深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用.pdf

第 3 3卷 第 6期 2 0 1 1 年 1 1月 石 油 钻 采 工 艺 O I L DRI L L I NG P R0 DUCT 1 0N T EC HNOL OGY Vo 1 ． 3 3 No ． 6 NO V ．2 011 文章编号1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 1 0 6 0 0 0 1 0 4 深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用 蔚宝 华 闫 传 梁 邓 金 根 刘 书 杰。谭 强 肖 坤 1 ． 中国石油大学， 北京1 0 2 2 4 9 ；2 ． 中海石油研究总院， 北京1 0 0 0 2 7 摘要深水地层上覆岩层压力低 ， 井眼破裂压力低， 安全钻井液密度窗口窄， 易发生井壁失稳， 因此， 准确评估安全钻井液 密度窗口对深水钻井十分必要。深水地层井壁稳定性研究难点在于准确评估上覆岩层压力与建立浅层井眼坍塌压力和破裂压 力计算模型， 针对国外现有模型中对深水地层密度评估存在偏差的问题， 从深水地层特性出发， 认为深水浅层和深层处于不同 的成岩阶段， 应采用不同的模型进行密度评估；针对深、 浅层井周应力状态的差异， 分别对深水浅层和深水深层的井壁稳定性 进行研究， 得 出了安全钻井液密度窗口计算的分段模型。利用该模型对南海某深水气田的安全钻井液密度窗口进行了评估， 评 估结果与实钻情况吻合， 表明该模型准确、 可靠， 为深水钻井液密度设计提供 了重要依据。 关键词 深水；井壁稳定；上覆岩层压力；破裂压力；坍塌压力 中图分类号 T E 2 1 文献标识码 A Ev a l ua t i o n a nd a ppl i c a t i o n o f we l l b o r e s t a bi l i t y i n de e p wa t e r Y U B a o h u a ， Y A N C h u a n li a n g ， D E N G J in g e n ， L I U S h i e 2 ， T A N Q ia n g ， X IA 0 K u n 1 C h i n a U n i v e r s i t yofPe t l e u m， B e ij i n g1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o fC h in aN a t i o n a l O ffs h o r eO i l C o r p o r a t i o n ， Be o i n g1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d e e p wa t e r f o r ma t i o n h a s l o w o v e r b u r d e n p r e s s u r e ， l o w f r a c t u r e p r e s s ure a n d n a r r o w s a f e t y wi n d o w o f mu d d e n s i t y ． S o t h e r i s k o f we l l b o r e i n s t a b i l i ty i s v e r y h i g h i n thi s k i n d o f f o r ma t i o n ． I t i s s i g n i f i c a n t l y i mp o r t a n t t o a c c ura t e l y e v a l u a t e t h e s a f e ty wi n d o w o f mu d d e n s i ty． T h e d i ffic u l t i e s o f we l l b o r e s t a b i l i ty a n a l y s i s i n d e e p wa t e r a r e h o w t o a c c u r a t e l y p r e d i c a t e t h e o v e r b urd e n p r e s s u r e an d e s tab l i s h t h e c a l c u l a t i o n mo d e l o f c a v i n g a n d fra c t u r e p r e s s u r e i n the s h a l l o w p a r t