一种气体钻井井壁稳定性分析的简易方法.pdf

第 3 1 卷 第 6期 2 0 0 9年 l 2月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 ． 31 No ． 6 De c ．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 6 0 0 4 8 0 5 一 种气体钻 井井壁 稳定 性分析 的简易方法 金 衍 陈 勉 卢 运虎 骆 发 前 梁 红 军 1 ． 中国石 油大学石 油天然 气工程学院 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 塔里木油 田公 司， 新疆库 尔勒8 4 1 0 0 0 摘要为有效克服气体钻井过程中出现的井壁失稳现象， 提 出一种气体钻井井壁稳定性分析的简易方法。该方法在对传 统 气体钻 井井壁稳 定性理论 的利弊进行 分析 的基础上 ， 从 气体钻 井井壁 围岩的力 学特性 出发 ， 确定 了井壁 围岩应力场的分布 。 结合 Mo h r - C o u l o mb准 则， 建立 了气体钻 井条件的 井壁稳 定模型 ， 即弹塑性模型和硬脆 性模型 ， 成功解释 了气体钻 井条件 下地 层进入塑性状态变形达到一定程度， 井壁坍塌井径扩大后， 地层趋于稳定的现象。将该计算模型应用于满东2井的井壁稳定性 分析， 结果表明 理论分析结果和工程实测数据对比， 计算结果较为准确， 验证了该模型较为有效。 关键词气体钻井；井壁稳定 ； 坍塌压力 中图分类号T E 2 4 2 ．6 文献标识码 A A s i mpl e m e a ns f o r g a s dr i l l i n g we l l bo r e s t a b i l i t y a na l y s i s J I N Y a n ， C H E N M ia n ， L U Y u n h u ， L U 0 F a q i ， L I A N G H 0 n g j u n 1 ． F a c u l o f Pe t r o l e u mE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i ty o f P e t r o l e u m， B e ij i n g1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． T a r i mOi e l dC o m p a n y ， Xi n j i a n g 8 4 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o o v e r c o me t h e b o r e h o l e u n s t a b i l i t y i n g a s d r i l l i n g ， a s i mp l e me a n s f o r g a s d r i l l i n g we l l b o r e s t a b i l i t y a n a l y s i s wa s p r o p o s e d ． T h i s me a n s a n a l y z e d t h e b e n e fit s a n d d r a wd o wn s o f t h e c o n v e n t i o n a l g a s d r i l l i n g we l l b o r e s t a b i l i 移 t h e o r y a n d d e t e r mi n e d t h e s t r e s s fi e l d d i s t r i b u t i o n o f t h e we l l b o r e s u r r o u n d i n g r o c k s o n b a s e o f t h e me c h a n i c a l f e a t u r e s ． Th e g a s d r i l l i n g we l l b o r e s t a b i l i t y mo d e l wh i c h i s a c tua l l y e l a s t o p l a s t i c i t y m o d