斜井水平井优势钻井方位确定方法研究.pdf

第 3 1 卷 第 3期 2 0 0 9年 6月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PRODUCT1 0N TECHNOL0GY V0 1 ． 3l No ． 3 J u n ．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 30 0 2 6 0 4 斜 井水 平井优势钻 井方位确定方法研 究 金 娟 刘建东 沈露禾 张安新 刘文欣 1 ． 中国石油勘探开发研 究院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 华北油田公 司采油一厂． 河北任丘0 6 2 5 5 2 摘要地应力是井眼失稳的直接诱因， 合理优化斜井和水平井方位能有效避免井眼失稳、 提 高产能。在对贝2 8区地应力 场研究的基础上， 考虑到地应力和钻井液密度的影响， 应用弹性力学原理以及改进的莫 尔库伦准则建立了井眼稳定性力学模 型 ， 应 用该模 型分析 了贝 2 8区块 井眼稳定区域 、 研 究 了贝 2 8区块对钻井液 密度的要求 ， 结合岩石裂缝方向对产能 的影响 ， 确定 该地 区斜 井水平井最佳钻井方位。应用地应 力分布指 导钻 井轨迹 ， 为井眼轨迹优化提供 了新的研 究方法。 关键词贝 2 8区块； 地应力场分布； 井壁稳定性； 钻井液密度；方位优选 中图分类号T E 2 1 文献标识码A Re s e a r c h o n o p t i ma l a z i mu t h de t e r mi n a t i o n o f i nc l i ne d h o l e a n d ho r i z o n t a l h o l e J I N J u a n ， L I U J i a n d 0 n g ， S H E N L u h e ， Z H A N G A n x i n ， L I U We n x i n 1 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． T h e F i r s t E x p l o i t F a c t o r yo f Hu a b e i Oi lfil e dC o m p a n y ， R e n q i u 0 6 2 5 5 2 ， C h ／ n a Ab s t r a c t Ge o s t r e s s i s o n e o f t h e i mme d i a t e c a u s e s o f b o r e h o l e i n s t a b i l i t y ； o p t i ma l a z i mu t h o f i n c l i n e d h o l e a n d h o ri z o n t a l h o l e c a n n o t o n l y a v o i d s i n s t a b i l i ty b u t a l s o i mp r o v e s p r o d u c t i v i t y ． B a s e d o n the g e o s t r e s s a n d d ri l l i n g fl u i d d e n s i ty o f Be i 2 8 Ar e a ， e l a s t i c i ty me c h a n i s m a n d i mp r o v e d Mo h r - Co u l o mb s t r e n g t h c ri t e ri a a r e a p p l i e d t o b u i l d b o r e h o l e me c h a n i c a l s t a b i l i ty mo d e l ， t h e mo d e l i s d e v e l o p e d t o a n a l y z e t h e s t a b l e r e g i o n a n d s e c u ri t y d r i l l i n g fl u i d d e n s i ty o f Be i 2 8 Ar e a ． Co n s i d e r i n g t h e i n fl u e n c e o f r o c k f T a