o f the d e e p wa t e r f o r ma t i o n ． Th e p u b l i s h e d f o r e i gn mo d e l s ， f o r c a l c u l a t i n g t h e o v e r b u r d e n p r e s s ure i n the s h a l l o w p a r t o f t h e d e e p wa t e r f o r ma t i o n ， h a v e p r e c i s i o n p r o b l e ms i n d e n s i ty e v a l u a t i o n ． I n t h i s p a p e r , we b e g i n fro m t h e p r o p e r t i e s o f d e e p wa t e r f o r ma t i o n ， an d s u g g e s t t h a t d i ffe r e n t mo d e l s s h o u l d b e u s e d a c c o r d i n g t o t h e d i ffe r e n t d i a g e n e t i c s t a g e s i n t h e s h a l l o w a n d d e e p p a r t o f the d e e p wa t e r f o rm a t i o n ． T h e we l l b o r e s t a b i l i ty i s r e s e a r c h e d for s h a l l o w a n d d e e p p a r t s s e p a r a t e l y , a n d d i ff e r e n t mo d e l s a r e o b t a i n e d ． Th e mo d e l i s u s e d t o e v a l u a t e t h e s a f e ty wi n d o w o f mu d d e n s i ty i n a d e e p wa t e r g a s f i e l d i n S o u th Ch i n a S e a ． Th e r e s u l t i s c o i n c i d e wi th t h e r e a l l y d r i l l i n g c o n d i t i o n ， wh i c h i n d i c a t e s t h e mo d e l i s a c c u r a t e a n d r e l i a b l e a n d c a n s u p p l y u s e f u l i n f o rm a t i o n for mu d d e n s i ty d e s i gn i n d e e p wa t e r d r i l l i n g ． Ke y wo r d s d e e p wa t e r ； we l l b o r e s t a b i l i ty； o v e r b urd e n p r e s s ure ； fra c t u r e p r e s s ure ； c o l l a p s e p r e s s ure 目前 ， 世界上把水深大于 5 0 0 I I 1 的海洋钻井称 为深水钻井 1 o随着陆上未勘探 的领域越来越少 ， 海洋石油勘探开发 已成为世界各大石油公司竞争的 一 个热点领域 。据统计 ， 2 0 0 0 --2 0 0 5年 ， 全球新增油 气探明储量 1 6 4 1 0 t 油当量， 其中深海占4 1 ％， 浅 基金项 目 作者简介 海占3 1 ％， 陆上占2 8 ％；截止到 2 0 0 9 年初全球探明 的石油储量为 1 3 4 2 0 亿桶， 其中深水约占 1 0 ％， 超过 1 0 0 0 亿桶。深水领域是未来石油勘探开发的发展方 向， 进行深海开展油气勘探开发是世界石油工业 的 发展趋势 。 国家科技重大专项项目 “ 南海深水油气勘探开发示范工程” 编号2 0 0 8 Z X 0 5 0 5 6 ． 0 0 2 0 3 ． 0 2 ；中国石油大学 北京 引进人 才科研启动基金 ； “ 深水钻 井井壁稳 定性理 论与实验研 究” 编号 QD一 2 0 1 0 ． 0 9 联 合资助 。 蔚宝华， 1 9 7 3 年生。1 9 9 6 毕业于江汉石油学院钻井专业， 2 0 0 6 年获中国石油大学 北京 油气井工程专业博士学位 ，主要从 事井壁稳定和油气井出砂方面的研究。