模型

1.1 斷層周圍的應(yīng)力方位

渤海海域構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，斷層附近地應(yīng)力方位的分布復(fù)雜，表現(xiàn)為與區(qū)域地應(yīng)力方位不一致，且與斷層呈一定夾角，而遠(yuǎn)離斷層區(qū)塊的主應(yīng)力方位與區(qū)域主應(yīng)力一致。

非滲透性斷層將地層分成2個部分，其附近水平地應(yīng)力方位的偏轉(zhuǎn)角度可通過下式計算[7]：

(1)

其中

(2)

(3)

1.2 過斷層地應(yīng)力的計算

地層巖石的物理特性、力學(xué)特性、地層壓力等方面的差別造成地應(yīng)力分布存在差異性。常規(guī)地應(yīng)力定量計算基本基于均質(zhì)各向同性模型，但過斷層地應(yīng)力的計算應(yīng)考慮地層非均質(zhì)性和各向異性。Thiercelin在各向同性地應(yīng)力模型的基礎(chǔ)上考慮了地層各向異性，提出了橫觀各向同性地層地應(yīng)力計算模型為[8]

(4)

式(4)中：σv為上覆巖層壓力，MPa；Eh、Ev分別為橫向地層彈性模量和垂向地層彈性模量，GPa；vh、vv分別為橫向泊松比和垂向泊松比，無量綱；pp為孔隙壓力，MPa；為滲流系數(shù)，通常取0；εH、εh分別為水平最大構(gòu)造應(yīng)變、水平最小構(gòu)造應(yīng)變，無量綱；其余參數(shù)含義同前。

假設(shè)井深2 500 m，取σv=55 MPa，pp=26 MPa，Ev=12 GPa，vh=0.125，α=0.8，εH=0.000 4,εh=0.000 2,分別改變Eh/Ev與vv/vh值，研究地層各向異性對地應(yīng)力的影響，結(jié)果如圖1、2所示。

從圖1、2可看出，隨著Eh/Ev及vv/vh值的增大，水平應(yīng)力增加。vv/vh=1、Eh/Ev=3時的值大致是各向同性地層(Eh/Ev=1)條件下的σH/σh值的3倍，即平均增加約200%；Eh/Ev=1、vv/vh=3時的σH、σh值比各向同性地層(vv/vh=1)條件下的σH、σh值分別增加約123%和97%，因此過斷層時須考慮地層各向異性對地應(yīng)力的影響。

圖1 地層各向異性對水平最大地應(yīng)力的影響Fig.1 The influence of formation anisotropy on horizontal maximum stress

圖2 地層各向異性對水平最小地應(yīng)力的影響Fig.2 The influence of formation anisotropy on horizontal minimum stress

2 過斷層坍塌壓力計算模型

2.1 模型建立

如圖3所示，選取直角坐標(biāo)系(1，2，3)，各坐標(biāo)軸分別與σH、σh、σv方向一致，以直角坐標(biāo)系(1，2，3)中的3軸為中心軸，根據(jù)右手法則旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)化為(x1,y1,z1)坐標(biāo)系;然后以坐標(biāo)系(x1,y1,z1)中的y1為中心軸，根據(jù)右手法則旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)化為斜井眼坐標(biāo)系(x,y,z)。通過在地應(yīng)力坐標(biāo)系(1，2，3)和斜井眼坐標(biāo)系(x,y,z)之間進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以得到地層主應(yīng)力在斜井眼坐標(biāo)系下應(yīng)力的分析，進(jìn)而得到斜井眼井周巖石應(yīng)力計算公式為

圖3 斜井井周應(yīng)力轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 Coordinate transformation sketch of directional well

(5)

(6)

式(5)、(6)中：σij為井眼應(yīng)力分量，MPa；i、j分別表示x、y、z方向；α、β分別為井斜角、井斜方位角，(°)；θ為井周角，(°)；ω0為水平最大地應(yīng)力與大地正北方向的夾角(北轉(zhuǎn)西為正)，(°)；ω1為井眼軸線在水平面投影與正北方向的夾角，(°)；β=ω0-ω1。

各向異性地層的本構(gòu)方程可表示為

{ε}=[A][σ]

(7)

式(7)中：[A]為柔度矩陣。

把過斷層的地層看成橫觀各向同性地層，其應(yīng)變分量和應(yīng)力之間的本構(gòu)方程表達(dá)式為[9]

(8)

