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      儲層壓力衰竭對安全泥漿密度窗口的影響

      2018-11-15 03:24:12
      關(guān)鍵詞:斜角井眼主應力

      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。

      1 壓力衰竭對地應力的影響

      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。

      2 壓力衰竭對井壁穩(wěn)定性的影響

      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

      3 結(jié) 論

      (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。

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