c h 1 r e o n p r o d u c t i v i ty, o p t i ma l a z i mu t h o f i n c l i n e d h o l e a n d h o riz o n t a l h o l e i s d e t e r mi n e d ． Ge o s t r e s s d i s t rib u t i o n i s u s e d t o g u i d e d ril l t r a c k ， o ff e r - i n g a ne w me t ho d t o o pt i mi z e we l l t r a c k． Ke y wo r d s Be i 2 8 Ar e a ； g e o s t r e s s d i s t r i b u t i o n ； b o r e h o l e s t a b i l i ty； d r i l l i n g fl u i d d e n s i t y ； o p t i ma l a z i mu t h 油气 田开发后期 的产能建设促使斜井水平井数 量逐年增长。斜井水平井设计优化 问题一直倍受人 们的关注 ， 影响井周应力 、 井壁稳定 以及井眼轨迹 的 因素很多， 井眼轨迹和井壁稳定性相互制约、 相互影 响 ， 二者又都 同时受到原地应力场分布的影响。因 此 ， 开展地应力场对井眼轨迹设计及稳定性影响的 研究 ， 对于充分认识不 同地应力场下最可能出现的 井壁失稳模式具有重要意义， 对钻井方案制定具有 重要的指导意义 。 针对贝 2 8区块 的具体岩石力学特征 ， 以及垂 向 主应力大于水平最大主应力 的地应力特征 ， 深入研 究该 地区的斜井 和水平井的优势钻井方位 ， 对于生 产有重要的指导作用。 l 井眼稳定性力学分析 M e c h a n i c a l s t a b i l i t y a n a l y s i s o f b o r e h o l e 1 ． 1 斜井井壁围岩应力分析 ⋯ S t r e s s a na l y s i s o f bo r e h o l e s u r r o u nd i ng r o c k o f i n c l i n e d h o l e⋯ 深部地层受三向主应力作 用， 对于井斜角为 y ， 攻 关项 目中国石油天然气集 团公司重大攻 关项 目 “ 套损原 因综合 分析及对策研究 ” 编号 O 6 0 1 3 2 作者简介 金娟， 1 9 8 3 年 生。现在 采油所地应力与裂缝 重点 实验 室从 事地应力与裂缝的研 究工作。电话 1 3 5 5 2 4 5 1 0 3 0 ， E ma i l j i n j u a n 0 2 2 1 6 3 ．c o rn。 金娟等斜井水平井优势钻井方位确定方法研 究 2 7 井斜方位角与水平最大主应力方位角之间的夹角为 的大位移井， 根据弹性力学双向不等值拉压的无限 大板 、 中小圆孔附近应力集中以及相应的坐标变换， 得到井壁围岩应力分布的表达式 C O S C O S s i n s i n H s i n h C O S s i n H c o s h s i n 盯 c o s Tx y c o s y s i n c o s H一 1 7 - c o s y s i n y H C O S h s i n 一O “ v 7 - s i n y s i n fc o s 3 a HC r h 当 r w 时， 可以得到柱坐标中的井壁应力 P 。 一6 O p 。 一P 。 。 一2 一O y c o s 2 0 4 f s i n 2 0 一 k 一1 p 一 。 O z o z 一2 x 一 c 。 2 一 2 4 r s i n 2 k p ． 一P 。 “f r o 0 r 2 r c o s 0 一r s i n 0 T v z 0 式 中， O “ x 、 、 、 Z “x 、 r x 、 Z y 为直角坐标 系下的应力分 量 ； 、 a 0 、 、 Z r 0 、 r x 、 为柱坐标 系下 的应力分量 ； O “ H 、 、 为水平最大 、 最小、 垂向就地 主应力； P ， 为井眼液柱压力 、 地层孑 L 隙压力 ； ， 、 、 0为井斜角 、 井斜方位角与水平最大主应力方位角间的夹角 、 井 眼周围的角位置； v 、 、 k { 【 。 [ 1 ． 