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        超深井側(cè)鉆段泥巖井壁失穩(wěn)分析

        2014-09-06 01:30:40盧運(yùn)虎
        石油鉆探技術(shù) 2014年6期
        關(guān)鍵詞:層理井眼泥巖

        程 萬(wàn), 金 衍, 盧運(yùn)虎

        (1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249;2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)(北京)),北京 102249)

        側(cè)鉆作為深部縫洞型儲(chǔ)層挖潛增儲(chǔ)的有效方式,在油田現(xiàn)場(chǎng)的使用越來(lái)越多[1-2]。隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷深入,大部分老井含水率上升,裸眼段水淹嚴(yán)重。塔河油田老井側(cè)鉆過(guò)程中存在避水和垂深的限制,造斜點(diǎn)主要選在儲(chǔ)層上部桑塔木組泥巖段,造斜過(guò)程中井壁易發(fā)生垮塌掉塊,鉆進(jìn)過(guò)程中時(shí)常發(fā)生起下鉆遇阻、卡鉆等復(fù)雜情況,給鉆井完井帶來(lái)困難。該類(lèi)鉆井故障大部分由硬脆性泥巖井壁失穩(wěn)所致,由于地層存在層理面,鉆井過(guò)程中鉆井液密度的控制顯得尤為重要[3-8]。早期研究硬脆性泥頁(yè)巖井壁坍塌時(shí),過(guò)分強(qiáng)調(diào)地應(yīng)力及巖石強(qiáng)度的作用,而很少考慮水化效應(yīng)[9-13]。對(duì)于側(cè)鉆井段的泥巖地層,由于井壁圍巖裸露于鉆井液中的時(shí)間較長(zhǎng),井壁穩(wěn)定性受地應(yīng)力作用、鉆井液浸泡、井眼軌跡及地層產(chǎn)狀等因素的綜合影響,因此井壁穩(wěn)定研究具有如下特點(diǎn):1)井眼彎曲,井周應(yīng)力復(fù)雜多變;2)造斜段巖性復(fù)雜,泥質(zhì)含量較高,井壁坍塌呈現(xiàn)周期性;3)泥巖層理發(fā)育,層理面與井眼軌跡的相互關(guān)系復(fù)雜,難以表征;4)目前還沒(méi)有一套從室內(nèi)試驗(yàn)到建立模型再到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的系統(tǒng)分析流程。

        基于此,筆者從分析側(cè)鉆段泥巖組分特征、微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),進(jìn)行了含不同幾何特征層理泥巖強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn),并構(gòu)建了井壁圍巖強(qiáng)度破壞條件,分析了側(cè)鉆段泥巖井壁圍巖失穩(wěn)原因。同時(shí),采用斜井井周應(yīng)力分布公式,選用桑塔木組井壁圍巖強(qiáng)度破壞條件,建立了造斜井段維持井壁穩(wěn)定井底壓力的地質(zhì)力學(xué)模型,該模型考慮了層理面產(chǎn)狀、井眼軌跡及地應(yīng)力的綜合影響,計(jì)算了維持井壁穩(wěn)定的最小坍塌壓力,并提出了側(cè)鉆井井段井壁穩(wěn)定的工程措施,以期為保證側(cè)鉆井段井壁穩(wěn)定提供借鑒。

        1 側(cè)鉆井段泥巖物理化學(xué)特征

        1.1 側(cè)鉆段泥巖礦物組分及微觀結(jié)構(gòu)分析

        借助X衍射儀和電鏡掃描儀,對(duì)TKX-CH井6 240.0~6 246.8 m側(cè)鉆段3處不同井深的泥巖巖屑全巖礦物和黏土礦物組分及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,結(jié)果見(jiàn)表1、表2和圖1。

        表1TKX-CH井桑塔木組巖樣全巖礦物分析結(jié)果

        Table1AnalysisofmineralcomponentsofrockinSantamuFormationinWellTKX-CH

        井段/m質(zhì)量分?jǐn)?shù),%石英鉀長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石方解石白云石黏土礦物6 240.0^6 246.830.20.910.311.77.539.425.20.89.234.66.523.731.82.510.520.26.029.0

