吳超, 陳小鋒, 張東清, 劉建華, 王磊

(中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院, 北京 100101)

0 引 言

元壩氣田是中國石化天然氣增儲上產(chǎn)的重點區(qū)塊,目前已由勘探評價階段轉(zhuǎn)入開發(fā)生產(chǎn)階段。元壩氣田鉆井地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜,該氣田超深井井深普遍在7 000 m左右,上部泥巖地層不穩(wěn)定,井塌與井漏復(fù)雜頻發(fā);中部砂巖地層可鉆性差,存在高壓氣層、溢流及井噴風(fēng)險大,機械鉆速極慢;下部海相地層較硬,存在高壓水層,鉆井工藝優(yōu)化難度大。勘探前期平均機械鉆速1.58 m/h,平均鉆井周期513.62 d,鉆井成本居高不下。

為了加快元壩氣田勘探開發(fā)進度,中國石化在該地區(qū)開展了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選、優(yōu)快鉆井新工具應(yīng)用等多種鉆井提速技術(shù)試驗。鉆井方式及參數(shù)的適應(yīng)性與巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)、巖石可鉆性、地應(yīng)力狀態(tài)、地層壓力體系等巖石力學(xué)特征存在著密切關(guān)系,而元壩氣田目的層超深,各套地層縱向與橫向巖石力學(xué)特征存在較大差異,應(yīng)首先明確各類巖石力學(xué)特征分布規(guī)律,有針對性地開展各類新技術(shù)、新工藝適應(yīng)性評價及試驗應(yīng)用,以使其發(fā)揮最大的提速潛力。

針對元壩氣田超深井的實際地質(zhì)與工程狀況,重點進行了巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)、可鉆性、地應(yīng)力、地層壓力體系等多種巖石力學(xué)特征的計算分析,形成了一套有效的巖石力學(xué)特征分析技術(shù)。

1 巖石力學(xué)特征分析及描述

1.1 巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)求取

巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)包括彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強度、抗拉強度、塑性系數(shù)、硬度等,這些參數(shù)不僅是進一步求取地層應(yīng)力狀態(tài)及壓力特征的基礎(chǔ),也是進行鉆頭與鉆井參數(shù)優(yōu)選的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-3]。在元壩氣田巖心實驗成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)建立各類巖石力學(xué)參數(shù)計算模型及該地區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)剖面。在此,列出黏聚力等3類重要參數(shù)的求取方法。

通過實驗數(shù)據(jù)擬合,元壩氣田地層黏聚力計算公式

(1)

式中,C為黏聚力,MPa;vp為縱波速度,km/s;ρ為巖石密度,g/cm3;μd為動態(tài)泊松比,無量綱;Vsh為泥質(zhì)含量,小數(shù);A1、A2為模型系數(shù),無量綱,以元壩陸相地層為例,A1=0.002 57,A2=0.78。

統(tǒng)計分析表明,適合元壩地區(qū)的巖石內(nèi)摩擦角計算模型為

φ=c1(Δt/ρ)c2

(2)

式中,φ為內(nèi)摩擦角,(°);Δt為縱波時差,μs/ft*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;c1、c2為模型系數(shù),無量綱,以元壩陸相地層為例,c1=93 873.57,c2=-2.49。

實驗結(jié)果表明,元壩氣田地層抗壓強度經(jīng)驗計算模型可表示為

σc=K1Ed(1-Vsh)+K2EdVsh

(3)

式中,σc為單軸抗壓強度,MPa;Ed為動態(tài)彈性模量,MPa,可以通過聲波及密度測井資料計算得到;K1、K2為模型系數(shù),無量綱,以元壩陸相地層為例,K1=0.004 7,K2=0.007 9。在此基礎(chǔ)上可進一步計算抗拉強度。

基于上述計算模型,可以利用測井資料得到各類巖石力學(xué)參數(shù)典型剖面,為后期開展井壁穩(wěn)定分析、鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選等工作提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 巖石可鉆性分析