2 v ／ 1 ． v ] ． } ， 为泊 松比、 渗透率 、 渗流效应 系数 、 B i o t 有效应力 系数； 为渗透系数 ， 井壁不可渗透时为 0 ， 井壁渗透时为 l 。 至此可以求得斜井井壁上的 3个主应力 I P 。 一 p 。 一P p 一a p 。 f f ～ 耍 J p l p p 3 、 0 “3 的大小在具体计算中排定。 1 ． 2 岩石强度准则与井眼围岩失稳 Ro c k s t r e n g t h c r i t e r i a a n d bo r e h o l e s u r r o un d i n g r o c k i n s t a b i l i t y e ] 从力学角度来说 ， 井壁不稳定分为井壁坍塌和 地层破裂。造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液 柱压力较低 ， 使得井壁周围岩石所受应力超过岩石 本身的强度而产生剪切破坏所造成， 此时对于脆性 地层会产生坍塌掉块， 井径扩大， 而对于塑性地层产 生塑性变形造成缩径 ；地层破裂是 由于井内钻井液 密度过大， 是岩石所受的周 向应力超过岩石的抗拉 强度而造成。 1 ． 2 ． 1 岩石 的压性破 坏准则 根据 Mo h r - C o u l o mb 准则 ， 岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石 的固有强度 粘聚力 加上作用于剪切面上的摩擦 阻力， 即 r a nt a n q C 4 设安全系数为 t a n妒 C ， s 一 5 并令系数 仁1 F ． 1 C O S 2 6 丁 1 0 3 一 s in 2 ⋯ 7 f 二 c o s 2 ， 、 将 7 式代人 4 式中， 将 Mo h r - C o u l o m b准则改写为 厂 p A 盯 】 盯 3 一 s i n o a 1 0 “3 -- 2 a p 。 - 2 C c o s o 0 8 1 ． 2 ． 2 岩石的张性破裂准则 钻井液液柱压力增大 时， 周 向应力变小 ， 当液柱增大到一定程度 ， 周向应 力 由压缩变为拉伸 ， 超过岩石的抗拉强度时 ， 地层产 生破裂造成井漏， 即 厂 p 0 9 1 ． 3 安全钻井液密度的确定 De t e r mi na t i o n o f s e c ur i t y dr i l l i n g fl u i d d e n s i t y 前述分析可 以得到安全钻井液密度的取值范 围， 将 3式计算所得的主应力值代入式 8 、 9 可以 得到两个关于井眼液柱压力 的方程。由张性破坏条 件确定最大的钻井液密度 ， 而剪切破坏确定最小的 钻井液密度。 2 井眼稳定性实例分析 Ca s e s t u d y o f b o r e h o l e s t a b i l i t y 针对贝 2 8区块 ， 为进一步分析地应力与钻井井 孔稳定性之间的关系， 应用井壁力学稳定性分析模 型及分析软件系统 ， 根据原地应力状态、 岩石力学 性质， 应用岩石强度理论确定钻井井孔的力学稳定 区域， 并南力学稳定区域所需的井孑 L 液体压力确定 2 8 石油钻采工艺2 0 0 9年 6月 第 3 1 卷 第 3期 钻井液密度 。 计算参数 为 油藏 深度为 1 9 2 0 m；水 平最 大 主应力方 向为 NE1 0 0 。 ， 水平 最大主应力数值 为 4 2 MP a ， 水平最小主应力数值为 3 5 MP a ， 垂向主应力数 值为 4 9 MP a ； 孔隙流体压力为 1 9 ． 2 MP a ；泊松比为 0 ． 1 6 ， 抗张强度为 4 ． 1 6 MP a ， 内聚力为 2 8 ． 5 5 MP a ， 内 摩擦角为 3 7 ． 5 9 。 。 2 ． 1 井壁稳定区域分析 A n a l y s i s o f s tab l e r e ,o n o f b o r e h o l e 图 1为贝 2 8区块 井壁 稳定 性空 间变 化基 本 特征 的坐标 图。直 角坐标 中横坐标 是井斜 角 ， 纵 坐标 是井 斜方 位角 。极坐标 中 NE S W 分 别表 示 北东南 西方 向， 代表井 斜方 向 ；由圆心到 圆周边 为 0 。 到 9 0 。 变 化特 征 ， 代 表井 斜角 ， 反 映从直 井 到水平井变化 。图中颜色越红代表井壁稳定性越 差 ， 颜 色越 蓝 表 明井壁 稳定 性越 好 。