        表2TKX-CH井桑塔木組巖樣黏土礦物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

        Table2AnalysisofmineralcomponentsofclayinSantamuFormationinWellTKX-CH

        井段/m黏土礦物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),%蒙脫石伊蒙混層伊利石高嶺石綠泥石綠蒙混層混層比,%伊/蒙綠/蒙6 240.0^6 246.8—5226616—25——5122720—25——5422618—20—

        圖1 TKX-CH井桑塔木組泥巖巖心電鏡掃描結(jié)果Fig.1 SEM analysis of a core from the Santamu Formation in Well TKX-CH

        由表1、表2可知,桑塔木組黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%。黏土礦物均以伊/蒙混層發(fā)育為特點(diǎn),相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%,其次為伊利石、綠泥石和高嶺石,其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22%~26%、16%~20%及6%。根據(jù)鉆井液行業(yè)劃分泥頁(yè)巖的標(biāo)準(zhǔn),奧陶系泥巖屬于中硬至硬脆性泥巖。

        由于硬脆性泥巖主要由石英、方解石組成,很少含黏土礦物,其地層的泥巖壓實(shí)程度較高,水平層理發(fā)育,泥巖裂隙發(fā)育。因此,當(dāng)它浸于水中時(shí),很少會(huì)膨脹變軟。在鉆井過(guò)程中,鉆井液濾液沿層理面或微裂隙侵入,大大加劇了弱面填充物的水化和分散,減弱了泥巖的結(jié)合強(qiáng)度和層理面之間的結(jié)合力,使泥巖沿層理面或微裂隙裂開(kāi)。從圖1可以看出,鉆井液未浸泡前桑塔木組泥巖孔隙結(jié)構(gòu)致密,表面微裂縫和微孔發(fā)育,微縫和層理面定向排列,層理面中的填充物為黏土礦物;鉆井液浸泡后桑塔木組泥巖裂縫發(fā)育,呈擴(kuò)展趨勢(shì),裂縫擴(kuò)展成片,局部由于裂縫擴(kuò)展形成大孔洞。

        1.2 不同層理幾何特征泥巖的強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn)

        硬脆性泥巖普遍發(fā)育裂縫、微裂縫及層理面,這些結(jié)構(gòu)面在力學(xué)上表現(xiàn)為弱面,而巖石強(qiáng)度往往受控于巖石中的弱面。為了研究弱面、鉆井液對(duì)泥巖強(qiáng)度的影響,在室內(nèi)對(duì)造斜段泥巖進(jìn)行定向取心并開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn),具體試驗(yàn)方案為:先在TKX-CH井定向取心的全尺寸巖心上標(biāo)定初始方位,取心過(guò)程中巖心軸線和初始垂直所取的巖心軸線按給定的0°,30°,45°,60°,75°和90°等6個(gè)角度和相對(duì)方位取心,利用TAW1000高溫高壓三軸巖石強(qiáng)度試驗(yàn)裝置進(jìn)行巖石強(qiáng)度試驗(yàn),確定取心夾角及圍壓對(duì)泥巖抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

        圖2 不同圍壓下取心夾角與巖石抗壓強(qiáng)度參數(shù)擬合曲線Fig.2 Fitting curve of coring angles and rock strength under different confining pressures

        根據(jù)圖2,利用弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合了不同圍壓下不同取心夾角與巖石強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式[14],弱面破壞準(zhǔn)則的表達(dá)式:

        σ1=σ3tanβcot(β-22.943)+

        (1)

        本體破壞準(zhǔn)則的表達(dá)式:

        σ1=96.73+3.732σ3

        (2)

        其中:σ1為軸向壓力,MPa;σ3為圍壓,MPa;β為弱面法向與σ1之間的夾角,(°)。

        從圖2還可以看出,隨著取心角度的增大,巖石抗壓強(qiáng)度先減小后增大,存在一個(gè)最小臨界強(qiáng)度值。節(jié)理面對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,在相同作業(yè)條件下,巖石弱面的穩(wěn)定性明顯低于基質(zhì)巖塊的穩(wěn)定性;當(dāng)井眼周?chē)嬖诹芽p或節(jié)理等弱面時(shí),井壁的穩(wěn)定性將受到弱面的影響而明顯降低,巖石更容易發(fā)生破壞。

