劉 陽
(中海油天津分公司, 天津 300459)
在油氣開采過程中,烴類流體不斷從儲層中采出,油藏內(nèi)部的孔隙壓力會因此而降低,若外界沒有任何補給壓力,地層壓力發(fā)生衰竭就是必然的。油藏壓力衰竭會促使巖石顆粒承受的應力增加,從而導致儲層結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。這種儲層結(jié)構(gòu)的變形,微觀表現(xiàn)為孔隙度、滲透率、孔喉毛管壓力以及流體滲流特性的變化等;宏觀表現(xiàn)為壓實度的變化和出現(xiàn)地面沉降、套管變形以及地層滑移、裂縫閉合與再生等現(xiàn)象。因此,鉆遇壓力衰竭區(qū)域的地層,需要合理評估地層坍塌壓力、破裂壓力的變化情況,從而優(yōu)化鉆井的安全泥漿密度窗口,合理設計井眼軌跡,以預防發(fā)生井壁坍塌、漏失等復雜事故。
對由于孔隙壓力變化而產(chǎn)生的應力變化,相關(guān)文獻介紹了多種計算方法。其中,常用的是彈性解析方程法[1-3]。這種方法將儲層看作均質(zhì)各向同性線彈性體,并假設地層壓力的變化只引起地層的垂向變形,地層主應力變化與地層壓力變化之間的關(guān)系如式(1)所示。
(1)
式中:Δσ—— 水平主應力變化量,MPa;
Δp—— 地層壓力變化量,MPa;
v—— 地層巖石泊松比;
α——有效應力系數(shù)。
對于構(gòu)造運動平緩區(qū)域,考慮地質(zhì)構(gòu)造作用,則地層水平主應力可用下列公式[4-6]計算。
(2)
(3)
(4)
(5)
式中:σv、σH、σh—— 壓力衰竭前的垂直、最大和最小水平主應力,MPa;
ω1、ω2—— 構(gòu)造應力系數(shù)。
假設:井深為2 500 m,σv=49.9 MPa,pp=25.2 MPa,ω1=0.48,ω2=0.27,v=0.25。改變α和Δp值,按上述方法,探索水平最大和最小地層應力的變化規(guī)律,結(jié)果如圖1和圖2所示。
圖1 最大水平地應力變化規(guī)律
圖2 最小水平地應力變化規(guī)律
由圖1和圖2可知,隨著地層壓力的衰竭,最大和最小水平地應力呈遞減趨勢,壓力衰竭程度越大,地應力降低值越大;有效應力系數(shù)越大,地應力下降速率越大。
假設巖石為線彈性、均質(zhì)、各向同性材料,不考慮滲流的影響。井周應力分布參見圖3[8],(x′,y′,z′)為地應力的直角坐標系;(x,y,z)為井眼軸線坐標系;α、β、θ分別為井斜角、方位角、井周角。
井眼柱坐標系下井壁圍壓應力分布,可用下列公式[8-9]計算。
(6)
圖3 定向井應力轉(zhuǎn)化示意圖
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
式中:σxx1、σyy1、σzz1、σxy、σzy、σyz、σxz—— 由井眼和作用在井眼壁上邊界條件所引起的應力分量;
σr—— 井眼柱坐標下的總正應力,MPa;
σθ、σz—— 井眼柱坐標下的剪應力,MPa;
R—— 井眼半徑,m。
鉆井液密度過低,液柱壓力不能有效支撐井壁而發(fā)生坍塌破壞。通常利用Mohr-Coulumb準則進行判斷,用式(12)[10]計算坍塌壓力。當鉆井液密度過高,井壁應力超過地層抗拉強度而發(fā)生破裂。采用單軸抗拉強度準則進行判斷,用式(13)計算破裂壓力。
(σ1-αpp)≥(σ3-αpp)·