图 1表 明 贝 2 8区块直井井壁稳定性 较好 ， 井斜方位角在北 东 0 4 0 。 、 1 6 0 2 2 0 。 、 3 4 0 3 6 0 。 方 位井 壁稳 定 性好 3 60 3 2 0 2 8 0 ； 1 6 0 蒌 ； 4 0 0 图 1 贝2 8区块井孔稳定性空间变化特征 直角坐标、 极 坐标 F i g ． 1 S p a t i a l v a r i a t i o n o f b o r e h o l e s t a b i l i t y o f B e i 2 8 Ar e a r e c t a n g u l a r c o o r d i n a t e s ， p o l a r c o o r d i n a t e s 2 ． 2 并壁稳定域与钻井液密度 S t a b l e r e ,o n a n d d e n s i t y o f d ig fl u i d d e n s i t y 图 2是贝 2 8区块井壁稳定域与井斜角 、 井斜方 位角及钻井液密度的关系。红、 绿、 蓝线分别代表北 东 1 0 0 。 最大主应力方向 、 1 4 5 。 和 1 9 0 。 井斜方位角、 不 同井斜角 的井壁稳定域特征 ， 颜色相同的曲线为 一 对 ， 当钻井液密度超过上面的曲线时发生井漏 ， 当 钻井液密度低过下面的曲线时发生井壁崩落 ， 两条 曲线之间为钻井液稳定域 ， 钻井液稳定域越大， 井壁 稳定性越好。图中表明 在井斜方向为北东 1 9 0 。 左 右的钻井液稳定域大 ， 此方 向的水平井和大斜度井 稳定性好。 图 2 贝 2 8区块钻 井液 密度 与 井 壁稳 定域 的 关 系 Fi g ． 2 Co r r e l a t i o n b e t we e n d r i l l i n g flu i d d e n s i ty a n d b o r e h o l e s t a b l e r e g i o n 2 ． 3 钻井液密度极值的确定 De t e r mi n a t i o n o f u l ti ma t e d r il l ing fl u i d d e n s i 图 3为贝 2 8区块井壁稳定 的钻井液密度上 、 下 限与井斜角及井斜方位角的关系， 图中 NE S W 分别 表示北东南西方向， 代表井斜方向；由圆中心到圆 周边为 0 。 到 9 0 。 角度变化， 代表井斜角， 反映从直井 到水平井变化， 而不 同颜色代表 S ■●■■■●■●■羲潮■- 2 ． 1 8 2 ． 6 4 3 ． 1 0 3 ． 5 6 钻井液密度上限 E S ■■■■■■藤澜■■1 0 ． 9 8 1 ． 0 7 1 ． 1 6 1 ． 2 5 钻井液密度下限 图 3 贝2 8区块钻井液 密度上 、 下限与井斜角及井斜方位角 的 关 系 左 上 限 右 下 限 F i g ． 3 Co r r e l a t i o n b e tw e e n t h e u p p e r a n d l o we r l i mi t o f d ril l i n gfl u i d d e n s i ty a n dthe d r i f t a n g l e a n dd r i ft a z i mu t ho f B e i 2 8 A r e a the l e ft i s u p p e r l i mi t ， the r i g h t i s l o w e r l i mi t 井 壁不被钻井液 压裂的最大钻井液 密度。图 4表 明沿水 平 最小 主应 力 方 向 NE 1 9 0 。 ， 井 漏 最大钻井液 密度较大；而沿水平最 大主应力方 向 NE 1 0 0 。 ， 井漏最大钻井液密度较小。沿水平最小 主应力方向 N E 1 9 0 。 ， 井壁稳定所需最小钻井液密 度较小 ；而沿水平最大主应力方向 NE 1 0 0 。 ， 井壁 稳定所需最小钻井液密度较大。因此在最小主应力 上井壁稳定性最好。 N ●s 金娟等斜井水平井优势钻井方位确定方法研究 2 9 3 斜井和水平井方位优选 Op tima l a z i mu t h de t e r mi n a tio n o f i n c l i n e d h o l e a n d h o r i z o n t a l h 0 I e 3 ． 