        2 側(cè)鉆井井壁穩(wěn)定力學(xué)模型

        2.1 造斜段地層井周應(yīng)力分布狀態(tài)

        井壁上各應(yīng)力分量分別可表示為[15]:

        σr=pi-δφ(pi-pp)

        (3)

        σθ=Aσh+BσH+Cσv+(K1-1)pi-K1pp

        (4)

        σz=Dσh+EσH+Fσv+K1(pi-pp)

        (5)

        σθz=Gσh+HσH+Jσv

        (6)

        σrθ=σrz=0

        (7)

        其中A=cosΨ{cosΨ[1-2cos(2θ)]sin2Ω+

        2sin(2Ω)sin(2θ)}+[1+2cos(2θ)]cos2Ω

        (8)

        B=cosΨ{cosΨ[1-2cos(2θ)]cos2Ω-

        2sin(2Ω)sin(2θ)}+[1+2cos(2θ)]sin2Ω

        (9)

        C=[1-2cos(2θ)]sin2Ψ

        (10)

        D=sin2Ωsin2Ψ+2νsin(2Ω)cosΨsin(2θ)+

        2νcos(2θ)(cos2Ω-sin2Ωcos2Ψ)

        (11)

        E=cos2Ωsin2Ψ-2νsin(2Ω)cosΨsin(2θ)+

        2νcos(2θ)(sin2Ω-cos2Ωcos2Ψ)

        (12)

        F=cos2Ψ-2νsin2Ψcos(2θ)

        (13)

        G=-sin(2Ω)sinΨcosθ-sin2Ωsin(2Ψ)sinθ

        (14)

        H=sin(2Ω)sinΨcosθ-cos2Ωsin(2Ψ)sinθ

        (15)

        J=sin(2Ψ)sinθ

        (16)

        (17)

        Ω=ZA-HA

        (18)

        式中:σr,σθ,σz,σrθ,σθz,σrz為柱坐標(biāo)中的應(yīng)力分量,MPa;σv為遠(yuǎn)場(chǎng)垂向應(yīng)力,MPa;σH,σh分別為遠(yuǎn)場(chǎng)最大、最小水平主應(yīng)力,MPa;pi為液柱壓力,MPa;pp為孔隙壓力,MPa;ν為泊松比;Ψ為井斜角,(°);Ω為相對(duì)的井斜方位,(°);ZA為井斜方位角,(°);HA為最大水平主應(yīng)力方位角,(°);θ為井周角,(°);δ為井壁滲透系數(shù),當(dāng)井壁不可滲透時(shí)為0、井壁滲透時(shí)為1;φ為孔隙度;α為有效應(yīng)力系數(shù);K1為滲流效應(yīng)系數(shù)。

        假設(shè)井壁濾餅完好,則不考慮鉆井液濾液的滲流效應(yīng),造斜段中井壁上的最小、最大水平主應(yīng)力分別可表示為:

        σ3=pi-δφ(pi-pp)

        (19)

        (20)

        其中,σ1的作用面與z軸的交角γ可表示為:

        (21)

        2.2 造斜段地層井壁穩(wěn)定力學(xué)模型

        傳統(tǒng)的井壁穩(wěn)定模型是基于平緩構(gòu)造地層建立的,而側(cè)鉆段井眼軌跡與地層相交狀態(tài)的改變給井壁穩(wěn)定的力學(xué)分析帶來(lái)難度。因此,需要建立考慮地應(yīng)力大小、方位、層理面產(chǎn)狀和井眼軌跡等因素的新井壁穩(wěn)定地質(zhì)力學(xué)模型(見(jiàn)圖3,標(biāo)尺代表井眼軸線與層理面的夾角)。

        圖3 側(cè)鉆井段井壁穩(wěn)定地質(zhì)模型示意Fig.3 Geological model for wellbore stability in the side-tracked hole sections

        當(dāng)圍巖沿層理面發(fā)生剪切破壞時(shí),聯(lián)立式(1)、式(19)和式(20),即可計(jì)算出造斜井段的井壁坍塌壓力當(dāng)量密度:

        m[pi-δφ(pi-pp)-αpp]+n

        (22)

