夏宏泉, 王成龍

(1.西南石油大學,油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室, 四川 成都 610500;2.中海油湛江分公司研究院, 廣東 湛江 524057)

0 引 言

井壁穩(wěn)定性的研究可歸納為4個方面:①井壁穩(wěn)定的力學分析研究[1];②泥頁巖穩(wěn)定的力學與化學耦合研究[2];③泥頁巖穩(wěn)定的流固耦合研究[3];④熱-水-力-化耦合分析[4-6]。這些研究都會歸結為力學問題。塔里木盆地SK氣田受古構造運動的影響,尤其是受喜山運動和燕山運動的影響較大,地層高陡,地應力較強,地層巖性復雜[7-8]。另外,其探井超深高溫、異常高壓,存在3套壓力體系[9]。SK氣田鉆井過程中井壁穩(wěn)定性較差,井壁垮塌嚴重,降低了鉆井速度與質量,增加了鉆井成本,影響勘探和開發(fā)的綜合效益。本文基于偶極聲波、密度測井等測井資料和室內巖心實驗及現場實測數據,從巖石力學角度出發(fā),考慮地層強度、裂縫發(fā)育情況和水平主應力比對井壁穩(wěn)定性的影響,引入抗剪強度、滲透率增大系數和水平主應力比建立古近系地層鉆井井壁穩(wěn)定性判別圖版,旨在快速準確地識別井壁穩(wěn)定與否,為優(yōu)質高效鉆井提供決策依據。

1 高陡構造地應力的計算方法

SK氣田地層傾角在2°～42°之間,平均18°左右,屬于高陡構造。研究表明,地應力受地層產狀、孔隙壓力等因素的影響明顯[10-12],隨著地層傾角的增加,地層傾斜對地應力的影響增加。常用的地應力計算模型均未考慮地層傾角及傾向對地應力的影響。樓一珊[13]、鄭琦怡[14]、胥永杰[15]、夏宏泉[16]等對高陡構造地層的地應力計算方法進行了具體研究。樓一珊認為,由于地層傾角的存在,減少了上覆巖層壓力對地層的壓實程度,同時加劇了巖層各向同性體向各向異性體轉換。大多數地層都為各向異性體,當地層傾角較大時,各個方向上的巖石力學性質差異顯得更加明顯。對于傾角較大的地層,在計算地應力時應考慮地層傾斜對地應力影響[10]。樓一珊在黃氏模型的基礎上建立了考慮地層傾角影響的地應力計算模型

(1)

式中,μ為泊松比,無量綱;K為地層傾角系數,無量綱,A、B為構造應力系數,無量綱;γ為井斜角,(°);φ為地層傾角,(°);Kφ為地層傾角影響系數;αr為地層相對傾角,(°);p0為上覆巖層壓力,MPa;pp為地層孔隙壓力,MPa;α為有效應力系數,無量綱;Smax、Smin為最大、最小水平主應力,MPa。

鄭琦怡針對山前構造、地層傾角較高的地質情況提出了考慮地層傾角和構造劇烈程度的地應力計算模型

(2)

式中,E為彈性模量,×104MPa。

SK氣田水平方向的2個地應力差異較大,根據多孔介質有效應力理論認為構造運動和各向異性只影響骨架應力,對孔隙壓力無影響,將以上2項因素與Biot系數分別作為有效應力與孔隙壓力的權值,再結合地層傾斜的影響計算水平地應力[13,17],參考黃氏模型和不同層理產狀下橫向各向同性地層地應力計算模型建立了適合高陡構造(任意產狀地層)的最小、最大水平地應力的計算模型

(3)

式中,ω為地層傾向,(°);ω0為水平最大主應力方位,(°)。

從圖1看出,隨著水平最大主應力方向與地層傾向的夾角(β角)的增加,水平最大主應力降低、水平最小主應力增加,可以推出在水平最大主應力方向與地層傾向夾角為0時地層更有可能受擠壓形成褶皺;在水平最大主應力與地層傾向方向夾角為90°時地層更容易發(fā)生錯動。從圖2可以看出,當β角較小時,水平最大、最小主應力均隨著地層傾角的增加而先增加后減小。從[式(3)]、鄭琦怡模型和樓一珊模型計算的地應力結果與實測數據比較可知,高陡構造模型計算結果與實測值相差較小,其他模型的計算結果與實測值相差較大(如圖3)。研究發(fā)現,KS氣田古近系地應力類型為走滑地應力類型(即Smax>Sv>Smin),且Smax、Smin梯度均值分別為3.1、2.1 MPa/100 m。

