楊謀 孟英峰 李皋 李永杰 魏納 王廷民,2 閻凱

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)2.中國石油塔里木油田公司博士后流動(dòng)站 3.中國石油塔里木油田公司

合理的井底壓差設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析

楊謀1孟英峰1李皋1李永杰1魏納1王廷民1,2閻凱3

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)2.中國石油塔里木油田公司博士后流動(dòng)站 3.中國石油塔里木油田公司

鉆井施工中,合理的井底壓差可以達(dá)到提速增效和保護(hù)儲(chǔ)層的目的。為此,應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、巖石破碎學(xué)理論研究了不同壓差下井底應(yīng)力場分布及巖石變形狀況。結(jié)果表明,與正壓差相比,在負(fù)壓差鉆井條件下更利于井底巖石破碎,提高機(jī)械鉆速。但井底壓差不能無限制地降低,需要結(jié)合具體井位的地質(zhì)和工程特征,在保證不發(fā)生溢流和井壁垮塌的前提下,將井底壓差設(shè)計(jì)在一個(gè)合理的范圍值內(nèi):在滲透性地層鉆井時(shí),靜液柱壓力小于地層孔隙壓力時(shí),地層流體將流入井筒,這時(shí)設(shè)計(jì)的最低液柱壓力應(yīng)略高于地層孔隙壓力(約0.02 MPa)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,井底壓差在合理的范圍內(nèi)越小時(shí),機(jī)械鉆速越高。

井底壓差 機(jī)械鉆速 井底應(yīng)力 巖石力學(xué) 破巖效率 井壁穩(wěn)定

鉆井施工中,合理的井底壓差可以達(dá)到提速增效和保護(hù)儲(chǔ)層的目的。這兩大優(yōu)點(diǎn)中,“提速增效”主要體現(xiàn)在大段非儲(chǔ)層井段的應(yīng)用、通過提高機(jī)械鉆速,延長鉆頭壽命,還通過克服井漏,減少壓差粘附卡鉆來達(dá)到提速、增效、降低成本的目的?！氨Ｗo(hù)儲(chǔ)層”,在勘探鉆井中有利于發(fā)現(xiàn)油氣層,評(píng)價(jià)油氣層;在開發(fā)鉆井中有利于提高單井產(chǎn)量,提高最終采收率。

1 壓差對(duì)巖石及鉆井效率的影響

關(guān)于降低液柱壓力或減少過平衡壓差提速的機(jī)理,早在20世紀(jì)50年代開始從事室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究去揭示其內(nèi)在規(guī)律,所有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的統(tǒng)一結(jié)論是:對(duì)所有巖石類型,減少過平衡壓差或者液柱壓力,都可以大幅度地提高鉆速。其原因歸結(jié)于兩方面:①增加井底壓差會(huì)使巖石的抗破碎強(qiáng)度和塑性增加,導(dǎo)致鉆頭的破碎效率下降;②壓差越大對(duì)井底巖屑產(chǎn)生壓持效應(yīng)越顯著,清除巖屑效率越差,增加了鉆頭重復(fù)切削的機(jī)會(huì),導(dǎo)致鉆速下降[1]。

1.1 井底巖石的破碎強(qiáng)度

巖石的破碎強(qiáng)度是隨圍壓的變化而改變的。巖石強(qiáng)度極限隨著圍壓的增大而增大,只是不同巖石種類有不同的增長速率。鉆井過程中,鉆井液密度越大,井底液柱壓力就越大,巖石的破碎強(qiáng)度就越大,地層就越難破碎;反之相反。因此,在鉆井中盡可能減少井底壓力有利于降低巖石強(qiáng)度、提高鉆速。而降低井底液柱壓力的極限狀態(tài)就是氣體鉆井。

1.2 巖石的塑脆性

在鉆井過程中鉆頭牙齒對(duì)巖石的沖壓作用,希望得到的是脆性破壞,不希望只是得到一個(gè)壓入的塑性坑,而沒有體積破壞。巖石塑脆性也不是固有不變的,是隨著圍壓的增大而增大[2](圖1)。這種增加不是隨圍壓的連續(xù)變化,而存在一個(gè)明顯的塑脆性轉(zhuǎn)化點(diǎn):當(dāng)圍壓低于此點(diǎn),巖石成脆性;當(dāng)圍壓高于此點(diǎn),巖石呈塑性。鉆井時(shí)最好能將液柱壓力降低到塑脆性轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下,使巖石呈脆性破碎,則可較大幅度提高鉆速。

1.3 井底巖石的應(yīng)力狀態(tài)

