深水钻井的地质力学分析.pdf

制 耋 段 力 水 下 1 3 ③ 3 ～ 弓 z ／ 深 水 钻 井 的 地 质 力 学 分 析 白 B e ret S．Aa d n y著 引 言 A乱 c I h 8 众所周知 ，过 去深 水 钻并 非 常 困难 ，主 要 与上部岩 层的松散 沉积和低断裂强度有关 。 随着水 深的增加 ，有些问题会更加难 以控制 。 其 中有 井 眼稳 定性 问题 、水 流 人 井 眼 问题 、 注水泥 问题 、立 管问题 、钻井液 的温度问题 、 井涌控制及 斜度稳定性问题等。 1 ． 浅水流动 据报 道 浅 水 流是 钻 井 复 杂 问题 的原 因 ， 表现为钻 井 、下套 管 及注水 泥 出现 困难 在 墨 西 哥 湾 的 8 O 口 深 水 井 中 水 深 超 过 6 0 0 m ，6 O ％ 以上 的 井都 有 过某 种程 度 的浅 水 流。最槽 的情 况下油井不得不报废 。 深 水 钻 井 在 海 底 以 下 9 0～ 2 1 0 0 m 深 度 内．可能发 生浅水 流动。 由于 上覆 页 岩 的封 盖作用 ，砂 岩层可 能 稍微有 些超 高 压。钻 井 时如果发现 这个 问题 ，建议 下套 管到 砂岩层 顶 面 ，然后 在注水泥之 前用干净液体封隔 。 B y r d等描述 了一 种用二维 和三 维地震识 别可能 出现 含水 砂 岩的方 法。在 密西 西 比三 角洲上 的作业 ，常在海底 以下 约 7 5 m 深处下 3 O 套管 ，在 5 0 0～6 o 0 I T 1 处下人 2 O 套 管 ，在 j 1 2 0 0 m处下 1 2詈 套管。 o 2． 浅层坍塌 砂质夹层 的坍塌被 认 为是 臆含 钻 井问题 的另一 原 因。从 岩石 力 学角度 来讲 ，砂 岩 的 强度 可能与摩擦 角有关 ，但没 有粘 结强度。 7 f 乏垒壅 译 李根 生摘校 为稳定井壁 需要 实行 两个措 施 ，即 提 高井 眼液柱压 力和 由滤饼 防止井 壁 内的孔 隙 压 力增 加 如果 细 心钻 井 ．弱砂 岩层 就 不会 出现坍 塌可 以用测 量压 力和 温度 的新 一代 MWD工具 测量 并控 制实际井下压力 。 循环 漏失常 导致 卡钻 问题 。井 涌事 故常 与循环 漏 失相关。重新 恢 复钻 井之前 通 常必 须 重新恢复 循环 。 有四 关键 参数控 制 着这 些 同题 ，原地 应 力状 态 、井 眼压力 、孔 隙压力 和泥浆 性能。 在井壁坍 塌 问题上 ，应 力 和泥 浆性能 是 主要 参数 ，而在断裂 及循环 漏 失 问题上 应力 是决 定 因素 。岩 石 的抗拉 强度 低 ，通 常 因假设 存 在裂纹而 忽 视该强 度。假设 主 应力包 括垂 直 方 向的上覆应 力和 两个水 平应 力 ，则 知道 应 力状态 ，就可 以合理 预测井 眼情 况。 模型的建立 从实践 的角度 看 ，我们缺 少 岩石 特 性随 深度变 化 的详细资 料 ．只 能集 中在一 级影 响 因素上 ，即原 始地应 力上 。为此 将设 计 一个 深水 破 裂 压 力 的 实验 模 型。B r e c k d s和 Va n E e k e I e n将漏失数据作为深度 的函数并 做 了大 量研究 。但 他们没有规范化水深效应 。 本文表 明，当量上 覆应力 梯 度 可与水 深 建立直接 联 系 ，而且还 认 为漏 失压力 直接 取 决于上覆应 力。