疏松砂岩储层水平井安全钻井周期确定研究.pdf

第 3 2卷第 5期 V0 I ． 3 2 No ． 5 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆ P R O D U C T I O N I EC H N0 L 0 G Y 1 9 疏松砂岩储 层水 平井安全钻 井周期确定研究 李忠慧 一 ， 楼一珊 ， 黄万龙 ， 幸雪松 ，雷云川 ， 朱 亮 ’ 1油气钻采工程湖北省重点实验 室 长江大学 2长江大学石油工程学院 3中海石油北京研究中心 李忠慧等．疏松砂岩储层水平井安全钻井周期确定研究 ， 2 0 0 9 ， 3 2 5 1 9 2 0 摘要 疏松砂岩层段打开井眼后有一个井眼收缩过 程 ， 井壁周 围的 围岩 由于蠕 变而逐 渐向 井眼收缩 变形 ， 导致缩径、 卡钻以及下套管遇阻甚至挤毁套管等事故的发生。通过对渤 中某区块砂岩储层的岩心进行蠕变试验， 得到了蠕变方程及蠕变参数， 结合地应力、 钻井液密度以及蠕变参数对缩径率的影响， 运用F L A C ”软件进行数值 模拟计算 ， 得到 了该 区块疏松砂岩水平 井井眼 变形随 时间变化 的规律 ， 确定 了疏松砂岩 层水 平井水平段 安全 钻井 周期。结果表明该区块钻水平井时可以不考虑蠕变引起的钻井安全周期问题。 关键词 水平 井； 砂 岩蠕变 ； 安全钻 井周期 中图分类号 T E 2 2 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 7 6 8 X． 2 0 0 9 ． 0 5 ． 0 0 7 疏松砂岩储层在钻井过程 中经常发生缩径 、 卡 钻以及下套管遇阻或挤毁等事故。实践证 明在胶结 差的储层段钻进存在安全钻井周期 ， 超过安全钻井 周期 ， 井下复杂情况增 多， 井眼稳定 面临的问题增 多_ l J 。因此 ， 掌握疏松砂 岩层 水平井眼变形规 律， 确定 水平 井 安全 钻井 周 期 具 有重 要 意义 。国外 C h a n g C T等人_ 2 J I _ 3 对疏松砂岩的试验结果表明， 疏松砂岩具有显著 的黏性 变形特征 ， 因此应用现有 的模型研究疏松砂岩地层的井壁稳定性问题有其局 限性 。本文以通过对渤中某 区块砂岩储层的岩心进 行蠕变试验 ， 得到了蠕变方程及如变参数 ， 通过数值 模拟计算确定 了在砂岩储层钻进的安全钻井周期 ， 实际表 明计算结果准确 ， 能够指导该 区块 的水平井 钻井工作。 一 、疏松 砂岩蠕 变方程 的 建立及蠕变参数的确 定 渤中某区块疏松砂岩储层具有 高孔 隙度 、 高渗 透率、 弱胶结的特点 ， 对取 自该区块储层 的 1 5岩心 进行单轴抗压强度试验表明， 其抗压强度不高， 范围 在 2 ． 0 5～2 4 ． 9 5之间 ， 根据国际岩石力学会对软岩 定义的标准 ， 可以将该地 区的疏松砂岩定义为软 岩 ， 因此本研究采用幂律模型对疏松砂岩的蠕变特 性进行计算分析， 其本构关系通 常用来模拟盐岩及 其它软岩的蠕变特性 ， 蠕变速率标准指数形式如下 ， A o - 1 其 中， A、 n为蠕变参数 ， 应 用 MT S三轴实验机 对取 自渤中某 区块深度为 2 3 5 3 m疏松砂岩储层 的 岩心进行室内单轴蠕变试验 。试验时将岩心应力加 载到 2 5 MP a ， 固定应力不 变， 得到其应力一应变关 系曲线和应变一时间关系曲线 ， 通过 回归分析得到 模型蠕变参数为 A 5． 6 21 X 1 0一 加 ，n 2． 4 72 3。 二、 储层 井眼钻 开后变形 的模拟 选取渤中某区块疏松砂岩储层 2 3 7 4 m井深处 的地层为模拟层位 ， 对于储层水平段 ， 只取与井眼轴 线垂直的平面 ， 可作为平面应变问题来处理 ， 计算模 型如图 1 。由于井眼计算模型的受力和变形左右对 称 ， 即水平方向上对称 ， 模型本身重量引起 的上下不 对称 ， 总体上非轴对称分布， 计算网格在井眼周围分 布如图 2所示 。模 型几何尺寸较井眼尺寸大得多 ， 工程中主要关心 的是井 眼处井壁 的变形、 位移。因 此， 在横向上对井眼处的网格必须进行精细划分， 离 井眼中心越远 ， 网格划分可越少 。在数值模拟研究 中， 假设水平井段所处储层地层各向同性 、 均值 ， 且 在均匀水平地应力作用下 ， 问题 简化为平面应变问 题 。井眼瞬时钻开， 同时作用钻井液液柱压力。在 收稿 日期 2 0 0 90 8一l 1 作者简 介李忠慧 1 9 7 7一 ， 讲 师 ， 博士研究生 ， 从 事岩石力学 与石油 工程 的研究 与教学 工作。地址 4 3 4 0 2 3 湖北省荆 州市南 环路 1 号 ， 电话 0 7 1 6 8 0 6 0 7 3 6 ， Ema i l l i z h o n g h u i2 5 5 0 1 2 6 ． e o m． 2 0 钻 采 工 艺 DRI L LI NG ＆ PRODUCT I ON TE CHN0L OGY 2 0 0 9年 9月 S e p ．