圖1 水平最大地應力、最小地應力隨β角的變化

圖2 水平最大地應力、最小地應力隨地層傾角的變化

圖3 3種模型計算的最小水平主應力、最大水平主應力與實測值的對比

2 井壁穩(wěn)定性判別圖版的建立

井壁穩(wěn)定受鉆井液、井壁或泥餅的滲透性、巖石強度、水平地應力比值(Smax/Smin)等因素的影響。不同鉆井液在井壁上所形成的泥餅的性能有著較大差異,鉆井液濾液在井壁上的滲透能力不同,使得鉆井液液柱壓力的擴散程度不一樣。鉆井液液柱壓力越易擴散,井壁穩(wěn)定性越差;當井壁不滲透時,井壁穩(wěn)定性最好;當井壁完全滲透時,井壁穩(wěn)定性最差,此時地層的坍塌壓力接近甚至可能超過地層破裂壓力,幾乎不可能進行鉆井作業(yè),因此,鉆井時要求鉆井液的造壁性好,形成薄、密、韌的泥餅。巖石強度包括內聚力、內摩擦角、抗壓強度、抗剪強度和抗拉強度,地層強度增大,則坍塌壓力降低,破裂壓力增大,安全泥漿密度窗口擴大,井壁穩(wěn)定性變好。另外,水平地應力比值(Smax/Smin)對坍塌壓力和破裂壓力的影響比較顯著,隨著Smax/Smin增大,坍塌壓力增加,破裂壓力降低,安全泥漿密度窗口變小,井壁穩(wěn)定性變差,鉆井作業(yè)就變得越困難[18-19]。

根據巖石的破壞性和非破壞性實驗(比如巖心的單軸抗壓強度或三軸抗壓強度實驗),當巖石受力達到破壞強度的50%以上時開始出現擴容現象;當巖石受力達到其破壞強度的74%以上時,在一些缺陷部位開始形成與主壓應力方向近平行的微裂縫;當巖石受力達到其破壞強度的90%以上時,微裂縫擴展延伸,形成宏觀剪切裂縫[20]。從圖4的裂縫孔隙度與裂縫走向上所受力的關系看出,隨著與裂縫走向平行方向上力的增加,裂縫孔隙度是先減小后增大,即地層中的裂縫隨著走向上受力的增加,首先是被壓密,裂縫孔隙度降低;當應力繼續(xù)增加時,巖石形成新的裂縫,即裂縫孔隙度隨著應力的增加而不斷增加,當應力到達到巖石的破裂強度時,地層破壞形成張性縫,發(fā)生井漏現象。

圖4 古近系地層裂縫視孔隙度與其走向上所受力的關系

從圖5可以看出,古近系地層微裂縫發(fā)育與不發(fā)育段的抗剪強度σs與水平主應力比呈負相關,即隨著Smax/Smin的增加,抗剪強度逐漸降低。

圖5 古近系地層抗剪強度與Smax/Smin的關系

為了能較好地反映裂縫發(fā)育程度,引入地層滲透率增大系數FiK,定義為

FiK=Kc/Kj

(4)

式中,FiK為滲透率增大系數;Kc為巖心分析滲透率,mD;Kj為由孔隙度計算的滲透率(依據實驗數據分析建立孔滲關系),mD。

Kj主要反映的是基質滲透性,FiK的大小反映了地層裂縫發(fā)育程度,當FiK≈1時, 說明巖石裂縫不發(fā)育,滲透能力由儲層孔隙喉道決定,主要為基質滲透率;當FiK>1時,說明裂縫發(fā)育,值越大反映裂縫越發(fā)育。選擇能敏感反映地層裂縫的測井曲線是建立FiK計算模型的關鍵。研究發(fā)現,RLLd、RLLs、GR、AC、DEN等測井曲線受裂縫的影響較大。用這些曲線建立了滲透率增大系數的計算公式