        其中m=tanβcot[β-φw(s)]

        (23)

        (24)

        式中:Cw為弱面的黏聚力,MPa;φw為弱面的內(nèi)摩擦角,(°)。

        當(dāng)圍巖發(fā)生本體剪切破壞時(shí),聯(lián)立式(2)、式(19)和式(20),即可計(jì)算出井壁坍塌壓力當(dāng)量密度的下限值:

        (25)

        式中:Cr為本體的黏聚力,MPa;φr為本體的內(nèi)摩擦角,(°)。

        側(cè)鉆井段泥巖地層井壁失穩(wěn)力學(xué)模型,即式(22)、式(25),是含鉆井液密度的非線性方程,通過(guò)求解非線性方程,便可獲得維持側(cè)鉆地層井壁穩(wěn)定的最小井底液柱壓力。

        地應(yīng)力差越大,井壁應(yīng)力集中越嚴(yán)重,井壁穩(wěn)定性就越差。以裂縫傾角45°為例,通過(guò)不同差應(yīng)力比值研究地層應(yīng)力各向異性對(duì)井壁坍塌壓力當(dāng)量密度的影響,其結(jié)果見(jiàn)圖4(圓環(huán)表示井斜角,周向表示方位角)。從圖4可以看出,對(duì)于一定的側(cè)鉆方位,隨著差應(yīng)力比值的增大,維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度增大。

        圖4 不同差應(yīng)力比值對(duì)坍塌壓力當(dāng)量密度的影響Fig.4 The influence of differential stress on critical mud weight

        鉆井液作用時(shí)間對(duì)坍塌壓力當(dāng)量密度的影響如圖5所示。從圖5可以看出,隨著側(cè)鉆井段泥巖裸露在鉆井液中時(shí)間的增長(zhǎng),巖石強(qiáng)度降低,相同井斜角和方位角條件下維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度增大,其增大程度與井斜角和方位角相關(guān)聯(lián)。當(dāng)井壁圍巖被鉆井液浸泡10 d后,在最大水平主應(yīng)力方位維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度由未浸泡時(shí)的1.55 kg/L升高到2.05 kg/L,井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增大。

        3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        TKX-CH井是塔河油田11區(qū)的一口開(kāi)發(fā)井,完鉆井深6 090 m,后期對(duì)該井6 004~6 066 m裸眼段進(jìn)行射孔和酸化壓裂施工,均未見(jiàn)產(chǎn)能。為提高產(chǎn)能,對(duì)該井實(shí)施了側(cè)鉆作業(yè),增斜井段為5 588~5 723 m,穩(wěn)斜井段為5 723~6 359 m,其實(shí)鉆垂直剖面如圖6所示。

        圖5 鉆井液作用時(shí)間對(duì)坍塌壓力當(dāng)量密度的影響Fig.5 Collapsing time interval caused by soaking of drilling fluid

        圖6 TKX-CH井實(shí)鉆垂直剖面Fig.6 Elevation profile of borehole trajectory of Well TKX-CH

        后期作業(yè)中,該井發(fā)生起下鉆阻卡等多次復(fù)雜情況:下酸壓完井管柱至井深5 601 m遇阻,根據(jù)指示起出油管下鉆頭通井;下鉆至井深5 623 m遇阻,反復(fù)嘗試通過(guò)遇阻點(diǎn)都未成功,現(xiàn)場(chǎng)分析原因?yàn)樯K窘M泥巖井段替換成油田水后,井壁因鹽水浸泡剝落造成下鉆遇阻。圖7、圖8分別為奧陶系復(fù)雜泥巖造斜段井眼擴(kuò)大率和造斜段井下掉塊。

        圖7 TKX-CH井復(fù)雜泥巖造斜段井徑變化Fig.7 Borehole diameter change in the shale section in Well TKX-CH

        圖8 TKX-CH井復(fù)雜泥巖造斜段井下掉塊Fig.8 Corresponding failed rock in the shale section in Well TKX-CH

