陳立強(qiáng)，薛懿偉，王贊，王占領(lǐng)，賀占國，邵宇航

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司 （天津 300452）

0 引言

渤中坳陷是渤海灣重要油氣勘探盆地，特別是近年來坳陷內(nèi)多個構(gòu)造區(qū)塊古潛山獲得重要天然氣發(fā)現(xiàn)，凸顯了環(huán)渤中凹陷千億方規(guī)模大氣田良好前景[1-3]。但該區(qū)域古潛山儲層埋深均在4 500 m 以上，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，館陶組及東營組存在薄弱地層，多口井在Φ311.15 mm 井段薄弱地層鉆進(jìn)期間發(fā)生漏失，嚴(yán)重影響了鉆井效率[3-4]。如何安全、順利地鉆穿薄弱地層成為了亟待解決的難題。

鉆具在井眼內(nèi)下放會產(chǎn)生激動壓力，激動壓力大小與地層特性、井眼幾何尺寸、鉆井液流變性及鉆具下放速度等因素密切相關(guān)[5-6]。因此控制鉆具下鉆速度，避免激動壓力壓漏地層成為了重要措施之一。激動壓力以彈性波的形式存在并傳播，極易造成地層破裂、循環(huán)漏失等事故[7-9]。關(guān)于激動壓力的研究，國內(nèi)外學(xué)者多集中在其預(yù)測精度及軟件開發(fā)上，且研究也比較成熟[7-14]。因此，基于國內(nèi)外學(xué)者成熟的研究成果，將研究重心放在激動壓力破壞地層的機(jī)理上，設(shè)計(jì)合理的鉆具下放速度，指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)，避免出現(xiàn)壓漏地層的現(xiàn)象。

地層漏失、破裂的研究多應(yīng)用在壓裂方面，國內(nèi)外學(xué)者對裂縫起裂機(jī)理的研究已較為成熟，當(dāng)井壁處周向應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度時，導(dǎo)致巖石發(fā)生拉伸破壞[15-16]。認(rèn)為激動壓力導(dǎo)致鉆井液通過滲濾作用進(jìn)入井壁周圍地層，從而影響井周應(yīng)力及地層壓力分布，進(jìn)而影響巖石的破裂強(qiáng)度[17-19]。考慮鉆井液密度、鉆具下放速度、下放深度3個主要可控影響因素，建立鉆具下放過程中的井底安全評估圖版，為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆井施工參數(shù)提供重要依據(jù)，從而保障鉆井過程的順利進(jìn)行。

1 渤中區(qū)塊地層特征

渤海油田地層從上至下為：第四系上新統(tǒng)中新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組上段、下段，中新統(tǒng)館陶組，漸新統(tǒng)東營組一段、二段、三段，始新統(tǒng)沙河街組、孔店組。其中明化鎮(zhèn)組上部砂泥巖不等厚互層，下部厚層泥巖夾砂巖，多含塑性泥巖。館陶組上部砂泥巖不等厚互層，中下部厚層砂礫巖夾薄層泥巖。東一段和東二上段砂泥巖不等厚互層，多含玄武巖、沉凝灰?guī)r，東二下段和東三段上部砂泥巖不等厚互層，中下部厚層泥巖為主，多含閃長斑巖。沙河街組以厚層泥巖為主，發(fā)育生屑云巖。孔店組發(fā)育大套厚層含礫砂巖、砂礫巖。太古界潛山發(fā)育花崗片麻巖[3-4]。

渤中區(qū)塊館陶組及東營組存在薄弱層，該薄弱層承壓能力較弱，故井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Φ311.15 mm 井段鉆穿該薄弱層，并下套管固井封固以便安全鉆開沙河街組高壓地層。根據(jù)已鉆多口井顯示，該井段鉆進(jìn)期間薄弱層多發(fā)生漏失現(xiàn)象，因此急需針對該區(qū)塊展開鉆具安全下放速度研究，以避免出現(xiàn)激動壓力過大壓漏地層等井下復(fù)雜情況。