斷層弱面發(fā)育地層沿弱面發(fā)生剪切破壞，其表達(dá)式為[10-11]

(9)

把過斷層的井壁穩(wěn)定問題看成平面應(yīng)變問題，對應(yīng)的平衡方程、井壁應(yīng)力邊界條件、幾何方程分別為

σij,j+fi=0

(10)

σr=pw

(11)

(12)

-αppδij

(13)

2.2 不同斷層構(gòu)造下坍塌壓力分析

Anderson依據(jù)3個主地應(yīng)力σv、σH、σh的相對大小，把斷層性質(zhì)分為3類[11]：正斷層，3個主地應(yīng)力的相對大小為σv>σH>σh；逆斷層，3個主地應(yīng)力的相對大小為σH>σh>σv；走滑斷層，3個主地應(yīng)力的相對大小為σH>σv>σh。假設(shè)井深3 000 m，計算參數(shù)如表1所示，不同類型斷層構(gòu)造下坍塌壓力風(fēng)險分布如圖4～6所示。

由圖4可以看出，對于正斷層控制區(qū)域，水平最大地應(yīng)力方位的坍塌壓力高于水平最小地應(yīng)力方位的坍塌壓力，斷層走向與水平最大地應(yīng)力近乎一致時沿著近水平最小地應(yīng)力方位鉆井較為安全。在σh方位鉆進(jìn)，斷層傾角60°時井斜角在50°～65°范圍內(nèi)鉆井不安全，因此該方位的小斜度或大井斜(水平井)最為安全；在σH方位鉆進(jìn)，斷層傾角45°～75°且斷層走向與水平最大地應(yīng)力夾角45°范圍內(nèi)坍塌壓力較高，坍塌失穩(wěn)風(fēng)險大，因此該方位直井較為安全。

由圖5可以看出，對于逆斷層控制區(qū)域，水平最小地應(yīng)力方位的坍塌壓力高于水平最大地應(yīng)力方位的坍塌壓力，斷層走向與水平最小地應(yīng)力方位近乎一致時沿著水平最大地應(yīng)力方位鉆井較為安全。在σH方位鉆進(jìn)，斷層傾角低于30°時井斜角小于30°鉆井不安全，因此該方位中等井斜角以上鉆井最優(yōu)；在σh方位鉆進(jìn)，斷層傾角30°～75°且斷層走向與水平最小地應(yīng)力夾角70°范圍內(nèi)坍塌壓力較高，坍塌失穩(wěn)風(fēng)險大，該方位直井或者水平井較為安全。

由圖6可以看出，對于走滑斷層控制區(qū)域，斷層傾角低于40°時水平最大地應(yīng)力方位的坍塌壓力高于水平最小地應(yīng)力方位的坍塌壓力，斷層走向與水平最大地應(yīng)力近乎一致時沿著近水平最小地應(yīng)力方位鉆井較為安全。在斷層傾角30°～60°且斷層走向任意方位鉆進(jìn)時，對應(yīng)的坍塌壓力都較高；在σh方位鉆進(jìn)，井斜角在30°～60°范圍內(nèi)鉆井不安全，該方位的小斜度或大井斜(水平井)最為安全；在σH方位鉆進(jìn)，井斜角在15°～60°范圍內(nèi)坍塌失穩(wěn)風(fēng)險大，該方位水平井較為安全。

表1 不同斷層構(gòu)造下坍塌壓力計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of collapse pressure under different fault styles

圖4 過正斷層井壁失穩(wěn)風(fēng)險圖Fig.4 Risk map of wellbore stability through normal fault

圖5 過逆斷層井壁失穩(wěn)風(fēng)險圖Fig.5 Risk map of wellbore stability through reverse fault

圖6 過走滑斷層井壁失穩(wěn)風(fēng)險圖Fig.6 Risk map of wellbore stability through strike-slip fault