下 面通 过规 范 化水深 来分 析 一 些漏 失资 料。假定所 有 资料 中的孔 隙 压力 正 常 ，可 采 用 Aa 1 n 所 用 的方 法 ，每 组 数 维普资讯 1 4 国外 钻井 技术 第 l 5卷2 0 0 0年第 3期 图 1 深 度计 算示 意 图 据都 以海底为准进行规 范化 图 1 。 D D D 一 Dt P破裂压 力 P硅 一P海 承 1 这些数据 是 用压力 而不是 压力 梯度来 分 析的 。每个漏 失压 力都 减去了海水压力 。 可 以用一个例 子说 明规范化过程 漏 失 值 1 ． 5 1 s ． g ； 深 度 1 6 4 0 m； 气 顶 2 6 m；水深 3 7 0 m。 漏 失 压 力 0 ． 0 9 8 1 ． 5 1 X 1 6 4 0 2 4 2． 7 b a r 水 压 0 ． 0 9 8X1 ． 0 33 7 03 7 ． 3 b a r 水 压 以 下 破 裂 压 力 2 4 2． 7 3 7． 3 2 n 5． 4 h a r 海 底 以下 深度 1 6 4 03 7 02 6 1 2 4 5 m 图 2表 明从许 多 油 田及世 界上 几个 地 区 取得 的漏失 资料 ，以海底 为标 准进 行规 范 化 所得 的 结 果 取 资 料 井 的水 深 在 1 3 5 m 到 2 0 7 1 m 之 间。请 注意 无论 水深 大小 所有 数据 都 落在 同一范 围内。 这与 An d e r s e n和 L t mn e 报 告 中的实验 室 试验 观察结果一致 。 图 2的 中间 曲线 表 示 的是渗 透 情况 。最 低 的曲线代 表正 常 的孔 隙压力 。如果 暂 时 回 到传统 压裂理论 ，则按 Ki t s c h的方 程假 定井 壁为非 渗透性 的 。也 就是 说 如果井 壁水 渗透 或存在 完整 的过滤 泥 饼 ，该方 程就 确定 了压 裂压力 。若使上 面破 坏 曲线 近似 等 于上 覆应 力 ，则 水平 应力 与上 覆 应 力之 比 M由方 程 2确 定 jⅥ 旦 1 2 0 0o b 式 中d 水平应力 。 上 覆应 力 ； P 孔隙压力 。 如果上覆 应力大 约是 孔 隙压力 的两倍 ，可看 到水平应力大 约是上覆应力的 0 ． 7 5倍。 图 2大多 数数据 落在 渗 透与非 渗透破 坏 模型之 问 这 说 明井壁 泥饼 的性质 可能决 定 着漏 失实 际发生 时 的压 力值。井壁 泥饼 的性 质取决于许多 因素 ，例如钻井液的 固相 含量 、 水湿 性 、渗 透性 和泵排 量 。将 来 的重 要工 作 就是量化这些 影响。 净 l k 力， P 一 o r 3 l 1 0 。 羹 6 0 o 盟8 0 0 1 0 0 0 l 2 0 0 图 2 不 同水探 的漏 失 压力 以海 底 为标 准无 因次 化 我们将 用 图 2的 资料得 出一个 一般 性破 坏方程 。高的破裂压力 由上 覆应 力曲线确 定 ， D ， ． D D 一 Df 一 广 1 2 ． 0 } 3 式中 从 钻井平 台计算 的破 裂压力梯 度 s ．g ． 海水压力梯度 S g D 钻 井 平 台 与 海 平 面 间 的 距 离 m D 水深 m D从钻井平 面算起 的总深度 m 下 面 将 用方 程 3建 立 的初 始 破裂 模 型 ， 维普资讯 l 5 作 为设计油井过程及 钻井 期间的参考 。 