e l a n d f r i a b l e h a r d mo d e l wa s b u i l t u p a s p e r M o h r - Co u l o mb L a w． An d t h i s m o d e l c a n S U C - c e s s f u l l y d e mo n s tr a t e t h e f o r ma t i o n s t a b i l i ty t r e n d s a ft e r t h e p l a s t i c d e f o rm a t i o n o f t h e g a s d r i l l e d f o r ma t i o n g o e s u p t o s o me d e g r e e a n d we l l b o r e c o l l a p s e d a n d e n l a r g e d ． Th e c a l c u l a t i o n mo d e l wa s u s e d o n t h e we l l b o r e s t a b i l i t y a n a l y s i s o f M a n d o n g 一 2 We l 1 ． I n c o n c l u s i o n ， a c c o r d i ng t o c ompa r i s on b e t we e n t he or e t i c a l an a l ys i s r e s ul t s a n d me a s u r e d d a t a ，t he c a l c ul a t e d d a t a i s mo r e a c c ur a t e a nd t h e mo de l i s p r o v e d t o b e b e e r ． Ke y wo r ds g a s d r i l l i n g ； we l l b o r e s t a b i l i ty； c o l l a p s e p r e s s u r e 随着油 田勘探 开发进程 的深入 ， 低压漏失 是钻 井面临的一大难题。根据以往 的实践和经验 ， 气体 钻井可有效解决漏失层的漏失 问题 ， 同时可克服低 压黏附卡钻事故的发生， 也有助于控制泥页岩的水 化作用而产生的水化膨胀与坍塌。气体钻井主要以 空气 、 天然气和惰性气体为钻井循环介质 ， 与钻井液 作为循环流体 比较 ， 机械钻速 可提高 5 ～ l 0倍 ， 钻头 寿命可提高 2倍 ， 同时破岩所需钻压小 ， 满足常规钻 井易斜地层 “ 轻压掉打 ” 防斜和纠斜的要求 ， 易钻出 垂直的井眼。但是气体钻井在井眼中形成的压力比 钻井液钻井要小得多 ， 在松软地层 中可能引起井壁 力学失稳。当气体钻井有较多的地层水进入井筒后 ， 产出的水在被气体举升过程中经过裸眼井段的水敏 性岩层时 ， 可能造成井壁的水化膨胀而失稳。由于 井壁的失稳 ， 从井壁上垮塌的岩屑 块 若不能及时 有效地被气体举升到井 口就可能造成卡钻事故 。因 此气体钻井对地层岩性的要求十分苛刻， 主要用于 干的、 微湿 的和固结性较好 的低渗透 、 高水敏的非高 基金项 目国家 自然科学基金项 目 编号 9 0 5 1 0 0 5 资助。 作者简介 金衍， 1 9 7 2 年生。从事地应力、 井壁稳定、 水力压裂相关研究， 博士， 教授。电话 0 1 0 - 8 9 7 3 3 7 9 9 ， E m a i l J i n y b j p e u ． e d u ．c n 。 金衍等 一种气体钻井井壁稳定性分析的简易方法 4 9 压地层 ， 而对于 固结性很差 的地层 需要钻井液防 止坍塌 和滤饼作用 和气体敏感性地层 易被高速 气流冲刷 ， 以及井径严重扩大地层 井径扩大导致 气体量不够 ， 就要考虑地层适用度的程度和经济性 两方面的研究而定。 气体钻井井壁稳定性理论直接来源于钻井液体 系钻井条件下 的井壁稳定理论和方法 ， 认为计算的 坍塌压力小于地层孔 隙压力就可保证气体钻井井壁 稳定， 该理论缺 陷在于井壁泥页岩与砂岩地层在井 内压力几乎为 0的条件下地层孔隙压力状态和地层 的力学状态与钻井液条件下的情 况不尽相 同， 同时 地层出水形成的雾化水基液对井壁水敏地层有一定 的影响。本文主要讨论不同类型地层气体钻井的井 壁稳 定性 。 