地層巖石可鉆性反映了在一定技術(shù)條件下鉆進巖石的難易程度,明確這種綜合性質(zhì)對于鉆頭型號選擇、鉆井水力參數(shù)優(yōu)選有著十分重要的意義[4]。在巖心可鉆性實驗的基礎(chǔ)上,得到了元壩氣田巖石可鉆性級值的計算模型

Kd=R1vpR2

(4)

式中,Kd為巖石可鉆性級值,無量綱;vp為縱波速度,m/s;R1,R2為模型系數(shù),無量綱,可通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到。以元壩陸相地層為例,對于牙輪鉆頭,R1=0.000 296,R2=1.204 6;對于PDC鉆頭,R1=2.15×10-7,R2=2.056 4。

基于上述模型,利用測井資料計算了元壩氣田重點井巖石可鉆性剖面(見圖1)。由圖1可以看出,元壩氣田巖石可鉆性分布具有以下特征:①下沙溪廟組以淺地層可鉆性級值整體較低;千佛崖至須家河組可鉆性級值明顯增大且波動劇烈;雷口坡組以深地層可鉆性級值整體較高;②下沙溪廟組以淺地層PDC鉆頭可鉆性級值整體略小于牙輪鉆頭;千佛崖至須家河組地層PDC可鉆性級值整體大于牙輪,且波動幅度更大;雷口坡組以深地層PDC可鉆性級值明顯低于牙輪。

圖1 元壩氣田牙輪鉆頭和PDC鉆頭典型可鉆性級值剖面

明確可鉆性空間分布特征對于有針對性地優(yōu)選鉆頭型號與鉆井參數(shù)具有重要指導(dǎo)意義。元壩氣田須家河組地層堅硬、研磨性強,各井區(qū)巖石可鉆性橫向變化大,鉆井速度緩慢,需要全面掌握該段地層可鉆性區(qū)域分布規(guī)律。在精確計算單井可鉆性剖面的基礎(chǔ)上,利用地質(zhì)統(tǒng)計算法得到元壩地區(qū)須家河組一段至五段地層的可鉆性級值空間三維數(shù)據(jù)體。圖2是其中須三段地層可鉆性級值區(qū)域分布圖。從圖2上可以看到,須三段地層北部及中部區(qū)域可鉆性級值相對較小,西部及東南部區(qū)域相對較大,YL8井、YB101井附近可鉆性級值最小,YL3井、YL5井附近可鉆性級值最大。

圖2 元壩氣田須家河組三段地層巖石可鉆性區(qū)域分布圖

1.3 地應(yīng)力狀態(tài)分析

準(zhǔn)確確定地應(yīng)力大小與方位分布規(guī)律對于鉆井、壓裂設(shè)計與施工具有重要意義。通過綜合考慮元壩氣田地質(zhì)與工程條件,比較、試算了多種地應(yīng)力計算模型,確定比較適合元壩氣田實際的地應(yīng)力計算模型

(5)

式中,σH、σh為水平方向的最大與最小地應(yīng)力,MPa;Es為靜態(tài)彈性模量,MPa;μs靜態(tài)泊松比,無量綱,以上2個參數(shù)可以通過實驗數(shù)據(jù)由動態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換得到;σv為上覆地層壓力,MPa,可以通過密度測井資料計算得到;pφ為地層孔隙壓力,MPa;α為有效應(yīng)力系數(shù),無量綱,在元壩地區(qū)一般取0.77;ξ1、ξ2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),無量綱,這2個應(yīng)力系數(shù)一般通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分層段進行反演得到,以陸相須家河組地層為例,ξ1=0.001 3,ξ2=0.000 62。該模型設(shè)定地層為橫觀各向同性較強的線彈性體,在地質(zhì)構(gòu)造運動過程中地層之間不發(fā)生較大相對位移,各套地層水平方向應(yīng)變設(shè)為常數(shù)[5-6]。