为 了实 际应 用 ，用一个 地 区现有 的实 际 数据 进行破 裂预测 是很 有 利的。但是 井 与井 的水 深可能 有很大 区别 。因此 必须对 水 深变 化 进 行 校 正 。 由于上覆应 力与破 裂压 力 问存在 直 接联 系 。由此可得 出一 方程 规范化 不 同水 深 的资 料 。假定下标 1指 的是 老数据 组 ，下 标 2指 新 的 预 测 。输 入 的 数 据 为 漏 失 压 力 梯 度 d wf J 、深度 DI 、水深 D I 和 钻 台离海 平 面高 度 Df l 。图 1表示 出涉及到 的深度 。 漏失压 力 为 0． 0 9 8 d Dl ，作用 在 海底 的水压为 0 ． 0 9 8 9 D I 。 海 底 的纯 压 力 为 0． 0 9 8 l Dl一 Ow 1 ，海底 以下 的井深 为 Dl D l I f l 。 现在 可 以计 算不 同 水深 时 的 破 裂 梯 度。 新 的深度为 De Dl D l Dnj DW 2 D盘 在 1 0 0 0 m 深 的水 中用 同样钻 台离 海平面 的距 离计算 附近井的 预测漏失 压力梯度。 钻 台算起 的新参考深度 为 D， 1 0 0 0 1 0 0 05 0 0 2 52 5 1 5 0 0 m 新 的漏 失压 力梯度为 m_ 1 ． 5 l _ 0 3 1． 3 4 s ． g． 现 场 事 例 下 面举 两个 现 场事 例以 评价提 出的模 型 的质量 ，即应用 到实 际井 时 的质量 。它们 分 别 称 为井 A 和 井 B。 井 A 是 在 】 2 7 4 m 深 的 水 中钻井 ，而井 B是在水深 8 8 9 m 的水中钻井 。 在每 口井 中进行 了两 次 漏失 实验 。井 A 表现 出压裂模 型和漏 失资 料之 间很好 的吻台 性 。但是井 B表 现 出同样 的趋 势但漏 失值 总 低于压 裂模 型。 新 的破裂 压力 是海 底规范化 压力 加上新 的水 压 之 和 0 ． 0 9 8 d l Dl一 D 1 0． 0 9 8 9 D 从钻 台算起 的 梯度 为 0． 0 9 8 d 。将 以上两 个表达 式相 等得 出规范化破 裂压 力梯 度 的方程 d D2 Dl Dw 2一D Dt 2 DⅡ 4 这 些规 范化 的方程 可以应 用在上覆 应力 和参 考高 度的所 有参数 ，例 如破 裂 压力 、原地应 力和 孔隙压力 。换句话 说 ，破裂压 力 梯度 现 在 既对水深规范代也对钻 台海拔高度规 范化。 可 以用一个例子表明这种应用 例 d l 1 ． 5 s ．g ，漏 失压力梯度 D 】 0 0 0 m，从钻 台算起 的总 深 D l 5 0 0 m，水 深 D 2 5 m，钻井平 台离海平 面距 离 d 1 ． 0 3 s ．g ，海水密度 l O I O 姥 2 0 0 0 图 3 井 A 水深 1 2 7 4 m和井 B 水深 8 9 9 m的潺失 数据 目的是用前 面两 井 的资料 得 出对破 裂 压 力的预测 。如果钻井 时钻井平 台的海拔 高度 下转第 3 4 页 ●■● ， 维普资讯 国外钻井技术 第 l 5卷2 0 0 0年第 3期 在 BHA、动力 C T 及地面 设备 匕都 没有 发生损坏 现象 ，这种 电 动钻 井方式 既 安全 叉 可靠 ，试验 以后 ，设 备运 回到 试验室 拆 开 进 行检查 ，下接 头的工 作情 况 良好 ，下 连接 器 中的 动 力 电 缆 没 有 被 扭 曲 或 移 动 工 具 没 有 腐蚀泄漏等 迹象 。 