电话 0 1 0 8 9 7 3 3 9 1 1 1 5 。E - m a i l y u b a o h u a 7 3 1 2 6 ．c0m 。 蔚宝华等深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用 3 PP o Ae x p 一B z 4 式 中， 为泥面地层 密度 ；z为泥面 以下地层深度 ； 其他参数同上。 随着浅层实测密度数据的不断增加， 研究者发 现， 声波与密度相关关系法对于泥面几百米以下地 层密度的评估相对准确， 但在浅层评估结果往往偏 高；密度趋势线法对深层密度评估往往偏低。 深水浅层沉积物的密度主要受饱和土 的固结理 论控制 ， 而深部地层 密度 主要受压实理论控制 。在 地层中存在一转化点， 在转化点上下地层密度的评 估应 当采用不 同的形式。转化 点处力学性质受弹性 和塑性共 同控制 ， 其性质必满足下式 f ＼ 【 二 2 。 ] li m 1 一 一s i n g , ＼ 式中， 。 i 为上覆岩层压力临界值； 为泊松比； 为地层黏聚力 ； 为地层内摩擦角 。 为了克服现有模型中存在的缺点， 将深水地层 以转化点为界分为深水浅部地层和深部地层2 部分。 对于浅部地层， 采用幂率模型进行密度补足， 对于深 部地层 ， 利用声波与密度相关关系法进行补足 ， 并要 求 2条 曲线平滑连接。 3 深水钻井安全钻井液密度窗口计算模型 3 ． 1 深水浅层安全钻井液密度窗口计算模型 深水 浅部地层受饱 和土的固结理论控 制 ， 塑性 强 ， 井壁附近处于弹塑性状态 ， 用传统的多孔弹性理 论进行井壁稳定分析显然是不合适的 ， 必须对井周 塑性状态进行研究 。 为了准确评估深水浅层井眼破裂压力， 1 9 9 7 年， L e e 9 等人研究 了水深对破裂压力的影响， 发现深水 井壁破裂压力 与上覆岩层压力较为接近 ， 但未给出 具体模型 ；为 了从力学上揭示深水浅层井 眼破裂压 力 ， Wo j t a n o wi c z_ 1 。 。 等人采用能反映深水浅层力学特 性的弹塑性模 型 ， 从 理论 分析及数值模拟两方面对 破裂压力进行 了研究 。理论分析表 明， 在深水浅层 ， 井壁上不 可能出现垂直 的可扩展裂缝 ， 水平裂缝是 造成井漏的原因， 这一点在数值模拟分析中也得到 了验证。因此， 深水浅层破裂压力P ， 应当采用下式 进行计算 P f O “ v 6 对 于深水浅 部地层 ， 利用弹性模 型计算 的井 壁 坍塌压力相对比较保守。事实上， 即使井壁周围出 现一定 面积 的塑性 区， 井壁也能维持稳定 ， 为此 ， 需 要计算不同钻井液密度下的井周地层塑性区面积。 数值模拟结果表明， 当井周塑性区半径超过井眼半 径的1 ．6 倍时， 井壁发生失稳。 假设水平地应力相等， 深水浅层防止井壁坍塌的钻井液液柱压力 P ． 可以通 过下式计算 N 士 - 1 2 C h - a c a c Ⅳ一 1 p 。 2 ／ N 一 1 N 1 s i n o ／ 1 一 s i r g o 式 中， c r h 为水平地应力 ；c r c 为地层抗压强度。 3 ． 2 深水深层安全钻井液密度窗口计算模型 对于深部地层 ， 井 眼周 围地层一般处 于弹性状 态 ， 可利用多孔弹性力学进行井壁稳定性分析 ， 井壁 坍塌压力的计算模型为 一 s i n o 0 仃 H 一 h 一 2 C c o s q 2 a p 。 s i n q pc r 一 8 式中， M安全系数；0 IH 水平最大地应力； 水平最 小地应力； 为有效应力系数； P 。 为地层孔隙压力。 井壁破裂压力的计算模型为 I 一 Q O“v -- Ctp p q- a p p S t9 式 中， Q 一 3 ， 为构造应力 系数 ；s t 为地层抗拉强 度。 对于深水钻井 ， 防止井下漏失异常关键 ， 必须要 考虑地层中存在不整合面、 断层等情况， 在这种情况 下 ， 井壁破裂压力为 Pf 1 0 4 实例分析 位于 中国南海珠江 口盆地的某深水气 田是国内 第 1 个即将投入开发 阶段的深水油气 田。该气 田所 处海 域水深大约为 1 3 5 0 ～ 1 5 0 0 r n ， 已钻 井揭示的地 层从上到下依次为万山组 、 粤海组 、 韩江组、 珠江组、 珠海组 、 恩平组和文 昌组 ， 地层岩性 以砂泥岩为主， 主力气层位于珠江组和珠海组。 根据笔者给出的井壁稳定分析模型， 对该气田 某井的井壁稳定性进行了评估， 分析了深水钻井井 壁稳定问题的特殊性。 图2 为该井的地层密度和地应力评估结果， 从 图中可以看出深水浅层密度极低， 尤其是泥面密 度大概在 1 ． 