圖3 元壩氣田地應(yīng)力典型剖面

基于上述模型,利用測井資料計算了元壩地區(qū)的地應(yīng)力大小典型剖面(見圖3)。由圖3可見,元壩氣田地應(yīng)力縱向分布特征:①上覆地層壓力為中間主應(yīng)力,該區(qū)處于走滑斷層地應(yīng)力機制;②最大水平地應(yīng)力范圍2.2～3.2 MPa/100 m,最小水平地應(yīng)力范圍為2.0～2.7 MPa/100 m,垂向地應(yīng)力范圍為2.3～2.5 MPa/100 m;③須家河組以淺陸相層系地層水平地應(yīng)力整體隨深度逐漸增大;海相層系水平地應(yīng)力整體大于陸相層系,其中雷口坡與嘉陵江組上部地層水平地應(yīng)力顯著增大,嘉陵江組下部以深地層水平地應(yīng)力又略有減小。

地應(yīng)力方位的確定對于水平井鉆井設(shè)計及壓裂施工也非常重要。在利用地層傾角測井資料確定單井地應(yīng)力方位的基礎(chǔ)上,通過地質(zhì)統(tǒng)計分析得到了元壩地區(qū)水平最大地應(yīng)力方位角區(qū)域分布圖(見圖4)。從圖4上可以看到,最大水平地應(yīng)力方位角區(qū)域變化范圍NE 92 °～113 °,東部井區(qū)最大水平地應(yīng)力方位角整體上大于西部井區(qū)。

圖4 元壩氣田水平最大地應(yīng)力方位角區(qū)域分布圖

1.4 地層壓力體系分析

地層壓力體系包括孔隙壓力、坍塌壓力與破裂壓力。明確地層壓力體系分布特征對于合理設(shè)計井身結(jié)構(gòu)具有決定性作用。巖心實驗表明,影響聲波在巖石中傳播速度的主要因素是巖性和垂直有效應(yīng)力[7],通過將縱波速度vp表示為泥質(zhì)含量Vsh、孔隙度φ和垂直有效應(yīng)力pe的函數(shù)關(guān)系計算孔隙壓力較為理想

αpφ=σv-pe

(6)

式中,vp為縱波速度,km/s;pe為垂直有效應(yīng)力,kbar*非法定計量單位,1 bar=100 kPa,下同;σv為上覆地層壓力,MPa;pφ為孔隙壓力,kbar;α為有效應(yīng)力系數(shù),無量綱;Vsh為泥質(zhì)含量,小數(shù);φ為孔隙度,小數(shù),可以通過聲波、密度等測井資料計算得到;w1、w2、w3、w4、w5為模型參數(shù),可通過實測數(shù)據(jù)多元回歸得到,以陸相地層為例,w1=4.555、w2=0.336、w3=-2.88、w4=2.136、w5=-10.22。

從巖石力學(xué)角度分析,造成井壁坍塌的原因主要由于井內(nèi)液柱壓力較低,使得井壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石本身的強度而產(chǎn)生剪切破壞[8-12]。由庫侖-摩爾準(zhǔn)則可得到保持井壁穩(wěn)定的坍塌壓力計算公式為

(7)

基于巖石力學(xué)理論,地層破裂是由于井內(nèi)鉆井液密度過大使巖石所受的周向應(yīng)力達到巖石的抗拉強度而造成的,由巖石拉伸破壞準(zhǔn)則,可得巖石產(chǎn)生拉伸破壞時地層破裂壓力計算公式為

ρf=3σh-σH-αpφ+St

(8)

