深水油气田钻井安全密度窗口计算方法.pdf

石油天然气学报2 0 1 2 年 0月第 j 4 卷第 l o 期 Jo u r n al o f Oi l a nd Ga s Te c hno l o g y c t ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 3 4 No ． 1 0 深水油气 田钻井安全 密度窗 口计算方法 谭强 ，蔚宝华 ，邓金根 闫传梁 ，赵 凯 中国石油大学 北京 油 气资源与探测国家 重点实验室， 北京’ 。 。 [ 摘 要] 近年 来深水油气勘探发 展迅速，与陆上及 浅海区域 的钻井相 比，深 水上覆岩层压 力较低 ，容 易发 生漏 失。另外 ．深水浅层泥 页岩也容 易发生水 化坍塌。 因此，深水钻井 中要求提 供 更精 确的安全 密度 窗 口，以防止发 生复杂事故。通过借 鉴陆上 与浅海地 区钻 井 中的井壁稳定 性分 析方 法，结 合深水钻 井 自身 特点 ，得 出了深水钻井安全 密度 窗口计算方法 ，其 中上覆 岩层压 力利用 密度 积分 方法计 算，孔 隙压力 可 以利用测 井数据根据 E a t o n法进 行计算。针对 深水 浅部 地层 的特殊性 ，建 立 了塑 性 区半径评 价 法用于 浅 部地层坍塌压 力计算 ，并且认为深水钻 井 中漏 失压 力等 于水平最小 主应 力，钻 井 中将 漏失压 力作为允 许 使用钻 井液 密度 的上 限。根据上述计算方 法可 以得 出深 水钻 井的安全 密度窗 口，为钻井工程提供参考。 [ 关键词 ]深水钻井；孔隙压力；坍 塌压 力；漏 失压 力 [ 中图分 类号]TE 2 5 4 ． 1 [ 文献标 志码 ]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 2 1 1 0 0 0 9 8 0 3 随着石 油 f 业 的小断发 展 ，陆地及 浅海 油气 勘探 已逐渐 步人 成熟 阶段 ，深水 成 为油气 勘探 开发 的重 要 方 向。深水 钻井 是指 作业 水深 大于 5 0 0 m 的海洋 钻井 作业 _ l j ，是 一项 资金 投 入大 、技 术 含量 高 的 系统 1h 程 。钻 井 中 面临着诸 多井 壁稳 定 的 相关 问题 ，例 如 受水 深 影 响上 覆岩 层 压 力 梯度 较低 ，造 成 破 裂 压 力 、漏 失压 力较低 ，容易发 生井 漏 ；深水 环境 沉积速 度快 ，泥 页岩 中蒙脱 石含量 高 ，容易 发生 水化 坍塌 等。为保证钻井安全 ，在钻井过程中钻井液密度应高于孔隙压力和坍塌压力当量密度 ，且低于漏失压力 当量密 度 。孔 隙压 力或坍塌 压力 与漏 失压 力之 间 的当量密 度窗 口被称 为钻 井安全 密度 窗 口。相 对于 陆地 或浅海 Ⅸ域 的钻 井 ，深水钻 井要 求井 壁稳定 分 析 的精 度更 高 ，钻井工 作者 对深水 钻井 的安 全密 度窗 口也 更为关 注 ，S a n 1 { s 、Mo o s 、R i t t e r 等 2 - - 4 ] 分别对 深 水钻井井 壁稳 定及 影 响因素 进行 了相关 研究 。 尽管 深水沉 积环 境 与陆地 和浅海 地 层 相 比具 有其 特 殊 性 ，但 在 井壁 稳 定 性 力学 分 析 方 法 上 基本 相 同 ，郜 是从 井 眼周 围应力 分布 分析 出发 ，依据 相关破 坏 准则 判 断井 眼能 承受 液 柱压 力 的 上 下限 。因此 ， 要精 确确定 深水 钻 井的安 全密 度窗 口，也 需要 对地层 孔 隙压力 、坍 塌压 力和漏 失压 力进行 精 细分析 。 上覆岩层压力计算 上覆 岩层 压力 是进行 孔 隙压力 、坍 塌压力 和漏 失压 力分析 的基 础参 数 。在深水 钻井 中 ，可 以根 据海 水 和地层 密度 数据 通过 积分方 法得 到上 覆岩层 压力 ，即 rh ， 口 一p w g h l I h g d h 1 J hI 式 中 ， 为垂 向主应 力 ， MP a ； h 。 、 h 。 分别 为海水 深度 和终 止深 度 ， i “I 1 ； fD 为海水 密度 ， g ／ c m ； P h 为随深 度 变 化 的地 层 密度 ， g ／ c m 。 深 水钻井 上覆 岩层 压力 分析 中的一 个首要 问题 是泥 面 以下 一段 距 离 内缺 少 密度 测 井 数据 ， 解 决 方 法 是 根据 下部 井段 的密度 测井 数据 进行 拟合分 析 。 常用 的拟合模 型 为幂律 模 型 p h 一 p ， A h h I 2 [ 收稿日期]2 0 1 2 0 70 3 [ 基金项目]国家科技重 大专项 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 6 0 0 1 o 1 ；中国石油大学 北京引进 人才科研启动基金 QD - 2 O l o o 9 。 [ 作者简介]谭强 1 9 8 0一 ，男 ，2 0 0 2年大学毕业 ，博士 ，助理研究 员 ，现主要从事井壁稳定研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷第 1 O期 谭强等 深水 油气田钻井安全密度窗 口计算方 法 式 中 ， 为 泥面 处 的地 层 密 度 ， g ／ c m。 ； 为海 拔深 度 ， T T I ； A、 B 为 系数 。 利用 幂 律 模型 对某 深 水 井 地 层 密度 的拟 合 以 及 上覆 岩层 压力计 算 结 果见 图 1 。 由 图 1 可 见 ， 由于 水 深 的 影 响 ， 上 覆 岩 层 压 力 当量 密 度 较 小 ， 这 是 深 水 钻 井 的 一 个 重要 特点 。 2 深水钻井孔隙压 力计算 暑 ● ＼ 稍 等[ 5 ，这些方法适用于 由于不平衡压实作用产生的异常压力 。其 中 E a t o n法是应用最广 的，这种方法 同样适 用 于深 水沉 积环 境 。利用 声波 时差 数据 分 析孔 隙压 力 的 E a t o n模 型 为 一 一 一 A△ t o ／] 3 式 中 ， P 为孑 L 隙压 力 ， MP a ； P 为静 水压 力 ， MP a ； A t 为通 过测 井或 地震 数据 得 到 的声 波 时差 ， s ／ f t ； A t 为 正 常压 实趋 势下 的声 波 时差 ， ／ l s ／ f t ； 为 E a t o n指 数 ， 与钻 井 区域有 关 。 在 深水 钻井 中 ， 正 常压 实趋势 线 可 以根 据 B o we r s 模型 Ⅲ 确定 ， 即 一 l O s 4 式 中 ， A t 为泥 面处 的声 波 时差 ， v s ／ f t ； 口 为假设 孔 隙压 力正 常 时的有 效上 覆压 力 ， MP a ； C 、 D 为系数 。 3 深水钻 井坍 塌压力计算 对于直井 ， 假设地层为线弹性多孔介质 ， 在不考虑钻井液渗流与地层水化 的条件下， 井壁坍塌压力的 计算 公式 为Ⅲ__ 一 二 二 鉴 二 K “ 5 式 中， 为井壁的坍塌压力， MP a ； 、 o - 分别为水平方 向的最大 、 最小主应力， MP a ； C为地层黏聚力 ， M P a ； 为 非 线 性 修 正 系 数 ； a 为 有 效 应 力 系 数； Kc o t 詈一 等 ， 其 中 为 地 层 岩 石 的 内 摩 擦 角 ， r a d 。 利 用上 述模 型计 算得 出的是井 壁 完全 处 于弹性 状 态下 的坍 塌压 力 ， 不 允 许井壁 出现塑性 区 ， 适用 于深 部 地层 。 由于深 水沉 积环 境下 浅部 地层 受 土 的固结 理论 控 制 ， 井 眼钻 开后 井 壁 处 于塑 性 状 态 ， 采 用 弹性 理 论计算坍塌压力将产生较大误差 。 因此对于深水浅部地层 一般指泥面至泥面以下 0 ． 5～ 1倍水深深度 ， 认 为受均 匀 水平 应力 作用 ， 当井 眼周 围塑性 区半径不 超 过井 眼半 径 的 1 ． 6倍 时井 眼可 以保持 稳定 ， 即防止 井壁坍塌的钻井液液柱压力 p 由下式确定 ] f N 十 - - l 1 、2 ⋯ 。 ] 南 6 6 L 二 干 ■ 一 j 式 中 ， N 一 为地 层单 轴抗 压强 度 ， MP a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天然气学报 * 油 气田开发工程 2 0 l 2 年 1 0月 4 深水钻井漏失压力计算 钻 井 中 的漏 失 问题总 体可分 为 两类 一是井 眼 中液柱 压力 过 高 ， 压裂 地 层 造成 漏 失 ； 二 是地 层 中存 在 天然通 道发 生漏 失 。 ] 。 深水钻 井受 上覆 岩 层压 力 较低 的影 响易 发 生 漏失 ， 因此 漏 失压 力 的确定 是 钻井 安 全密 度窗 口分析 的关 键 。 对于 深部地 层 ， 仍然 假设 地层为 线 弹性多 孔介质 。 当井壁上 的周 向应 力超 过地层 抗拉 强度 时地层 被压 裂发 生漏 失 ， 在忽 略钻井 液渗 流效 应 的条件下 ， 直 井破 裂压力计 算公 式 为[ “ Pf一 3 f1 ． i ～ O h ⋯ ～ a p 十 7 式 中 ， 为 井壁破 裂 压力 ， MP a 为地 层抗 拉强 度 ， MP a 。 