2 井周應(yīng)力及地層壓力分布模型

2.1 鉆井激動壓力模型優(yōu)選

鉆井激動壓力的計(jì)算模型分為穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型和瞬態(tài)計(jì)算模型，前者沒有考慮鉆井液流體的壓縮性以及井眼的膨脹性，后者考慮較為全面。因此，瞬態(tài)計(jì)算模型得到的激動壓力值與實(shí)測值較為接近，穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型得到的激動壓力值較實(shí)測值偏高[20-21]，但穩(wěn)態(tài)法更為安全，計(jì)算更為簡單快捷?？紤]海洋鉆井的安全系數(shù)要求較高，因此，采用穩(wěn)態(tài)法計(jì)算模型，激動壓力為：

式中：psw為激動壓力，MPa；H 為井深，m；D 為井眼直徑，m；d0為鉆具外徑，m；v為鉆具下放速度，m/s；ρ為鉆井液密度，g/cm3；λ為摩阻系數(shù)；t為時間，s。

2.2 井周地層壓力分布模型

鉆具下放過程中產(chǎn)生激動壓力psw，導(dǎo)致井底壓力pw升高，考慮鉆井液的滲濾效應(yīng)，部分鉆井液流體滲入井壁圍巖，改變了地層孔隙壓力p，造成額外的周向應(yīng)力σθ3。根據(jù)文獻(xiàn)[22-24]可知，地層孔隙壓力的升高會降低巖石的抗拉強(qiáng)度，從而易造成地層破裂、循環(huán)漏失等井下復(fù)雜情況?；谝陨霞僭O(shè)，井壁周圍地層壓力為：

式中：pw為井底壓力，MPa；r 為距井眼軸線的距離，m；psw為激動壓力，MPa；ph為靜液柱壓力，MPa；K=k/μnβ，k 為巖石滲透率，m2；μ 為流體塑性黏度，Pa·s；n為巖石孔隙度；β 為流體壓縮系數(shù)，MPa-1；J0與 Y0分別為第1類、第2類零階貝塞爾函數(shù)。

2.3 井周應(yīng)力分布模型

假設(shè)地層巖石為均勻各向同性、線彈性多孔質(zhì)材料，井壁圍巖處于平面應(yīng)變狀態(tài)，對井眼周圍巖石應(yīng)力狀態(tài)數(shù)學(xué)模型做出以下假設(shè)：在無限大平面上，井眼內(nèi)受均勻內(nèi)壓力pi、最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh作用，垂直方向受上覆地層壓力σv作用。巖石變形相對于無限大地層為無限小，故巖石為小變形彈性體，因此線性疊加原理適用[12]。當(dāng)井內(nèi)流體壓力增大或造壁性能不佳時，由于鉆井液的滲濾效應(yīng)，造成井壁周圍孔隙壓力增大從而產(chǎn)生附加應(yīng)力場。因此，井壁圍巖總應(yīng)力狀態(tài)可通過先研究各應(yīng)力分量對井壁圍巖應(yīng)力的影響，再運(yùn)用疊加原理得到總應(yīng)力分布。

井壁巖石所受周向應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度時，巖石發(fā)生破壞，周向應(yīng)力由3個方面組成：①地應(yīng)力引起的周向應(yīng)力σθ1；②井筒內(nèi)流體壓力引起的周向應(yīng)力σθ2；③井內(nèi)流體滲濾效應(yīng)引起的周向應(yīng)力σθ3[25-26]。各周向應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：R 為井眼半徑，m；A=（1-2ν）（1-KB/KM）/（1-ν），ν 為泊松比；KB與KM分別為巖石骨架與充填礦物的體積模量，MPa；θ為井眼周向角，（°）。

考慮有效應(yīng)力準(zhǔn)則，并運(yùn)用應(yīng)力疊加原理，則可以得到有效周向應(yīng)力σθ為：

根據(jù)巖石破裂準(zhǔn)則，當(dāng)井壁巖石有效周向應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度σt時巖石破裂[12]，即：

該模型的求解采用辛普森積分法，利用Matlab軟件編制計(jì)算程序進(jìn)行數(shù)值求解，利用Origin 軟件對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行編輯出圖。