式中,ρf為破裂壓力,MPa;St為巖石抗拉強度,MPa,試驗證明其與單軸抗壓強度成正比,可以通過抗壓強度轉(zhuǎn)換得到。

基于上述壓力計算模型,結(jié)合前文計算的巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)、地應(yīng)力等數(shù)據(jù),利用測井資料計算并分析了元壩氣田地層壓力體系。從計算結(jié)果可知,元壩氣田地層孔隙壓力縱向分布特征:①千佛崖組以淺地層為常壓區(qū);②自流井、須家河組地層存在異常高壓,安全泥漿密度窗口窄;③雷口坡組頂部孔隙壓力相對較高;④嘉陵江、飛仙關(guān)組地層壓力區(qū)域橫向上變化較大,如西部井區(qū)嘉陵江組地層存在出現(xiàn)壓力系數(shù)達1.9以上的異常高壓;⑤長興組地層基本為常壓。地層坍塌壓力縱向分布特征:①劍門關(guān)至須家河組地層坍塌壓力整體上隨深度增加而增大;②進入雷口坡組后坍塌壓力明顯降低,雷口坡組以深地層壓力整體變化幅度不大;③自流井組等部分層段的坍塌壓力變化幅度較大,坍塌掉塊風(fēng)險大;④坍塌壓力整體上小于孔隙壓力。地層破裂壓力縱向分布特征:①劍門關(guān)至須家河組地層破裂壓力整體上隨深度增加而增大;②雷口坡組以深地層破裂壓力大小基本穩(wěn)定并略有降低;③上沙溪廟組中上部地層的承壓能力相對較弱。

在單井壓力剖面的基礎(chǔ)上,結(jié)合物探資料,通過地質(zhì)統(tǒng)計分析方法建立了元壩氣田各套地層的三維壓力模型。在地層壓力體系空間建模的基礎(chǔ)上,結(jié)合元壩氣田鉆井施工實際情況,對一些復(fù)雜層段的地層三壓力進行切片顯示并分析,可以更全面掌握地層壓力體系分布規(guī)律。

元壩氣田自流井組部分層段含碳質(zhì)泥巖與煤層,井壁垮塌風(fēng)險較大,有必要全面分析該層段的坍塌壓力分布規(guī)律。對自流井組大安寨段至珍珠沖段地層的區(qū)域坍塌壓力分布特征進行了計算分析,圖5為通過地質(zhì)統(tǒng)計分析得到大安寨段地層坍塌壓力區(qū)域分布圖。從圖5可以看到,大安寨段地層西南部及中部區(qū)域坍塌壓力整體較高,YB11井、YB2井附近坍塌壓力最大,西北部與東部坍塌壓力整體較低,YL3井、YL7井附近坍塌壓力最小。

圖5 元壩氣田自流井組大安寨段地層坍塌壓力區(qū)域分布圖

圖6 元壩氣田須家河組三段地層孔隙壓力區(qū)域分布圖

元壩氣田須家河組地層為高壓、超高壓地層,不僅溢流、井噴風(fēng)險大,而且使用較高的鉆井液密度造成該層段鉆井速度極慢,掌握該層段的孔隙壓力分布規(guī)律對于有針對性地制定鉆井提速方案非常重要。對須家河組一段至五段地層的區(qū)域坍塌壓力分布特征進行了計算分析,圖6為通過地質(zhì)統(tǒng)計分析得到須家河組三段組地層孔隙壓力區(qū)域分布圖。從圖6可以看到,須三段地層西北部區(qū)域孔隙壓力整體較高,YB2、YL10井附近孔隙壓力最大,西南部及中部地區(qū)孔隙壓力整體較低,YB5井、YB222井附近孔隙壓力最小。

元壩氣田嘉陵江組地層部分井區(qū)存在高壓水層,對于鉆井施工影響極大。通過計算得到嘉陵江組地層孔隙壓力區(qū)域分布圖(見圖7),從圖7上可以看到,嘉陵江組水層孔隙壓力從西北部井區(qū)向東逐漸減小,該層段高壓層主要分布在西部井區(qū)及中部YB102井區(qū)附近,YB27井、YB271井及YB221井附近地層孔隙壓力系數(shù)超過2.0。

圖8 元壩氣田井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果(以四開井身結(jié)構(gòu)為例)