而在 深 水 浅 层 ，理 论 分 析 表 明 ， 受地 层塑 性 的影 响 ，井壁 上 不 会 出现 垂 直 的可扩展 裂缝 ，随 着井 眼 内液柱 压 力升 高 只可能 出 现水 平 裂缝 ，因此 浅层破 裂压 力主要 受 上 覆岩 层 压 力 控 制 。另外 ， Aa d n o y I 的研 究 表 明 ， 地 层破 裂压力 数值 位 于上 覆 岩层 压 力 和 水平 最小 主应 力之 问 。 因此 ， 为避 免 钻 井过 程 中 发 生 漏 失 ， 把 水 平 最 小 主 应 力设 为 钻 井 液 安 全 密 度 的 上 限 ， 称 为 漏失 压 力 ， 即 鲁 ● b0 ＼ 瑚 赠 丑 Ⅲ lj { 丌 T 0 5 0 0 l 0 00 l 5 0 0 2 00 0 2 50 0 3 00 0 海 拔深度／ m P l ⋯ 8 图 2 某深水钻井安全密度 窗口计算 结果 水 深 5 O 0 m 式 中 ， 为地 层漏 失压 力 ， MP a 。 根 据上述 方法 计算 得到 钻井过 程 中的孔 隙压 力 、坍 塌压 力 、漏失压 力 以及破 裂压 力 ，即得 出钻井 安 全 密度 窗 口 。某深 水井 安全 密度 窗 口计 算结 果见 图 2 。 5 结 论 1 深 水钻 井上 覆岩层 压力 可 以通过 地层 密 度 积分 方 法 获得 ，对 于 浅部 无 密 度测 井 数 据 的井 段 ，利 用 幂律 模型 进行 地层 密度拟 合 能够获 得较 高 的精 度 。 2 地 层孔 隙压 力分析 以声 波时差 或地 震层 速度 数据 为基础 ，依 据 E a t o n法进行 计算 。 3 深 水浅 部地 层具 有特殊 性 ，因此 专 门建 立 了塑性 区半径 评 价法 用 于 浅 部地 层坍 塌 压 力计 算 ，深 部地 层坍 塌压 力可采 用 常规方 法 。 4 深水钻井漏失风险较高，漏失压力等于水平最小主应力，钻井 中将漏失压力作为允许使用钻井 液密 度 的上 限 。 下转 第 1 0 4页 8 6 4 2 O 8 l 1 l 1 l O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 * 油气 田开发工程 2 0 1 2年 l 0月 储层 特性 ，数 值试井 的解 释结果 相对 更加 精确 。 4 结 论 1 试井解释具有多解性 ，双对数曲线的形态即使能完全拟合 ，其解释结果也 呵能与井 的实际情况 不符 。与常规解析试井方法相 比，数值试井技术在处理复杂边界 、非均质油藏问题方面具有独特 的优 势 ，拓 宽 了试 井技 术 的应用领 域 ，提高 了试井解 释 的精度 。 2 数值 试井 可获得 一个 直观 的油藏 属性模 型 ，通 过 考虑 油层 厚 度 、含 油饱 和 度 的变 化 素 ，对 日 前的油 藏 动态起 到 了深 化认 识 的作 用 ，可 以综 合分 析试 井动 态评价 成果 和静 态地质研 究 成果 ，使试 井解 释结果 更加 符合 实际 ，为油 气 田开发规 划编 制和方 案调 整提 供更加 准确 、丰 富的动 态 资料 。 [ 1 ]廖新维 f 2 庄 惠农 [ 3 ]刘能强 [ 4 ]申茂和 [ 5 ]黄登峰 [ 6 ]严涛 ． [ 参考文献] 沈平平 ．现代试井分析 [ M]．北京石 油 km版社 ，2 0 0 2 ． 气藏动态描述 和试井 [ M]．j E 京石 油 l 业 Ⅲ版利 ，2 0 0 4 ． 实用现代试井解 释方法 [ M]．第 5版 ．北京 石油T业出版社 ，2 0 0 8 ． 数值试井技术在大庆油 田的应用 [ j ]．石油天然气学报 ，2 0 0 8 ，3 0 6 2 9 3 ～2 9 4 ． 刘能强 ．数值试井在描述油气藏复杂边界中的应用l J ]．油气井测试 ，2 0 0 6 ，1 5 6 l 8 ～l 9 试井 多解性问题研究 【 J ]． 海洋石油 ，2 0 0 8 ，2 8 3 4 6 ～5 0 [ 编辑] 萧雨 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 上 接 第 1 0 0 页 [ 参考文献] 杨进 ，曹式 敬 ．深水石油钻井技术 现状及发展趋势 [ J ]．石油钻采工艺，2 0 0 8 ，3 0 2 1 0 ～l 3 ． S a n t o s H， F o n t o u r a S ，G - u p t a A， e t Ⅱ z ． L a b o r a t o r y t e s t s f o r we l l b o r e s t a b i l i t y i n d e e p wa t e r ， B r a z i l[ J ]． S P E 3 8 9 7 7 ，1 9 9 7 ． Mo o s D ． We l l b o r e S t a b i l i t y i n d e e p w a t e r h a n d l i n g g e o me c h a n i c a l u n c e r t a { n t y[ A]． T h e AADE 2 0 0 1 N a t i o n a l I r i l l i n g C o n f e r e n c e h e l d a t t h e Omni ，H o u s t o n，Te x a s，USA ，M a r 27 2 9，2 0 0 1 ． Ri t t e r D G．