(5)

式中,GR為自然伽馬,API;AC為縱波時差,μs/ft*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;DEN為地層密度,g/cm3;RLLd、RLLs為深淺電阻率,Ω·m。

綜合考慮地層抗剪強度、裂縫發(fā)育情況和水平應力比對井壁穩(wěn)定性的影響,引入抗剪強度(σs)、滲透率增大系數FiK和水平地應力比(Smax/Smin)等3類參數,建立古近系地層井壁穩(wěn)定性判別圖版。統計分析多口井的Smax/Smin和σs/FiK變化情況,考慮鉆井過程中擴徑和泥漿漏失情況,認為擴徑率大于15%則井壁垮塌嚴重,得到如圖6所示的SK氣田古近系地層井壁穩(wěn)定性判別圖版,并建立了如表1所示的判別標準。

表1 古近系地層井壁穩(wěn)定性判別標準

Smax/Smin(σs/FiK)/MPa非裂縫段井壁穩(wěn)定與否<1 41>23地層不易發(fā)生垮塌、縮徑或漏失，穩(wěn)定<1 42<23雖然發(fā)生擴徑或縮徑，但不嚴重，較穩(wěn)定>1 42>23地層受剪切作用較強，垮塌掉塊>1 42<23易漏失，垮塌掉塊不嚴重

圖6 古近系地層裂縫段井壁穩(wěn)定性判別圖版

3 應用實例與效果分析

基于上述模型,利用測井資料準確計算巖石力學參數、孔隙壓力和地應力即可判斷井壁穩(wěn)定性。

××5井古近系地層為膏泥巖、泥巖和泥質粉砂巖(見圖7第5道),地應力差異較大,部分層段發(fā)育裂縫(圖7第4道),在鉆井液的作用下,地層易發(fā)生井壁垮塌和縮徑。在5 135 m地破實驗,鉆井液折算當量密度為2.48 g/cm3,地層破裂,漏失鉆井液37.7 m3,且該深度處裂縫發(fā)育,Smax/Smin=1.53,σs/FiK=25 MPa,預測易發(fā)生漏失和井壁垮塌,與實際情況符合;5 140～5 200 m段屬于非裂縫發(fā)育段,為膏巖和泥巖,Smax/Smin>1.42,σs/FiK>20 MPa,從圖7第1道井眼指示看出,該段垮塌較嚴重;6 320.5～6 336.25 m段為膏巖、泥巖和粉砂巖,地層裂縫較發(fā)育,Smax/Smin≈1.54,σs/FiK≈20 MPa。根據判別圖版和標準預測發(fā)生滲透性漏失,實際漏失鉆井液77.3 m3,預測結果與其相符。

圖7 ××5井古近系地層部分井段的井壁穩(wěn)定性分析綜合成果圖

4 結 論

(1) SK氣田古近系地層高陡,泥質粉砂巖地層微裂縫發(fā)育,膏巖和泥巖段井壁穩(wěn)定性較差,鉆井過程中井壁垮塌和漏失頻發(fā)。

(2) 該套地層傾角變化較大,地層傾斜對地應力的計算影響較大。利用測井資料并綜合考慮地層傾角、傾向和水平最大主應力方向對地應力的影響,建立適合于工區(qū)的地應力計算模型。研究發(fā)現,隨著水平最大主應力方向與地層傾向的夾角(β角)的增加,水平最大主應力降低,水平最小主應力增加,且水平最大、最小主應力均隨著地層傾角的增加而先增加后減小。

(3) 隨著Smax/Smin的增加,井壁穩(wěn)定性變差;隨著巖石強度的增大,井壁穩(wěn)定性增加,而裂縫作為地層流體的滲流通道,對井眼穩(wěn)定性影響較大。引入地層抗剪強度、Smax/Smin和滲透率增大系數,建立古近系地層(裂縫段與非裂縫段)的井壁穩(wěn)定性判別圖版和標準,由此標準能快速準確地判斷井壁失穩(wěn)的類型和位置,尤其是垮塌和漏失層段。

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