2 巖石力學(xué)特征分析的應(yīng)用

圖7 元壩氣田嘉陵江組地層孔隙壓力區(qū)域分布圖

根據(jù)分析得到的各類巖石力學(xué)特征,結(jié)合對實鉆復(fù)雜情況的分析,參考超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)現(xiàn)狀[13-15],對元壩氣田前期井身結(jié)構(gòu)系列進行優(yōu)化,以更有效地封隔復(fù)雜層位,提高鉆井效率(見圖8)。 劍門關(guān)組普遍存在出水層,表層套管下深加深,以封隔水層,以便為下一開次采用空氣鉆創(chuàng)造條件,同時采用泡沫鉆井技術(shù)加快鉆速;二開采用空氣鉆井技術(shù),Ф13in套管下深加深至上沙溪廟組底部,對水層和低承壓層進行全面封隔;三開Ф10in套管下深加深至雷口坡組頂部高壓地層,完全分隔高壓;四開用Ф7 in套管完井,如在嘉陵江組鉆遇高壓水層,可下入Ф7in套管將復(fù)雜層位封隔,五開下入Ф5in尾管或裸眼完井。

根據(jù)元壩氣田巖石力學(xué)參數(shù)及可鉆性研究成果,綜合經(jīng)濟效益法、灰色關(guān)聯(lián)法、主因子法等多種鉆頭選型方法[16-18],結(jié)合各類鉆頭特性,計算并推薦了元壩地區(qū)鉆頭選型方案。在上部地層特別是在空氣鉆井階段推薦選用SJT537GK等型號的鉆頭以提高機械鉆速,隨著井深的增加,可選用HJT537 GK等型號的改型牙輪鉆頭,利用其壽命相對較長的特點以減少起下鉆次數(shù)。自流井、須家河組等研磨性強的地層則推薦選用K705TBPXXC等型號的孕鑲金剛石鉆頭配合高速渦輪復(fù)合鉆進,或者選用HJT637GK等型號的強保徑耐研磨牙輪鉆頭,以盡可能提高機械鉆速及鉆頭壽命。在海相地層推薦選用HCD506ZX等型號的進口PDC鉆頭配合進口抗高溫長壽命螺桿復(fù)合鉆進,或者使用M1365R等型號的PDC鉆頭配合抗高溫螺桿復(fù)合鉆進,以取得較高的機械鉆速。

除了上述井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選方面的應(yīng)用,元壩氣田巖石力學(xué)特征研究成果還在鉆井水力參數(shù)優(yōu)化、新型鉆井工具適應(yīng)性評價、鉆井液體系優(yōu)選等方面得到全面應(yīng)用,為最終形成適合元壩氣田的鉆井提速配套技術(shù)打下了堅實基礎(chǔ)。選定的YB10、YB124、YB205、YB16、YB103H等5口鉆井提速試驗井平均機械鉆速達到2.0 m/h,相比前期完鉆井前提高了26.58%,試驗井平均鉆井周期331.86 d,相比前期完鉆井縮短了35.39%,提速效果明顯,巖石力學(xué)特征分析基礎(chǔ)研究在其中做出了重要貢獻。

3 結(jié) 論

(1) 通過元壩氣田巖石力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)、可鉆性、地應(yīng)力、地層壓力體系計算與分析,形成了一套有效的超深井巖石力學(xué)特征分析技術(shù),為建立并完善復(fù)雜超深地層鉆井提速配套技術(shù)提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息。

(2) 根據(jù)探區(qū)實際地質(zhì)情況,靈活運用測井信息解釋方法、巖石力學(xué)建模方法、地質(zhì)統(tǒng)計方法,是構(gòu)建超深井巖石力學(xué)特征分析技術(shù)的關(guān)鍵。

(3) 在巖石力學(xué)特征分析中,首先應(yīng)以巖石物理與巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系為基礎(chǔ),建立起各類巖石力學(xué)特征參數(shù)的測井計算模型,同時結(jié)合地質(zhì)、鉆井、測試等信息,可以得到符合現(xiàn)場實際的巖石力學(xué)特征參數(shù)剖面。

(4) 以準(zhǔn)確的單井巖石力學(xué)特征參數(shù)剖面為基礎(chǔ),通過地質(zhì)統(tǒng)計分析,進行區(qū)域縱向與橫向兩方面的描述,可以確定超深井巖石力學(xué)特征分布的規(guī)律。

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