巖層在原始埋藏狀態(tài)下,有原始地應(yīng)力場。對(duì)構(gòu)造平緩地帶,最大主應(yīng)力σ1為上覆巖層的壓力,兩個(gè)水平主應(yīng)力σ2、σ3常為最大主應(yīng)力的30%至50%。當(dāng)?shù)貙颖唤议_導(dǎo)致地應(yīng)力分布發(fā)生變化,如果井筒內(nèi)鉆井液密度較高,則二次應(yīng)力場的最大主應(yīng)力(σ1)仍是垂向。如果采用鉆井液密度較低,當(dāng)液柱壓力低到一定程度時(shí),σ1、σ2、σ3的方向就會(huì)發(fā)生變化:最大主應(yīng)力(σ1)會(huì)成為水平方向,垂向液柱壓力或?yàn)棣?或?yàn)棣?,這種應(yīng)力場是有利于井底表面破碎的。如果采用氣體鉆井,液柱壓力幾乎為零,垂向應(yīng)力一定是σ3(而且?guī)缀鯙榱?,σ1、σ2為水平主應(yīng)力,這種情況是有利于井底表面破碎的[1]。

圖1 巖石的脆—塑性變化圖

圖2 鉆井液鉆井的合應(yīng)力圖

圖3 氣體鉆井的合應(yīng)力圖

圖4 鉆井液鉆井的軸向應(yīng)力圖

圖5 氣體鉆井的軸向應(yīng)力圖

用ANSYS有限元軟件模擬了井深3 000 m鉆井液鉆井和氣體鉆井的地層地應(yīng)力(規(guī)定拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)),從圖2、3可以看出,氣體鉆井時(shí)井底巖石應(yīng)力值比鉆井液鉆井時(shí)井底巖石的應(yīng)力值要小很多,比如圖3中氣體鉆井時(shí)井底巖石的應(yīng)力最小值只有8.756 M Pa,而鉆井液鉆井時(shí),井底巖石的應(yīng)力最小值約22.94 M Pa。根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的氣體鉆井時(shí)井底巖石是處于低應(yīng)力狀態(tài),此條件下的巖石的強(qiáng)度和塑性均比較小,比較容易破壞。從圖4、5分析垂直于井底方向的應(yīng)力,鉆井液鉆井時(shí)井底為壓應(yīng)力,氣體鉆井時(shí),井底巖石受到沿井眼軸向向上的拉應(yīng)力,井底中心的拉應(yīng)力大小為14.28 M Pa,逐漸向外圍擴(kuò)大,井壁處的拉應(yīng)力為0.647 M Pa。這拉應(yīng)力有“拉斷巖石,使井底巖石跳離井底”的趨勢。

1.4 地層孔隙壓力對(duì)破巖效率的影響

無論是滲透性地層,還是非滲透性地層,負(fù)壓差有利孔隙壓力的釋放,都有利于破碎裂紋擴(kuò)展和井底凈化[3]。

對(duì)滲透性地層,地層內(nèi)飽和的流體可以流動(dòng)(圖6)。負(fù)壓差條件下向外流動(dòng)的流體將破碎巖屑浮起,推離井底,避免了重復(fù)破碎和產(chǎn)生更多的微粒。在正壓差條件下,正壓差下向地層內(nèi)的滲流失水,首先將巖屑?jí)涸诰?之后迅速形成淺層濾餅,不但將巖屑緊緊壓在井底,造成巖屑的二次破碎,而且造成液柱壓力與孔隙壓力之差值集中作用于井底薄層,形成該層的集中應(yīng)力。

圖6 負(fù)壓差與正壓差條件下的井底凈化示意圖

飽和有束約流體的極低滲透巖石,如泥頁巖,表現(xiàn)為不滲透特性,但仍然有孔隙壓力,只是在較小的壓差作用下孔隙流體不可流動(dòng),呈束縛態(tài)。此時(shí)負(fù)壓差條件下的孔隙壓力相當(dāng)于多孔介質(zhì)巖石內(nèi)部的內(nèi)張力,這個(gè)內(nèi)張力促使壓入齒周圍裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展,促使破碎的巖屑崩離井底。而在正壓差條件下,則正壓差作用在井底,使巖石骨架受壓縮,既不利于壓入齒周圍裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展,也不利于破碎的巖屑脫離井底。

1.5 消除了固相微粒對(duì)鉆速的影響

在正壓差情況下,由于巖屑重復(fù)破碎和礦物的水相分散,鉆井液中微米級(jí)固相微粒很多。這些高濃度的固相微粒是在瞬時(shí)失水推動(dòng)下迅速造成井底表面堵塞、成餅的重要原因,轉(zhuǎn)變了地層的滲透性。負(fù)壓差下,消除了這些因素對(duì)微粒固相對(duì)機(jī)械鉆速的影響[4]。