3 應(yīng)用實例

渤海油田受正斷層控制的A井預(yù)測在井深1 830 m、垂深1 680 m鉆遇斷層，斷層走向為N85°E。鄰井在鉆穿斷層井段出現(xiàn)井壁掉塊而頻繁卡鉆，后期現(xiàn)場采取了提高鉆井液密度等措施，但斷層區(qū)域又出現(xiàn)漏失。利用本文研究成果對A井的安全鉆井液密度窗口進(jìn)行了重新設(shè)計。根據(jù)該區(qū)域鄰井測井資料，計算得到同垂深處A井的地層參數(shù)如下：σv=36 MPa，σH=28 MPa，σh=20 MPa，pp=16.98 MPa，Eh=24 GPa，Ev=12 GPa，vh=0.125，vv=0.25，水平最大地應(yīng)力方位N75°E。A井井眼軌跡鉆穿斷層時，井斜角為57.02°～61.93°，井斜方位角為54.83°～58.88°。采用本文各向異性模型對A井過斷層坍塌壓力進(jìn)行分析，依據(jù)相關(guān)參數(shù)得到該井過斷層時的坍塌壓力隨井斜-方位變化圖，如圖7所示。

圖7 A井坍塌壓力隨井斜-方位變化圖Fig.7 Diagram of collapse pressure of Well A changing with hole deviation and azimuth

從圖7可以看出，在井斜方位角與斷層走向夾角30°以內(nèi)、近水平最大主應(yīng)力方位及井斜角在57°～61°時，A井坍塌壓力值為1.35～1.40 g/cm3。A 井鉆遇斷層最初鉆井液密度設(shè)計值較低，為1.22～1.30 g/cm3，井壁坍塌可能性大。依據(jù)本文強(qiáng)度準(zhǔn)則，計算A井過斷層井段的安全鉆井液密度窗口如圖8所示。

圖8 A井過斷層安全鉆井液密度窗口Fig.8 Safe drilling fluid density window of Well A through normal fault

根據(jù)圖8結(jié)果，為保證鉆穿斷層時既不發(fā)生井壁坍塌又不出現(xiàn)復(fù)雜井漏，A井過斷層時鉆井液密度設(shè)定為1.40 g/cm3，現(xiàn)場嚴(yán)格控制密度值，最終安全鉆穿斷層。A井最終完井電測結(jié)果與鄰井進(jìn)行對比，如圖9所示。由圖9可以看出，A井經(jīng)過斷層井段的井眼擴(kuò)大率不嚴(yán)重，井眼擴(kuò)大率基本小于10%，最大井眼擴(kuò)大率15.16%；而鄰井B井和C井的井眼擴(kuò)大率普遍在15.00%～33.05%，最大井眼擴(kuò)大率為45.00%，說明本文提出的模型取得了良好的工程應(yīng)用效果。

圖9 A井及鄰井電測井徑曲線圖Fig.9 Electric logging caliper curves of Well A and adjacent wells

4 結(jié)論

1) 地層彈性模量、泊松比的各向異性對地應(yīng)力值有較大影響，對過區(qū)域斷層地應(yīng)力分析應(yīng)考慮地層各向異性。

2) 不同斷層對應(yīng)的坍塌失穩(wěn)風(fēng)險分布存在差異，應(yīng)根據(jù)斷層的走向、傾角以及弱面結(jié)構(gòu)的存在范圍，同時考慮井斜角和井斜方位角合理確定鉆井液密度，找到最佳的鉆進(jìn)方案，盡量避開鉆穿該斷層危險區(qū)域。

[1] 余一欣，周心懷，湯良杰，等.渤海海域遼東灣坳陷正斷層聯(lián)接及其轉(zhuǎn)換帶特征[J].地質(zhì)論評，2009,55(1)：79-84.YU Yixin,ZHOU Xinhuai,TANG Liangjie,et al.Linkages of normal faults and transfer zones in the Liaodongwan depression,offshore Bohai Bay basin[J].Geological Review,2009,55(1):79-84.

[2] 許浚遠(yuǎn)，楊東勝，陳國童.渤海灣盆地鏟形正斷層及其次級斷層組合成因[J].石油勘探與開發(fā)，1996,23(5)：37-39.XU Junyuan,YANG Dongsheng,CHEN Guotong.Genesis of a variety of listric faults and their reversed branch faults in Bohai Gulf basin,east China[J].Petroleum Exploration and Development,1996,23(5):37-39.

[3] 宋國奇，劉克奇.斷層兩盤裂縫發(fā)育特征及其石油地質(zhì)意義[J].油氣地質(zhì)與采收率，2009,16(4)：1-3.SONG Guoqi,LIU Keqi.Fracture characteristics around faults and their significance in petroleum accumulation[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2009,16(4):1-3.