1 传统气体钻井井壁稳定模型的评价 Th e e v a l ua t i o n o f c o n v e nt i o n a l g a s d r i l l i ng we l l b o r e s t a b U i t y mo d e l 当用钻井液钻井 时， 造成井壁岩石 的剪切破坏 坍塌主要原因是井壁上的剪切应力太大。地层剪切 坍塌压力的当量钻井液密度 与地应力 、 孔隙压力 的关系可表达为 _ 2 - c x 弋 x 2 一 - 1 P b 1 0 0 1 一则 l 式 中， C为表征地层岩石 强度的 内聚力 ， MP a ； 为 孑 L 隙 压 力 系 数 ， Kc o t 4 5 。 _ ／ 2 ， 为 岩 石 的 内 摩擦 角 ； P 。 为孔 隙压 力 ， MP a ； 为 当量钻 井 液密 度 ， g ／ c m ； H为 井 深 ， m； r ／ 为非 线 性 修 正 系 数 ， 卵 0 ． 9 ～0 ． 9 5。 对于气体钻井 ， 井内液柱压力近似为 0 。井壁 的 稳定主要取决于地层岩石内聚力 的临界值。式 1 中的P 是保证井壁稳定 的最 低值 ， 如果 P 为 0 ， 则 平衡地层应力主要是岩石的 内聚力 ， 这个岩石内聚 力实质上就是一个临界值 ， 即 ，叩 3 H 一 h o t p p K 一 1 ， 、 乙 一 一 2 式中， C 为岩石临界内聚力 ， MP a 。 气体钻井井壁稳定的判断依据当 CC 时， 井壁稳定 ；当 C ， ， 则 Mo h r - C o u l u mb准则可以表示为 厂0 - 0 -- ， J v z 一1 p p -2 C N0 3 式 中， 仃 ， ， 为径向、 切向应力 ； Ⅳt a n ／ ， ／ 2 ／ 2 。 若考虑水化的影响 ， c 。- C o ， 。 ， 、 为水化 地层强度降低因子 ， C o 、 为未水化地层 的内聚力和 内摩擦角。 假设井周 围岩只发生径 向应变 ， 则其平衡方程 可表示为 0 4 d ， 一 r 假设井周 围岩塑性应变表示为 磬一 ￡ P --t O f一 5 EP z t O 8 ， f o 式中， 表示与方 向无关的系数 。由式 5 得 ￡ ￡ t a n 2 0 塑性 区围岩总的应变为 假设 ￡ 0， 则 ￡ r ￡ ； ￡ ￡ 8一 ￡ 8e ￡ E ￡ E p ￡ 0 E E 柏 E 式 7 代人式 6 得 E e o ta n e t a n 由虎克定律知 6 7 8 9 5 0 石油钻采工艺 2 0 0 9年 1 2月 第 3 1 卷 第 6期 E [ ， 一 O “ z 一 1 2 u p ] ／ E 1 0 e [ c r 0 一 ， 一 1 2 u p 。 】 ／ E 1 1 ￡ ； [ 一 ， O “0 一 1 2 u p 。 ] ／ E 1 2 式 8 代入式 1 2 得 Ec o c r 0 1 2 u C p p 1 3 由式 1 0 、 1 1 、 1 3 ， 并结合式 3 和式 9 得 正 而{ 2 G e r 2 G t a n E 。 [ ta n t a n 一 1 一 t a n 一 1 一 t a n 。 1 1 2 ] P p 一2 C [ 0一u t a n u ] t a n 2 G u 1 t a n v ， ￡ 。 } c r0 面 丽{ 2 G t a n 2 e r 2 G t a n 4 ￡ 。 【 t a n 1 一 t a n 1 t a n t a n 1 1 2 u ] p p 一2 C [ u t a n I f ， 1 一1 ] t a n 2 Gu t a n v ， 1 t a n 。 l f， E 。 } 其 中， G为岩石剪切模量。将式 1 4 、 1 5 代人式 4 ， 并 由￡ e _d u ，￡ ； 一 U得 d r z r --t a n 4 1／／ urt a n m p n 1 6 r 。 r I l l 6 d r 一 1 2 1 t a n [ 1 c t a n 一1 ] 2 G 2 C 2 u1 1 t a n t a n 2 Gu 1 一t a n ￡ 0 2 G 对于少量 出水地层 ， 地层 出水可视为平面径向 流问题， 井壁地层孔隙压力变化一般由线性扩散方 程表示 O r k 盟 O t ’ ， J 、 ‘ 一 式 中， ， f ， ， ， c ， k 分别为半径 、 时间、 孔隙度 、 黏度 、 有效压缩系数 、 渗透率 。 