1 提高产能对方位的要求 Hi g h p r o d uc tiv i t y d e m a nd o ptima l a z i mu t h 低渗透油田中斜井和水平井的产能与岩石裂缝 存在 内在联系。当开发井能穿过多条天然裂缝 ， 同 时形成多条人工裂缝 ， 且岩石裂缝延伸较远时 ， 开发 井的波及体积较大 ， 产能较高且很稳定 。因此， 从 油井产能方面分析， 能穿过最多天然裂缝 的方向或 压裂改造能形成多条垂直于井轴的人工裂缝的方向 为最优产能方向。 斜井和水平井井孑 L 最稳定方向可能与产能最优 方 向一致 ， 但多数情况下不一致， 当其不一致时 ， 则 应综合分析井孔稳定性 和岩石裂缝特征 ， 以确定斜 井和水平井的最优方向。 3 ． 2 综合最 优方位 Co mp r e h e ns i v e o pt i ma l a z i mu t h 在井孔稳定性方面 ， 对于斜井和水平井 ， 井斜方 位角在北东 O ～ 4 0 。、 I 6 0 ～ 2 2 0 。、 3 4 0 ～ 3 6 0 。 方位井壁 稳定性好。在产能方面， 若进行压裂投产， 当斜井和 水平井与水平最小主应力方 向一致时， 则 可以形成 垂直于斜井和水平井井轴的多条人工裂缝 ， 因为垂 向裂缝总是平行最大主应力方向， 垂直于最小主应 力方向， 人工裂缝可与低角度天然裂缝沟通， 提高了 油井波及体积， 因而具有较高产能 』 ， 稳定性也好 ； 当斜井和水平井与水平最大主应力方 向一致时 ， 则 只形成平行于水平井井轴的人工裂缝 ， 此时油井波 及体积比前者小 ， 其产能低， 其井孔稳定性也差。因 此 ， 水平井设计时应综合考虑上述情况 以及油藏具 体特征。 对于贝 2 8区块沿水平最小主应力方向打水平井 既可以保证井筒稳定性， 又可以保证有较好的产能。 大斜度井设计与水平井设计具有相似性， 针对 贝 2 8区块具体的地应力特征 ， 对于斜度井 ， 井斜方 位角在北东 0 - 4 0 。、 1 6 0 ～ 2 0 。、 3 4 0 ～ 3 6 0 。 方位井壁稳 定性好 4 结论 Co n c l u s i o n s 1 就地应力各项异性导致大斜度井井壁受力不 均匀 ， 地应力的方位不仅影响大位移井井壁稳定性 、 钻井液密度 ， 还控制其井眼轨迹。 2 水平最大、 最小地应力以及垂向地应力之间 关系不同， 坍塌压力和破裂压力随井斜角和井斜方 位角的变化也不同， 针对贝 2 8区块垂向应力大于水 平最 大主应力的地应力特征 ， 得到最小主应力方向 稳定性好。 3 考虑产能需求 ， 结合井壁稳定和岩石裂缝特 征， 确定贝 2 8区块的最优钻井方位 沿水平最小主 应力方 向打水平井 ；对于斜度井， 井斜方位角在北 东北东 0 ～ 4 0 。、 l 6 0 ～ 2 2 0 。、 3 4 0 ～ 3 6 0 。 方位比较好。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 廖扬抢， 余庆 ． 大斜度井水平井井壁力学稳定性技术现 状 [ J ]． 钻采工艺， 2 0 0 3 ， 2 6 3 7 - 1 0 ． L I AO Y a n g q i a n g ， YU Q i n g ． E x t e n d e d r e a c h w e l l a n d h o r i z o n t a l w e l l b o r e h o l e m e c h a n i c a l s t a b i l i t y t e c h n i q u e s l J J ． Dr i l l in g a n d P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 2 0 0 3 ． 2 6 3 7 - 1 0 ． [ 2 ] 陈勉， 金衍， 张广清 ． 石油工程岩石力学 [ M]． 北京 科学出版社， 2 0 0 8 ， 1 0 8 一 l 1 3 ， l 6 4 ． 1 7 3 ． CHE N M i a n， J I N Y a n ， ZHANG Gu a n g q i n g ． P e t r o l e u m r e l a t e d r o c k mech a n i c s【 M J． B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 8 ， 1 0 8 - 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