[4] 程遠(yuǎn)方,沈海超,趙益忠,等.復(fù)雜斷塊構(gòu)造的地應(yīng)力場研究——以海拉爾盆地貝爾凹陷希3斷塊為例[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008,23(5):15-20.CHENG Yuanfang,SHEN Haichao,ZHAO Yizhong,et al.Study on the earth stress field in complex fault block—taking Xi-3 fault block in Beier Sag,Hailaer Basin as an example[J].Journal of Xi’an Shiyou University(Natural Science Edition),2008,23(5):15-20.

[5] 阮彥晟.斷層附近應(yīng)力分布的異常和對地下工程圍巖穩(wěn)定的影響[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.RUAN Yansheng.Abnormal stress distribution near the fault and influence on the stability of surrounding rock of underground engineering[D].Jinan:Shandong Univeristy,2005.

[6] 鄧金根,程遠(yuǎn)方,陳勉,等.井壁穩(wěn)定預(yù)測技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[7] THIERCELIN M J,PLUMB R A.A core-based prediction of lithologic stress contrasts in East Texas formations[J].SPE Formation Evaluation,1994,9(4):251-258.

[8] AADNOY B S.Continuum mechanics analysis of the stability of boreholes in anisotropic rock formations[D].Norway:Norwegian Institute of Technology University of Trondheim,1987.

[9] 溫航，陳勉，金衍，等.硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩(wěn)定性耦合研究[J].石油勘探與開發(fā)，2014,41(6)：748-754.WEN Hang,CHEN Mian,JIN Yan,et al.A chemo-mechanical coupling model of deviated borehole stability in hard brittle shale[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(6):748-754.

[10] 閆傳梁，鄧金根，蔚寶華，等.頁巖氣儲層井壁坍塌壓力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013,32(8)：1595-1602.YAN Chuanliang,DENG Jingen,YU Baohua,et al.Research on collapsing pressure of gas shale[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(8):1595-1602.

[11] 王珂，戴俊生.地應(yīng)力與斷層封閉性之間的定量關(guān)系[J].石油學(xué)報，2012,33(1)：74-81.WANG Ke,DAI Junsheng.A quantitative relationship between the crustal stress and fault sealing ability[J].Acta Petrolei Sinica,2012,33(1):74-81.

(編輯：孫豐成)

Study on wellbore stability of well sections through a fault

LIN Hai1XU Jie1XING Xuesong1FAN Baitao1DENG Jingen2ZHANG Yuchen1WANG Guiping1WANG Xiaopeng1

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300451,China; 2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Taking into account formation heterogeneity and anisotropy around a fault, and based on the weak surface strength criterion, the influence of the formation anisotropy on in-situ stresses was analyzed, and the changing pattern of the borehole collapse pressure with the fault strike and dipping angle was discussed.Furthermore a model for calculating the collapsing pressure through faults was established and the collapsing pressure analyzed.The results show that maximum and minimum horizontal stresses increase with the increasing values ofEh/Evandvv/vh, so the influence of formation anisotropy on in-situ stresses should be considered when the hole section cuts through a fault.Collapse pressures corresponding to different fault types, fault strikes or dip angles are different, and there is no inclination azimuth where collapse probability is monotonically increasing or decreasing; safe area and dangerous area occur alternately.Fault types and the weak surface structure should be considered in well trajectory designs, with the fault being drilled through at the reasonable angle.The prediction model developed here was applied to Well A in Bohai oilfield, achieving sound engineering effects, with the hole enlargement being generally less than 10%.The results of this paper have a guiding significance for drilling safety through faults, which can provide theoretical reference for designing wellbore trajectories.

well section through fault; in-situ stress; transverse isotropy; collapse pressure; wellbore stability

*中海石油(中國)有限公司綜合科研項目“多元熱流體、蒸汽吞吐和SAGD先導(dǎo)試驗關(guān)鍵技術(shù)研究(編號：YXKY-2013-TJ-01)”部分研究成果。

林海，男，助理工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事巖石力學(xué)與井壁穩(wěn)定方面的研究工作。地址：天津市塘沽區(qū)海川路2121號渤海石油管理局B座(郵編：300451)。E-mail：linhai2007021317@sina.com。

1673-1506(2017)01-0110-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.017

林海,許杰,幸雪松，等.過斷層井段井壁穩(wěn)定性分析[J].中國海上油氣，2017,29(1)：110-115.LIN Hai,XU Jie,XING Xuesong,et al.Study on wellbore stability of well sections through a fault[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):110-115.

TE21

A

2016-02-19 改回日期：2016-05-01