        采用筆者建立的力學(xué)模型對(duì)TKX-CH井造斜段井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析表明,由于地層弱面的存在,側(cè)鉆泥巖地層坍塌壓力變化復(fù)雜,直井鉆井坍塌嚴(yán)重,斜井未必坍塌嚴(yán)重,實(shí)際擴(kuò)徑率也反映了這一點(diǎn)。該井側(cè)鉆點(diǎn)選擇桑塔木組埋深5 588.5 m處,利用力學(xué)模型計(jì)算出的坍塌壓力當(dāng)量密度為1.22 kg/L左右,實(shí)際采用鉆井液密度1.12 kg/L,導(dǎo)致實(shí)際鉆井過(guò)程中井徑擴(kuò)大嚴(yán)重,井徑擴(kuò)大率達(dá)到60%以上,掉塊嚴(yán)重(見(jiàn)圖8);隨著井斜角的增大,計(jì)算所得坍塌壓力降低,當(dāng)井斜角達(dá)到設(shè)計(jì)的58°時(shí),維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度降為1.11 kg/L(見(jiàn)圖9),此時(shí)井徑擴(kuò)大率減小,井身質(zhì)量變好。因此,對(duì)于含地層弱面的泥巖,側(cè)鉆泥巖段井壁穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)必須依據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)選合理的造斜方位,有效規(guī)避地層井壁圍巖坍塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高(坍塌壓力當(dāng)量密度高)的井段,降低安全鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。

        4 結(jié) 論

        1) 隨著取心角度的增大,硬脆性泥巖地層巖石抗壓強(qiáng)度先減小后增大,存在一個(gè)最小臨界強(qiáng)度值。

        2) 與基質(zhì)巖塊相比,同等條件下巖石弱面的穩(wěn)定性明顯要低,因此當(dāng)井周?chē)嬖诹芽p或節(jié)理等弱面時(shí),巖石容易發(fā)生破壞,從而更容易發(fā)生井壁失穩(wěn)。

        圖9 TKX-CH井造斜段井斜角對(duì)井壁穩(wěn)定的影響Fig.9 Influence of the deviation angle on borehole stability in Well TKX-CH

        3) 建立了考慮層理面產(chǎn)狀、井眼軌跡及地應(yīng)力等因素的側(cè)鉆井段維持井壁穩(wěn)定井底壓力的地質(zhì)力學(xué)模型。利用該模型計(jì)算分析表明,地層弱面和井眼軌跡對(duì)坍塌壓力具有重要影響,隨著井斜角的增大,地層坍塌壓力先升高后降低,并存在臨界最低值。

        4) 塔河油田桑塔木組泥巖段的試驗(yàn)表明,在提高鉆井液密度的同時(shí),應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)選合理的造斜方位,才能有效降低地層井壁圍巖坍塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

        致謝:感謝中國(guó)留學(xué)基金委“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目”對(duì)本文第一作者在美國(guó)Georgia Institute of Technology聯(lián)合培養(yǎng)期間的資助。

        參考文獻(xiàn)
        References

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        [3] 金衍,陳勉.井壁穩(wěn)定力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2012:1-2.

        神經(jīng)衰弱是一種以腦力和體力的虛弱感為特征的神經(jīng)癥。這些癥狀不能歸因于軀體疾病、腦器質(zhì)性病變或其他精神疾病,但病前可存在持久的情緒緊張和精神壓力。且由于精神過(guò)度緊張,嚴(yán)重影響了生理、心理健康,可有頭暈、頭痛、失眠、注意力不集中等諸多不適癥狀,給患者帶來(lái)生理和心理不適,易產(chǎn)生焦慮情緒[1]。神經(jīng)衰弱病患者中腦力勞動(dòng)者發(fā)病占96%以上,這也間接地說(shuō)明神經(jīng)衰弱與過(guò)度腦力勞動(dòng)有關(guān)。且長(zhǎng)期的精神或心理創(chuàng)傷,如家庭糾紛,婚姻不幸,失戀,鄰里關(guān)系緊張等,也會(huì)使人們精神過(guò)于緊張,心理負(fù)荷過(guò)重而出現(xiàn)神經(jīng)衰弱。其特點(diǎn)是:腦力工作不能持久,情緒不穩(wěn)定,易激惹、煩躁,睡眠障礙,是繼發(fā)于軀體或其他器質(zhì)性疾病。

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