普光地区安全钻井液密度窗口的测井方法研究.pdf

第 2 5卷 第 6 期 2 0 0 8年 1 1月 钻 井 液与 完 井 液 DRI LLI NG FL UI D COMPL ET1 0N FLUI D Vo 1 ． 2 5 NO ． 6 NO V ．20 0 8 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 8 0 6 0 0 5 8 - 0 4 普光地区安全钻井液密度窗 口的测井方法研究 罗庆 范翔宇 夏宏泉 刘旭春。 王磊 1 ． 中原油 田分公司采油工程技术研究院 ， 河南濮阳 ； 2 ． 西南石油大学石油工程测井实验室 ， 四川成都 ； 3 ． 西部钻探测井公司 ， 新疆克拉玛依 ； 4 ． 青海油田采油二厂 ， 青海花土沟 摘要 根据井壁 围岩应力分布规律和强度破坏准则全面分析 了井壁岩石的所有可能 的破裂 情况， 在此基础上 提 出了利用测井资料确定 安全钻 井液 密度窗 口上下限 的方 法， 并利 用普光 2井 的资料对该 方法进行 了实例 验证。 结果表 明， 利用测井资料 能较准确地确定安全钻 井液 密度 窗 口上 限和下限， 为 钻井设计和 实钻过程 中采 用合理 的 钻井液密度提供科学依据。 关键词 钻 井液 密度 井眼稳定 地层坍塌压力 地层破裂压力 中图分类号 T E 2 5 4 ． 1 文献标识码 A 在钻井施工中， 井眼周 围产生应力集 中， 若钻井 液密 度不能 有效地 平 衡井 壁 应 力 ， 则会 出现井 壁 失 稳现象 。井壁不稳定分为 2种 一是钻井液密度过 低、 井 内钻井液液柱压力过低， 井壁发生剪切破坏， 引起地层坍塌； 二是钻井液密度过高、 井内钻井液液 柱 压力 过 高 ， 井 壁发 生 张性 破 坏 ， 压 裂 地层 。另 外 ， 当地层 孔 隙压力远 高 于钻 井 液 液柱 压 力 时 ， 会 发 生 井 喷和溢 流 。 钻井液密度是否合理是衡量钻井过程中井壁稳 定的关键因素之一。为此 ， 根据井壁围岩应力分布 规 律和强 度破坏 准则全 面分析 了井壁 岩石 的所有可 能的破裂情 况 ， 在 此基 础 上 提 出 了利用 测 井 资料 确 定安全钻井液密度窗 口上下 限的方法 ， 并进行了实 例验证。结果表明， 利用此方法能较准确地求得合 理 的安全 钻井液 密度 窗 口， 为钻 井 工 程提 供 了科 学 依 据 。 1 井壁处应 力分布 力学模 型 井壁 围岩处于平面应变状态， 即在无限大平面 上 ， 一圆孑 L 受均匀 内压， 而在这个平面的无限远处受 2个水平地应力的作用， 其垂直方向上受上覆岩层 压力。以压应力为正， 拉应力为负， 根据弹性力学理 论 ， 并考虑 到地层 压力 的影响 ， 可 得井壁 处有效 应力 分布力学模 型如 下 。 一 P 一 a P p 一 a ll 一 2 o H一 c o s 2 0 一 P 一 a P 一 一 一 C O S -- a Pp 1 式中， 为上覆岩层压力 ， MP a ； 和 分别为水 平最大和最小地应力， MP a ；P 为井内液柱压力 ， MP a ； 为岩 石泊松 比； 0 为井 壁上某 点与水 平最大 地应力在逆时针方 向上的夹角； 为径 向应力 ， O 0 为 周 向应 力 ， 以 为 垂 向应 力 ， MP a ； n为有 效 应 力 系 数 ； P 为地层孔隙压力 ， MP a 。 2 安全钻 井液密度 窗 口下限的确定 根 据井 眼 围岩 应力 分 布规 律 及剪 切破 坏 准则 ， 考虑到地层岩石是非线性弹性体 的实际情况 ， 将式 1 修正为非均匀地应力下井壁应力计算公式。 ， 一 P 一 a P p I 广 ] { 国一 】7 f 一2 O H 一 C O S 2 0 --P 一 p I 一 一 a ll一 c o s 2 一 a Pp 2 式中， 为应力非线性修正系数， 一 ／ 。 0 “ o f 一 一 P 一 一 式中， O o 和 分别为均匀地应力下周向应力的线性 第一作者简介 罗庆， 在读硕士研 究生， 主要从事测井在石油工程 中的应用研 究。