边界条件为当 r 一 ∞H , p p P 。 ；当 F o 时 ， Pp 0。 在 实际钻井过程 中， 此类地层在井壁处 冒点水 滴 ， 井周地层压力可近似为 0 ， 则井壁地层的变形为 UA 1 F A ， r 1 8 ￡ n 1 A 1 r 一n 1 A 2 ， 。 。 A 1 9 4r r A 2 0 式 中， A 、 A ， 为 积 分 常 数 ； A 为 计 算 常 数 ， Ar-， z hi t a n 。 边界条件 当 r F 0 时， 0 。 由式 1 4 得 - [ m 1 ， z。 m l m 1 1 n 1 A m 2 2 1 -- hi[ 。 1 - I- v ／1 ] 一 。 1 n 1 3 2 2 1 4 1 5 _ - 2 ／ ftan If， 一 1 一 tan 一 1 l { [ t a n t a n 1 一 u t a n 一 1 一 t a n 1 1 2 ] 一 2 c [ 1 一 u t a n If， 一 】 t a n , 2 G u t a n 1 1 e z o } ／ 2 G 。 { [ 1 - t a n t a n 一 1 一 t a n t a n 1 1 2 z／ ] p p 一 2 c [ t rd n If， 1 一 1 ] t a n 2 G u t a n 1 。 } ／ 2 G 塑性半径 F c 的求解 弹塑性边界上切向应力弹性解 为 c 『1 3[ 23 将弹塑性边界上切向应力弹性解 O “0 和径 向应力 塑性解 代入 C o u l o mb准则得塑性半径 方程 ‘ 詈 ] [詈 ] 詈 。 『l c r ／ 2 f ’ 3 一 ／ 2 2 4 ，3 l lm 1 1 ， z1 m 2 J 14 H 一 ，21 1 m 1 1 1 A m 2 j 一 2 C t a n 井壁失稳的判据 若井壁地层处 一 小于塑 性地层后效的残余强度 ， 井壁稳定；反之 ， 井壁垮 塌 ， 井径扩大至塑性半径 处 ， 井壁地层应力发生重 分布 ， 直至满足井壁地层处 一 小于塑性地层后效 的残余强度 。 对于脆性地层 ， 在井壁地层处 ， 当环 向应力 为 最大主应力时 盯 0 、 2 5 金衍等 一种气体钻 井井壁稳定性分析的 简易方法 5 l 3 一 2 6 井壁稳定的条件是 ≤ 2 C c o s ／ 1 一 s i n 2 7 将式 2 5 与式 2 6 代人式 2 7 得 3 a n c r h≤ T 2 8 式中， 为井壁岩石综合强度 。 在井壁地层处 ， 当垂直应力 为最大主应力时 0 2 9 a v 2 v a n 一 3 0 井壁稳定的条件是 ≤ 2 Cc o s ／ 1 一s i n 3 1 将式 2 9 与式 3 0 代入式 3 1 得 a v 2 V ％ 一0 r h ≤ T 3 2 3 现场验证 Fi e l dt r i a l 满东 2井位于塔里木盆地北部坳陷满加尔凹陷 东段的中部 ， 该井西北距满 东 1 井 2 8 ． 5 k m， 北东东 向距龙 口 1 井 9 6 k m， 东南距塔东 1 井 8 0 k m。自上 而下依次为新生界第 四系、 新近系 、 古近系 、 中生界 白垩系 、 侏 罗系 、 古生界泥盆系 、 志 留系；缺失 三叠 系、 二叠 系和石炭系。 志留系 S 井段 4 5 7 1 ～ 6 2 0 0 m， 厚约 1 6 2 9 m， 该套地层可划分两个岩性段 ， 即红色泥 岩段和下砂岩段。该井进行氮气钻井 的井段为志留 系下砂岩段的 5 8 1 8 ． 5 ～ 6 1 0 8 m层段。 下砂岩段 上部 岩性 为中 ～巨厚层状褐灰色 、 灰色泥质粉 砂岩 、 粉砂 岩 、 细砂岩夹 中厚层状 灰褐 色粉砂质 泥岩 、 砂质泥岩及灰色 中砂岩 ；中部岩性 为 中 ～巨厚层状褐灰色 、 灰色 中砂 岩 、 细砂岩 、 粉砂 岩 、 泥质粉 砂岩不等厚互层 夹 中厚层状 灰褐色 、 褐 色粉砂质泥岩及灰色含砾 中砂岩；下部岩性 以大套 中 ～巨厚层状灰 色中砂岩 、 泥质 中砂 岩 、 细砂 岩为 主夹 中厚层状灰色粗砂岩 、 泥质粉砂岩及含砾 中砂 岩 。 利用硬脆性地层模型， 计算结果如图 1 ， 与实钻 结 果对 比 图 2 ， 5 9 0 0 ～ 6 1 0 0 m 井段井 径扩 大率仅 在 1 0 ％左右， 对应于该井段的地层综合强度值在 当量应力之上， 可见理论模型与实际较为吻合。