1 g ／ c m 左右， 加之上部海水的影响， 使深 4 石油钻采工艺2 0 1 1 年 1 1月 第 3 3 卷 第 6期 水地层上覆岩层压力极低， 尤其是浅部地层， 与同深 度 的陆上地层相 比要低 0 ． 7 g ／ c m 以上 ；该气 田水平 地应力较低， 两水平主应力之间的差值不大， 有利于 维持井壁稳定， 但最小水平地应力太低， 钻井时要注 意防止钻井液漏失。 图 3为安全钻井液密度窗 口计算结果 。该井为 正常压力体系， 水深对地层压力没有影响， 深水地层 孔隙压力变化规律与陆上地层相同；深水地层安全 钻井液密度窗口非常窄， 这主要是因为地应力水平 低所导致的破裂压力值低， 而地层压力却不受水深 的影响， 笔者以最小水平地应力作为漏失压力， 与坍 塌压力之间的密度窗 口大致在 0 ． 3 g ／ c m。 左右 ， 容易 发生钻井液漏失。从钻井情况看， 坍塌压力 的计算 值与实用钻井液密度符合， 破裂压力、 漏失压力与现 场测量值符合， 说明计算模型的合理l生。 一 地层密度 ▲实测地 屡密度 O 3 o 0 6 o 0 9 oo 1 2 o o l 5 0 0 1 8 o o 21 0 0 2 4 0 0 泥面下深度， m 0 3 o o 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 l 8 o o 21 0 0 2 4 o 0 泥面下深度／ m 图 3 钻井安全钻井液密度 窗 口 5 结论及建议 1 从研究方法上看， 深水与陆地和浅水钻井井 壁稳定性研究是基本相同的， 都要先确定井周应力 状态和地层的变形破坏规律， 然后根据合适的破坏 准则判断井壁是否稳定。 2 与陆上及浅水地层相 比， 深水井壁稳定性研 究的难点主要是准确评估上覆岩层压力， 建立深水 浅层的坍塌压力、 破裂压力计算模型。 3 现有的深水地层密度补足模型对密度的评估 精度存在一定的偏差， 建议将深水地层以转化点为 界分为两部分， 对于转化点 以上 的地层 ， 采用幂率模 型进行密度补足 ， 对于转化点以下地层 ， 利用声波与 密度相关关系法进行密度补足， 以提高精度。 4 针对深水浅部地层处于近塑性状态 的情况 ， 建立了专门的安全钻井液密度窗口计算模型；对于 深部地层可采用常规模型进行计算。 5 利用建立的模型对南海某深水气田井壁稳定 性进行研究表明， 深水地层上覆岩层压力低 ， 破裂压 力低， 是影响深水钻井安全的主要因素。 参考文献 [ 1 ] 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 o 2 1 0 1 3 ． [ 2 J C H HAJ L ANI Ri c h i n ， Z HE NG Z i q i o n g ． Ut i l i z a t i o n o f g e o me c h a n i c s f o r Me d u s a fi e l d d e v e l o p me n t ， d e e p wa t e r g u l f o f Me x i c o l R j． S P E 7 7 7 7 9 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] RI T T E R D G， GR OL L I MU ND B ． We 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 fi e l d s ． o ff s h o r e B r a z i l a p r o b a b i l i s t i c a p p r o a c h[ C]． O T C 1 5 2 0 5 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] KAARS T AD E ， AADNOY B S ． F r a c t u r e mo d e l f o r g e n e r a l o ff s h o r e a p p l i c a t i o n s l R J． S P E 1 0 1 1 7 8 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 蔚宝华， 邓金根， 高德利 ． 南海流花超大位移井井壁稳 定性分析 [ J ]． 石油钻采_T -- 艺， 2 0 0 6 ， 2 8 1 1 ． 3 ． [ 6] 王桂华， 徐同台． 井壁稳定地质力学分槲 JJ_ 钻采工艺， 2 0 0 5 ， 2 8 2 7 - 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