(12)
(σ3-αpp)≤-St
(13)
式中:σ1、σ3—— 井壁最大和最小主應力,MPa;
σc—— 地層單軸抗壓強度,MPa;
φ—— 內(nèi)摩擦角;
St—— 地層單軸抗拉強度。
以某油田為例。σH=44.3 MPa,σh=38.1 MPa,α=0.8,φ=33.5°,σc=18.6 MPa,最大主應力方位N60°E,其他參數(shù)如前所述。考慮地層壓力衰竭,按上述方法計算,得沿鉆井方位N150°E的坍塌壓力、破裂壓力的變化情況及泥漿安全密度窗口允值(見圖4至圖6)。
圖4 沿N150°E方位壓力衰竭后的坍塌壓力變化
圖5 沿N150°E方位壓力衰竭后的破裂壓力變化
圖6 N150°E方位壓力衰竭后的安全密度窗口允值
由圖4至圖6可知:在水平最小地應力方位,隨著地層壓力衰竭,坍塌壓力降低,而破裂壓力在井斜角30°—45°范圍以外也降低,且降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大。當井斜角小于30°時,隨著地層壓力衰竭,安全泥漿密度窗口變寬,安全密度允值隨壓力衰減程度增大而增大;當井斜角大于45°時,隨著地層壓力衰竭,安全泥漿密度窗口變窄,安全密度允值隨壓力衰減程度增大而減小。隨著井斜角的增大,坍塌壓力逐漸升高,破裂壓力逐漸降低,安全鉆井液密度窗口逐漸收縮。
以同樣的方法,計算分析了地層壓力衰竭50%時可能發(fā)生的情況。當?shù)貙訅毫λソ?0%時,定向井井壁失穩(wěn)風險的分布,如圖7、圖9所示。將此時的坍塌壓力、破裂壓力與在原始地層壓力時的坍塌壓力、破裂壓力進行對比,其變化規(guī)律如圖8、圖10所示。
圖7 地層壓力衰竭50%后坍塌壓力風險分布
圖8 地層壓力衰竭前后的坍塌壓力變化百分比
由圖7至圖10可知:地層壓力衰竭50%以后,坍塌壓力、破裂壓力都會降低。地層壓力衰竭程度一定的情況下,井斜角小于30°時,沿任何方位鉆井,對應坍塌壓力的降低幅度大于20%,而破裂壓力降低幅度小于10%;當井斜角大于45°時,各方位對應的坍塌壓力降低幅度約12%,而水平最大主應力方位對應的破裂壓力降低幅度,大于水平最小主應力方位對應的破裂壓力降低幅度,超過16%。這說明,地層壓力衰竭后,水平最大主應力方位的安全泥漿密度窗口變窄程度,大于水平最小主應力方位的安全泥漿密度窗口。因此,大斜度井或水平井鉆進時,沿水平最小地應力方向的鉆井,是相對比較安全的。
圖9 地層壓力衰竭50%后破裂壓力風險分布
圖10 地層壓力衰竭前后的破裂壓力變化百分比
(1) 地層壓力衰竭將導致地層水平地應力降低,有效應力系數(shù)影響地應力降低幅度。當?shù)貙訅毫λソ叩揭欢ǔ潭?,有效應力系?shù)越大,地應力下降就越顯著。
(2) 隨著地層壓力衰竭,坍塌壓力會降低,其降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大;破裂壓力在某特定井斜角范圍外會遞減,其降低幅度隨壓力衰竭程度的增大而增大。
(3) 隨著地層壓力衰竭,當井斜角小于某區(qū)間時,安全泥漿密度窗口變寬,安全密度允值隨壓力衰減程度增大而增大;當井斜角大于該區(qū)間時,坍塌壓力逐漸升高,破裂壓力逐漸降低,安全泥漿密度窗口變窄,安全密度允值隨壓力衰減程度增大而減小。
(4) 在壓力衰竭地層鉆定向井時,井斜角應避開安全密度窗口較窄的范圍,以小井斜井為宜;大斜度或水平井鉆井,應朝最小水平主應力方位鉆進。