3 井底安全評估圖版建立及應(yīng)用

上述模型以渤海油田渤中區(qū)塊地層及工程參數(shù)為基礎(chǔ)，以Φ311.15 mm 井眼為分析對象，模型參數(shù)見表1。模型參數(shù)分為2類：一類是取決于油田儲層性質(zhì)的客觀地層參數(shù)；另一類是主觀的工程參數(shù)，如鉆具下放速度、鉆井液性能等。

表1 模型參數(shù)

3.1 井底安全評估圖版建立

由于鉆具下放產(chǎn)生激動壓力，加之鉆井液滲濾效應(yīng)影響井壁附近地層孔隙壓力，且滲流作用一直存在，造成井壁附近的地層孔隙壓力在時間和空間上不斷發(fā)生變化，運(yùn)用疊加原理得到井壁周圍有效周向應(yīng)力分布規(guī)律，如圖1所示。短時間內(nèi)，有效周向應(yīng)力為負(fù)值，即為壓應(yīng)力，距離井壁越遠(yuǎn)，壓應(yīng)力越大；隨時間推移，近井壁附近有效周向應(yīng)力為正值，即為拉應(yīng)力，距離井壁越遠(yuǎn)，拉應(yīng)力逐漸減小，恢復(fù)為壓應(yīng)力；在井壁處，有效周向應(yīng)力隨時間推移逐步由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。根據(jù)巖石破裂準(zhǔn)則可知，井壁巖石有效周向應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度時巖石發(fā)生破裂，即σθ=σt。

圖1 激動壓力作用下井壁有效周向應(yīng)力分布規(guī)律

從圖1 中可以看出，井壁處的巖石有效周向應(yīng)力最先達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度，最先破裂，因此重點(diǎn)關(guān)注井壁處的最大有效周向應(yīng)力。綜合式（1）-式（8）可以看出，井壁處有效周向應(yīng)力是鉆具下放速度、下放深度、鉆井液密度的函數(shù)，而這3個參數(shù)亦是主觀可控的工程參數(shù)。在某一深度處以鉆具下放速度及鉆井液密度為變量，繪制有效周向應(yīng)力分布云圖，從而繪制出不同井深處的鉆具下放速度及鉆井液密度為變量的有效周向應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。

圖2 不同井深處井壁圍巖拉伸破壞控制曲線

圖2（a）為深度2 200 m、圖2（b）為深度4 200 m，不同鉆井液密度、不同鉆具下放速度的井周最大有效應(yīng)力分布。在低鉆井液密度及低鉆具下放速度條件下，有效周向應(yīng)力為負(fù)值，即為壓應(yīng)力；隨鉆井液密度及鉆具下放速度的增加，在激動壓力的作用下，有效周向應(yīng)力逐步變?yōu)檎?，即變?yōu)槔瓚?yīng)力；“0.0包絡(luò)線”即為壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力的控制曲線，為裂縫性地層發(fā)生破壞的控制曲線；“4.0包絡(luò)線”為拉應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度的控制曲線，為完整性地層發(fā)生破壞的控制曲線。

圖3 井底安全評估圖版驗(yàn)證分析

通過對比不同井深的包絡(luò)線可以看出，隨著井深的增加，包絡(luò)線越向右上方移動，即包絡(luò)線所對應(yīng)的鉆井液密度及鉆具下放速度選取范圍越廣。將圖2 中不同深度的拉伸破壞控制曲線（“4.0 包絡(luò)線”）合成到一張圖，形成了考慮激動壓力影響的井底安全評估圖版，如圖3所示。

3.2 井底安全評估圖版應(yīng)用

該模板的使用方法為：對于某Φ311.15 mm 的井段斜深為1 800 m，設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.25 g/cm3，鉆具下放最大速度為1.1 m/s，對應(yīng)圖版A 點(diǎn)，A 點(diǎn)位于1 800 m 控制線（紅色曲線）左下方，即井壁處有效周向應(yīng)力小于巖石抗拉強(qiáng)度，因此該工況產(chǎn)生的激動壓力不會壓漏井底地層。而對應(yīng)的B點(diǎn)由于鉆具下放速度過大，位于1 800 m 控制線的右上方，即井壁處有效周向應(yīng)力大于巖石抗拉強(qiáng)度，會壓漏井底地層，因此需要降低鉆具下放速度。C 點(diǎn)由于設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.31 g/cm3比較高，在此工況下，為保證井底安全，應(yīng)降低鉆具下放速度至D 點(diǎn)。這里需要指出的是不同油田區(qū)塊的地層參數(shù)不盡相同，因此形成的安全評估圖版也不同，針對不同的油田區(qū)塊以該方法繪制自適應(yīng)的圖版，從而指導(dǎo)油田區(qū)塊的鉆完井作業(yè)。