2 0 0 9 井眼钻开的瞬时， 考虑井眼周围的弹塑性变形 。 图2 网格划分模型 根据地应力及地层压力计算模型 ， 得到该深度 计算参数值为 上覆岩层压力 o r 5 1 ． 8 9 MP a ， 最大 水平地应力 4 5 ． 4 5 MP a ， 最小水平地应力 3 4 ． 3 8 M p a ， 孔隙压力 P o 2 3 ． 9 9 M p a 。依据岩心实 验 ， 得到其他计算参数 弹性模量和强度参数 杨 氏 模量 E1 1 0 0 0 MP a ， 泊松 比 0 ． 2 0， 抗拉强度 T 1 ． 6 0 M P a ， 黏聚力 C 9 MP a ， 内摩擦角 0 2 0 。 。 利用以上数据对模型赋值 ， 并设定边界条件 井 眼直径为 2 1 5 ． 9 m i l l ， 模 型的外边界边长为 4 i n ， 根 据圣维南原理 ， 因为井眼钻开 只影响井 眼半径几倍 的距离 ， 故假设在正方形边界处 ， 即 1 8 ． 5倍半径处 ， 位移为零。 三、 计算结果及分析 拉格朗 日元法可以考虑材料和几何非线性及大 变形 ， 许多研 究者如杨小远 J ， 邓金根- o ， 金衍 、 陈 勉r 等在研究软泥岩、 盐岩地层井 眼的大变形时都 用到拉格朗日元法进行数值模拟计算 。三维有限差 分软件按 F L A C 3 D采用显式拉格朗 日算法和混合 一 离散分 区技术 ， 能够非常准确地模拟材料的塑性破 坏和流动。因此本研究运用 F L A C 3 D软件对疏松砂 岩蠕变特性进行计算分析 ， 计算模型如前所示 ， 得到 了渤 中某区块砂岩储层不同钻井液密度下的井眼收 缩率和时间的关系曲线 ， 如图 3所示 ， 从图中可以看 出， 井眼收缩率随时间的延长逐渐增大 ； 随钻井液密 度的增大， 井眼收缩率逐渐减小。 依据现场经验， 为保证固井的质量， 接箍处环隙 不得小 于 1 6 m m， 确保有足够的水泥环厚度。通过 计算得到井眼收缩率 5 ． 8 ％为临界值。在水平段钻 进时 ， 为了保护储层 ， 采用近平衡钻井 ， 实践证明该 地层为常压系统 ， 因此实际使用钻井液密度为 1 ． 0 5 g ／ c m ， 由图 3可见 ， 井眼收缩率为 5 ． 8 ％时 ， 安全钻 井周期为 1 ,4 d ， 该区块钻井实践表明， 可以不考虑蠕 变引起 的钻井安全周期问题。 钻井 时间 d 图3 渤中某区块储层井眼收缩程度和钻井时间关系曲线 四、 结论 1 渤中某区块疏松砂岩的蠕变变形规律符合 幂率蠕变模型。 2 按照井眼收缩率 5 ． 8 ％为临界值 ， 使用保护 储层的钻井液密度时安全钻井周期为 1 4 d 。 3 渤 中某 区块储层砂 岩水平段 钻井实践证 明， 可以不考虑蠕变引起的钻井安全周期问题。 参考文献 [ I ] 王炳印， 卢晓峰．疏松砂岩储层水平井安全钻井周期 数值模拟计算[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 5 ， 2 7 3 ． [ 2 ] C h a n g C T， Mo o s D， Z o b a c k M D ．A n e l a s t i c i t y a n d D i s p e r s i o n i n D r y U n c o n s o l i d a t e d S a n d s[ J ] ．I n t ． J ． R o c k - Me c h。 Mi n． S c． i 1 99 7， 3 4 3-4． [ 3 ] C h a n g C T， Z o b a c k M D ． V i s c o u s R h e o l o g y a n d S t a t e o S t r e s s i n U n c o n s o l i d a t e d S a n d s [ J ] ．S P E ／ I S R MR o c k Me c h a n i c s i n P e t r o l e u m En g i n e e r i n g ， S o c ． o f P e t r o l e u m En g ． ， Ri c h a r d s o n， T X ， 1 9 9 8 4 6 5 4 7 4． [ 4] J o h n A ． H u d s o n E n gi n e e ri n g r o c k m e c h ani c s [ M] ． R e d - w o o d Bo o k s P r e s s ， 1 9 9 7． [ 5 ] 杨小远． 快速拉格朗 日元方法在井壁稳定 中的应用 [ J ] ． 石油大学学报 自然科学版 ， 1 9 9 7 ， 2 1 4 ． [ 6 ] 邓金根， 刘书杰 ， 石得勤． 软泥岩井眼弹塑性变形的拉 格朗日元法计算[ J ] ． 地质力学学报， 1 9 9 9 ， 5 1 ． [ 7 ] 金衍， 陈勉 ， 柳贡慧．盐膏岩地层的井眼缩径变形分析 [ J ]． 石油大学学报 自然科学版 ， 1 9 9 9 ， 2 3 2 ． 编辑 黄晓川