1.6 沖擊破碎方式

負(fù)壓差下鉆頭對(duì)井底沖擊更頻繁,在沖擊載荷下,雖然巖石的破碎強(qiáng)度有所增加,使巖石不易破碎,但同時(shí)沖擊載荷使巖石的脆性大大增加,從而有利于破碎。將沖擊速度適當(dāng)提高,巖石破碎強(qiáng)度增加不多,但其脆性大幅度增加,從而總體有利于提高破碎效率。

1.7 延長鉆頭壽命

Teale(1965)提出機(jī)械比能概念,Pessier和 Fear (1992)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)論證了該理論的可行性,其定義為從井底地層上切除單位體積巖石所需做的功。

式中SE為比能,MJ/m3;N為轉(zhuǎn)速,r/min;ROP為鉆速m/h;WOB為鉆壓,kN;D為鉆頭直徑,mm;T為鉆頭扭矩,kN·m。

因此,井底壓差越小則巖石脆性越大、強(qiáng)度越低,在鉆頭前方形成了一個(gè)低應(yīng)力區(qū),有利巖石產(chǎn)生體積性剪切破壞,其機(jī)械比能低,對(duì)鉆頭的損耗要小;正壓差條件下,井底巖石塑性大、強(qiáng)度高,在牙齒前方產(chǎn)生擠壓性剪切破壞,巖石對(duì)牙齒的研磨性強(qiáng)所需的機(jī)械比能高對(duì)鉆頭的磨損要大。實(shí)踐證明與鉆井液鉆井相比,氣體鉆井條件下,牙輪鉆頭的壽命會(huì)增加3～4倍,單只鉆頭進(jìn)尺會(huì)增加8～10倍,鉆同樣井段所用鉆頭數(shù)量會(huì)減少約70%。

2 合理井底壓差設(shè)計(jì)原則

確定保持井底合適的壓差。因此,在設(shè)計(jì)前需要考慮以下兩方面的因素[5]:①地層流體流入井筒的速度與井底壓差有關(guān),負(fù)壓差過大,易造成井噴;②壓差過大,易造成井壁失穩(wěn),而產(chǎn)生大量塌塊,掩埋鉆具。

2.1 防止溢流的最小鉆井液密度

在滲透性地層鉆井時(shí),如果靜液柱壓力小于地層孔隙壓力時(shí),地層流體將流入井筒。這時(shí)設(shè)計(jì)的最低液柱壓力應(yīng)略高于地層孔隙壓力(約0.02 M Pa)。因此,防止溢流的最小鉆井液密度為:

式中ρm為最小鉆井液密度,g/cm3;pp為地層壓力, M Pa;D為井深,m。

2.2 防止井壁坍塌最小液柱壓力

在鉆井過程中如果鉆井液的密度過低也會(huì)導(dǎo)致井壁崩落或者垮塌,密度過大會(huì)導(dǎo)致井底不能安全的鉆進(jìn)。應(yīng)用莫爾—庫侖準(zhǔn)則分析直井和水平井為了維持井壁穩(wěn)定所需的最小液柱壓力[6]。

2.2.1 直井井壁穩(wěn)定性分析

當(dāng)σθ>σz>σr時(shí),這時(shí)所需要的最小液柱壓力為:

當(dāng)σz>σθ>σr時(shí),這時(shí)所需要的最小液柱壓力為:

2.2.2 水平井井壁穩(wěn)定性分析

當(dāng)σθ>σz>σr時(shí),這時(shí)所需要的最小液柱壓力為:

當(dāng)σz>σθ>σr時(shí),這時(shí)所需要的最小液柱壓力為:

式(3)～(6)中σz、σθ、σr分別為上覆巖層應(yīng)力、周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力,M Pa;ph為鉆井液液柱壓力,M Pa;β為巖石破壞面與最大主應(yīng)力之間的夾角,(°);σh為水平應(yīng)力,M Pa;σv為垂直應(yīng)力,M Pa;pp為地層壓力, M Pa;Co為巖石單軸抗壓強(qiáng)度,M Pa;ν為巖石泊松比; α為巖石有效應(yīng)力系數(shù)。

結(jié)合以上分析,可形成如下決策圖(圖7)。

圖7 不同壓差對(duì)機(jī)械鉆速影響示意圖

鉆前通過對(duì)不同鉆井方式下的井壁穩(wěn)定性分析,在保證井壁穩(wěn)定和不發(fā)生井下復(fù)雜情況的前提下盡可能地降低鉆井液密度,使得巖石能在脆性狀態(tài)下破壞。