利用該模板對本油田區(qū)塊作業(yè)的7 口探井Φ311.15 mm 井段激動壓力影響下的井底安全進(jìn)行驗(yàn)證分析，其Φ311.15 mm 井段深度、鉆井液密度、鉆具最大下放速度見表2。well1 井Φ311.15 mm 井段深4 313 m，該井段鉆井液密度為1.43 g/cm3，模型建議最大下放速度為1.20 m/s，實(shí)測鉆具下放速度數(shù)據(jù)點(diǎn)133 個，其中有24 個點(diǎn)高于1.20 m/s，最大下放速度高達(dá)2.08 m/s，超允許下放速度限值高達(dá)18%。該井Φ311.15 mm 井段鉆進(jìn)至4 313 m，起鉆更換鉆具組合，下鉆至井底發(fā)生漏失，處理漏失共耗時72 h以上。

以well 2 井為例，Φ311.15 mm 井段深3 836 m，鉆井液密度為1.40 g/cm3。通過將錄井?dāng)?shù)據(jù)中的1 312 個鉆柱下放速度數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到圖版中可以發(fā)現(xiàn)，為保證井底安全，該工況下鉆具下放速度不得超過1.21 m/s，而實(shí)際錄井?dāng)?shù)據(jù)中只有4個點(diǎn)略高于1.21 m/s，即鉆具下放控制速度的合格率為99.7%，該井并未發(fā)生井漏事故，按此驗(yàn)證方法，其余5口井均驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

為防止井漏及井涌壓井時壓漏地層，鉆井工作者提出盡量控制下放速度防止激動壓力過大，從井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度提出了附加激動壓力當(dāng)量密度以保證井壁穩(wěn)定，但該參數(shù)的選取是一個范圍，為0.02～0.04 g/cm3，無法適應(yīng)具體井。提出的井底安全評估圖版考慮鉆具下放速度、下放深度、鉆井液密度，在鉆井設(shè)計(jì)階段可根據(jù)設(shè)計(jì)鉆井液密度、設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，從而給出最大允許鉆具下放速度。在實(shí)際施工過程中，可根據(jù)實(shí)時的鉆井液密度及井深，在圖版中對應(yīng)出最大允許下放速度，從而確保井底井壁處有效周向應(yīng)力不超過巖石抗拉強(qiáng)度。

表2 案例分析數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）激動壓力影響井壁周圍地層壓力分布，進(jìn)而影響井周應(yīng)力分布，以井壁有效周向應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度為破裂準(zhǔn)則，得到了井底安全評估模型。

2）鉆井液密度及鉆具下放速度較低時，受激動壓力影響的井壁有效周向應(yīng)力為壓應(yīng)力，隨著鉆井液密度及鉆具下放速度的增大，井壁處有效周向應(yīng)力逐步變?yōu)槔瓚?yīng)力，直至達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致井壁巖石破裂。

3）提出的井底安全評估圖版，相比以前激動壓力系數(shù)寬泛的選取范圍，本圖版更加簡單明了，通過本區(qū)塊7口井的應(yīng)用分析，驗(yàn)證了本圖版的準(zhǔn)確性。

4）鉆井設(shè)計(jì)過程中，針對薄弱地層，應(yīng)重點(diǎn)評估鉆具下放速度、下放深度、鉆井液密度對井底安全的影響，防止有效周向應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度造成地層破裂，從而保證鉆井安全。

5）考慮海洋鉆井安全系數(shù)要求較高，故選用計(jì)算結(jié)果較為保守的穩(wěn)態(tài)波動壓力計(jì)算方法，提出的井底安全評估模型對瞬態(tài)波動壓力依然適用，各油田應(yīng)針對自身特點(diǎn)選取合適的波動壓力計(jì)算方法。