Gr o l l i mu n d B ． W e l l b o r e s t a b i l i t y i n t h e d e e p wa t e r B ij u p i r a＆ ． S a l e ma F i e l d s ．Of f s h o r e Br a z i l～ t p r o b a b i I i s t i c a p p r o a c h [ A]． Th e 2 0 0 3 o f f s h o r e t e c h n o l o g y c o n f e r e n c e h e l d i n Ho u s t o n ，T e x a s ，US A， Ma y 5 8 ，2 0 0 3 ． TC l 5 2 0 5 ． 樊洪海 ．测井资料检测 地层孔 隙压力传统方法讨论 口]．石油勘探与开发 ，2 0 0 3 ，3 0 4 7 2 ～7 3 ． 张荣忠 ，郭 良川，徐辉 ．孔隙压 力地震预测技术综述 E J ]．勘探地球物理进展 ， 2 0 0 5 ，2 8 2 9 o ～9 6 ． L i a w A L ． Th e o r y a n d a p p l i c a t io n o f i n t e g r a t e d p o r e p r e s s u r e p r e d i c t i o n i n d e e p w a t e r e x p l o r a t i o n[ A]． Th e I n t e r n a t i o n a l P e t r o l e u n a Te c h no l o g y Co n f e r e n c e h e l d i n Ku a l a L u m p u r ，M a l a y s i a，De c 3 5，2 0 0 8 ． I PTC 1 2 0 7 2 ． [ 8 ]E a t o n B A． Th e e q u a t i o n f o r g e o p r e s s u r e p r e d i c t i o n f r o m we l l l o g s E J ]． S P E 5 5 4 4 ，1 9 7 5 [ 9 1刘岩生 ， 苏义脑 ．探井地层孔 隙压力计算 [ J ]．石油钻采 工艺，2 0 0 0 ，2 2 5 6 ～9 ． [ 1 0 ]B o w e r s G I ． P o r e p r e s s u r e e s t i ma t i o n f r o m v e l o c i t y d a t a a c c o u n t in g f o r o v e r p r e s s u r e me c h a n i s ms b e s i d e s Dr i l l i n g 8 L Co mp l e t i o n，1 9 9 5，1 0 2 8 9 9 5 ． 1 ]楼一珊 ， 金业权 ．岩石力学 与石油工程 [ M]．北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 2 ]R i s n e s R， B r a t l i R K， Ho r s u r d P ． S a n d s t r e s s e s a r o u n d a we l l[ J ]． S P E J ，1 9 8 2 8 8 3 ～8 9 8 ． 3 ]朱亮 ，张春 阳，楼一珊，等 ．两种漏失压力计算模型的比较分析 E J ]．天然气工业 ，2 0 0 8 ，2 8 1 2 6 O ～6 1 ，6 7 ． 4 ]Aa d n o y B s Ge o me e h a n i c a l a n a l y s i s f o r d e e p wa t e r d r i l l i n g[ J ]． S P E 3 9 3 3 9 ，1 9 9 8 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m