3 不同壓差下機(jī)械鉆速對(duì)比分析

窿9井在鉆井過程中遇到各種井下復(fù)雜事故,該口井采用了氣體、霧化、泡沫以及鉆井液鉆井方式[7]?，F(xiàn)場實(shí)踐表明,井底壓差越小,則機(jī)械鉆速越大(圖8)。因此,鉆前需要認(rèn)真研究該區(qū)塊的地質(zhì)特征以及分析工程難點(diǎn),評(píng)價(jià)該區(qū)塊的油、氣、水分布特點(diǎn)和井壁穩(wěn)定性效果,然后結(jié)合具體的鉆井方式計(jì)算合理的井底壓差來達(dá)到提速增效的目標(biāo)。

圖8 窿9井在不同壓差下平均機(jī)械鉆速對(duì)比分析圖

4 結(jié)論

1)地層的滲透性和孔隙壓力對(duì)巖石強(qiáng)度影響較大,當(dāng)液柱壓力低于地層壓力時(shí),井底巖石在負(fù)壓差下處于受拉狀態(tài),其強(qiáng)度和可鉆性級(jí)值都較低,使得鉆頭破巖效率更高,井底清巖效果更好。

2)鉆前通過對(duì)不同鉆井方式下的井壁穩(wěn)定性分析,在保證井壁穩(wěn)定和不發(fā)生井下復(fù)雜情況的前提下盡可能地降低鉆井液密度,使得巖石能在脆性狀態(tài)下破壞。

3)現(xiàn)場實(shí)踐證明,井底壓差在合理的范圍內(nèi)越小時(shí),機(jī)械鉆速越高。

[1]趙業(yè)榮,孟英峰.氣體鉆井理論與實(shí)踐[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

[2]劉希圣.鉆井工藝原理:上冊(cè) 破巖原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1988.

[3]楊謀.川西須家河組氣體鉆井提速潛力評(píng)價(jià)分析[D].成都:西南石油大學(xué),2006.

[4]林鐵軍,練章華,孟英峰,等.空氣鉆井中動(dòng)態(tài)破巖有限元仿真研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,23(增刊2): 3592-3597.

[5]劉厚彬,孟英峰,李皋,等.超深井井壁穩(wěn)定性分析[J].天然氣工業(yè),2008,28(4):67-69.

[6]張守良,鄧金根,徐顯廣,等.欠平衡鉆井合理壓差的確定技術(shù)及在新疆油田的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003, 22(增刊1):2457-2460.

[7]鄭新權(quán).窿9井:中國石油一口高難井[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.

Proper design of bottomhole differen tial pressure and itsapplication results analysis

Yang Mou1,M eng Yingfeng1,Li Gao1,Li Yongjie1,Wei Na1,Wang Tingmin1,2,Yan Kai3
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Geology and Exp loration,Southw est Petroleum University,Chengdu, Sichuan 610500,China;2.Postdoctoral W ork Station of Talim u Oilfield Com pany,PetroChina,Kuerle, Xinjiang 841000,China;3.Talim u Oilfield Com pany,PetroChina,Kuerle,X injiang 841000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.58-61,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Proper bottomhole differential p ressure(BHDP)during drilling can help imp rove the ROP and p rotect reservoirs.Hereby, this paper,based on the computer simulation system and rock crushing theories,studies the bottomhole stress field distribution and rock deformation mechanism under differential p ressures.This study show s that the ROP is imp roved much more easily by rock crushing under the negative bottomhole differential p ressure,in comparison w ith that under the positive one.However,there is a limit for the BHDP,so its value,in combination with the geological and engineering featuresof a well,should be designed w ithin a reasonable range under such condition that no overflow or well caving occurs.For drilling through permeable formations,the fo rmation fluid w ill flow into the wellbo re if the hydrostatic p ressure gets lower than the formation pore p ressure,so the designed minimum hydrostatic p ressure should be slightly higher than the fo rmation po re p ressure of about 0.02 M Pa.Field app lication show s the lower the BHDPwithin the p roper range,the higher the ROP.

bottomhole differential p ressure,rateof penetration(ROP),bottom stress,rock mechanics,rock-rushing efficiency,stable borehole.

楊謀等.合理的井底壓差設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析.天然氣工業(yè),2010,30(7):58-61.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.016

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“全過程欠平衡技術(shù)與裝備”(編號(hào):2006AA 06A 104)及國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)項(xiàng)目”(編號(hào):2008ZX05022-005-004HZ)的研究成果。

楊謀,1982年生,博士研究生;主要從事欠平衡鉆井、氣體鉆井提速機(jī)理及工藝方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)。電話:15902825271。E-mail:ym528919@126.com

2010-05-21 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.016

Yang Mou,born in 1982,is studying for a Ph.D degree at Southwest Petroleum University,focusing on research of UBD and gas drilling technology.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Tel:+86-28-8303 5450E-mail:ym528919@126.com