齿轮箱 出现 硬化 现 象 ，因 为扭矩 超 出允 许值 4 0 ％。柔性接 头 ，柔性轴 及轴 承组件都 有 轻 微 的磨 损 。 马达的性能 超 出了预 想值 ，几 乎没 有 什 么物理损伤 的迹象 ，所 有的连 接件工 作 情况 良好 ，没有振 动伤害 B HA的迹象 今 后的 改进 第二 阶段 的 目标 是 设 计 一 种 替 代 马达 。 它 具 有 较 高 的 动 力 ，并 且 不 需 要 齿 轮 箱 ， B HA 的发展 目标是装 入井下传 感 器 ，以测量 钻压和钻速 。在 这 一阶段 可加 入简单 的反馈 与控 制环 节使得 在 其它 钻井参 数变 化的时候 保持钻速 和钻 压恒 定。最终 的 目标是 设 计 制 造一种闭环 的 电动 钻井 系统 第 三 阶段 的任 务是把 它与井 下定 向传 感 器结合 起来 ，并使 它具有地质导 向能力。 结 论 E CI 、 I 可作为常规 CT D可靠 的实 际替 代 产品 ，这 项 目的第一 阶段 目标 生产制 造 了 套经 济有 效 的样 机 ，实 际试 验 性能超 过 了 预想值 试验结 果证 明有 以下结论 I ． 增 加 了钻具组合 的可靠性 2． 通 过使 转 速 独 立 于排 量 ， 加 了 B HA 的可 控 性 。 3． 通过 一个 高质 量 、高数 据传输 率遥控 路径 ．实现 了对 数 据反馈 ，可 以用 于地 质导 向和其它用途 4． 可 以在 钻 井 阶段 测 量 钻 头 扭 矩 以及 钻 头上 的工 况以获得更多 的数 据。 该系统把 电力 和遥控 相 结台 ，困此 有 其 它 许多 用途 ，它提供 了一 种 B HA模式 ，可 以 用 于不 同的钻 井 目的及在 广泛 的钻井环境 中 使用 译 自J I 叮 1 9 9 8，9 上 接第 l 5页 相同而且水 深 相 同，那 么 就可 以直接 应 用 图 2的数 据 然 而 ，两 口井每 口只 能应 用 于特 定 的水深条件 下面我们将 对井 A 和井 B的 资料 采用褊 失规范化模 型 图 3表示 出 了两种 情 况。井 B符 合破 裂 曲线 ，但 井 A 的数值 较低 。在计 划新井时采 用 这些 资料 ，我们就 可 以用 破裂 模型和井 B的资料 预测 破裂 压力 ，但 是 用井 A 的资料 只能评价循环漏失 的可能性 。 结 论 本文建立 了浅 海地 区 上覆 应力 梯 度 的一 般模 型。 由于 水 对总上 覆 应力 的影 响 ，深水 情 况 下 的梯 度 较 小 。 对世 界范围 内的深水 钻 井 中得到 的漏 失 资料进行 了编 辑 通过 以海 底 为参照 物进 行 规范化对 资料 进行 了分析 。结 果表 明无论地 区或水深 如何 变化 ，数据都 是 类似 的。现场 数据 与渗透 渗透破裂模型相符 井眼压裂 被认 为受井 壁上 应 力 和井 壁 泥 饼的严重影 响 用 上覆 应力模 型 建立 了 一个 简单的破裂 初 始模型 在深 水 中由于 上覆 应 力梯度低 ，它表 现出的破 裂强度低 根据 以上模 型建 立 了一个 漏 失规 范化模 型 。用该模 型可 以规范 不 同水深 条件 下油 井 漏失数据 ，从而对其 它水深进行预测 。 译 自 1 R D C／ S P E 3 9 3 3 9 维普资讯