而 5 8 0 0 ～ 5 9 0 0 m井段 和 6 1 5 0 ～ 6 2 0 0 m 井段理论模 型与 实际的有较 大出入。采用 弹塑性模 型， 计算 的井径 扩大与实钻结果基本吻合。 这说明气体钻井条件下， 井壁 由于没有钻井 液引起 化学失稳 问题 ， 井壁稳定 性会好得多。 曩 口 ， 弧 图 1 满 东 2井地层综合强度与 当量应力的关 系 F i g ． 1 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n f o r m a t i o n s t r e n g t h a n d t h e e q u i v a l e n t s t r e s s i n M a n d o n g 一 2 We l l 深 度 ／ m 图2 满东2井的井径扩大率 F i g ． 2 W e l l b o r e e n l a r g e me n t r a t e i n M a n d o n g 一 2 W e l l 4 结论 Co n c l u s i o n 以往气体钻井井壁稳定模型是基于线弹性理论 推导出来 的， 一般认 为地层进入塑性状态井壁就失 稳 ， 这主要考虑钻井 液对地层力学性能改变的综合 考虑的结果 。而对于气体钻井条件下 ， 地层进入塑 性状态变形到一定程度 ， 井壁坍塌井径扩大后 ， 地层 趋 于稳定 。建立 的弹塑性模 型能更好地预测井壁稳 定性 。气体钻井条件下 ， 井壁 由于没有钻井液 引起 化学失稳问题 ， 井壁稳定性会好得多。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 项德贵 ， 孙 梦 慈， 陈志 学 ． 青西 油田空 气钻井 井眼稳 定 问题的探讨 [ J ]． 断块油气田， 2 0 0 5 ， 1 2 6 6 8 7 0 ． XI ANG De g u i ， SUN M e n g c i ，CHEN Zhi xu e ． Di s c us s i o n o n t h e me c h a n i c a l f a c t o r s o f we l l b o r e i n s t a b i l i t y o f a i r d r i l l i n g i n Qi n g x i O i l fi e l d[ J j． F a u l t b l o c k Oi l G a s F i e l d , 2 0 0 5 ， 1 2 6 6 8 7 0 ． [ 2] 陈志学， 孙梦慈， 于文华， 等 ． 空气钻井在窿 9井的试验 与效果 [ J ]． 钻 采工艺 ， 2 0 0 5 ， 2 8 3 3 l 。 3 3 ． CHEN Z h i x u e ，S UN M e n g c i ， YU W e n h ua ， e t a 1 ． Th e e x p e r i me n t a n d r e s u l t o f a i r d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n we l l L o n g 9 l J j ． D r i l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o gy, 2 0 0 5 ， 2 8 3 3 1 3 3 ． 5 2 石油钻采工艺 2 0 0 9年 l 2月 第 3 1卷 第 6期 [ 3 ] [ 4] 李爱军 ． 空气钻井井眼稳定问题初探 [ J ]． 西部探矿 [ 5] 工程 ， 1 9 9 4 ， 6 1 1 1 一 l 4 ． L I A i j u n ． P fi ma s t u d yo f t h e s t a b i l i tyo f a i r d r i l l h o l e[ J j ． We s t h ma E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 4 ， 6 1 1 1 1 4 ． 马光长， 杜良民． 空气钻井技术及其应用[ J] ． 钻采工艺， 2 0 0 4 ， 2 7 3 4 - 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