地址 河南省濮 阳市 中原油 田分公 司采 油工程技术研究院； 邮政编码 4 5 7 0 0 1 ； 电话 1 5 9 2 8 0 4 9 8 9 7 ；E - ma i l l u o q 6 6 2 6 y a h o o ． c o rn． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 6期 罗庆等 普光地 区安全钻井液密度窗 口的测井方法研究 5 9 弹性解和非线性弹性解 ， MP a ； 0-为水平主应力的平 均应力 ， MP a ； 为待定系数 ， 通常取 0 ． 1 。 井眼形成后， 井壁周 围的岩石将产生应力集 中， 当井壁围岩所受 的周 向应力 0- o 和径 向应力 0- ，的差 达到一定数值后 ， 将形成剪切破坏 ， 造成 井眼坍塌。 从 式 2 可 以看 出 ， 当 一9 0 。 或 2 7 0 。 时 ， 0- 0 和 ， 之 差 最大 ， 最容易产生井壁坍塌。此时， 井壁上的主应力 为 3 一 P 一 a P 7 3 a h一 H P 一 a P 一 一 2 F a H一 0- h c o s 2 0 一 a P 3 由摩尔一 库仑强度准则得知 ， 当岩石所受应力满足式 4 时， 岩石产生坍塌破坏 。将 3 式代入 4 式 ， 可 以求得保持井壁稳定所需的钻井液密度式 5 。 ≥ c tg [ 一 导 ] 0“3 -F 2 C o c t g [ 一 导 ] 4 一 器 产 ㈣ 式中， Kt a n 7 ／ 4 9 ／ 2 ， 为 内摩擦角 ， 一般取 3 0 。 ； 口为 B l o t 弹性系数 ， 且为 ，p b 3 A t ； 一4 ／ A t 一 式 中， C o 为岩石黏聚力 ， MP a ； A t 和 △ f 分别为岩 石骨架 的纵波 、 横波 时差 ， u s ／ f t ； p b为地层 体积 密 度， g ／ c m。 ； 为岩石骨架体积密度 ， g ／ c m。 ； lD为钻 井 液密 度 ， g ／ c m。 。 钻 井过 程 中 ， 如 果 井底 液柱 压 力 小 于 地层 压 力 P ， 就会发生井喷， 因此 ， 安全钻井钻井液密度下限 应 取 1 0 0 0 ma x BP、 P lD n一 百 丽 一 PF 一 3 0“ h d H a P。 S 7 式中， PF为地层破裂压力 ，MP a 。此外 ， 随着井底 液柱压力的增大 ， 若满足一定的条件 ， 井壁岩石也将 发生剪切破坏 。这种情况下 0“ o 为最小主应力 ， 。 、 或 为最 大 主应 力 。 。由式 1 可 知 ， 无 论 或 为最大主应力 ， 一∞值在 一0或 丌时最大 ， 该处 最容易发生剪切破裂 。此时 ， 井壁上主应力为 一 P 一 3 0“ 一 H P 一 一 2 H一 0“ h 8 根 据 最常用 的 Mo h r C o u l o mb准 则 r 一 0“ n t g T C0 9 式 中 ， 为 正 应 力 ， MP a 为 剪 应 力 ， MP a 。 和 r 用最大主应力 和最小主应力 表示为 一 一 i s i n 1 o 一 T一丁 n L u 一 c o s 1 1 一 一 c o 根据式 9 、 式 1 0 和式 1 1 ， 并考虑地层孔隙压力 的作用 ， 则可将 Mo h r ～C o u l o mb准则改写为 f P 一 l 一 0“ a 一 s i m p 0“ 1 0“ a 一 2 a P 一 2 C o c o s 。一 0 1 2 分别将式 8 中的 或 代入式 1 2 得到 2个 不同的坍塌压力 B P 。和 B P。 。可以证 明， 在井底 液 柱 压力 较 大 的情 况 下 ， 坍 塌压 力取 BP1 rai n BP2 、 BP3 1 3 由于井壁坍塌是压性剪切破坏 ， 必须有 0“ o ≥0 ， 6 即 3 m 0“ H P -- a pe B P1 ≥ 0 1 4 式 中 i 为安 全钻 井 钻 井 液 密 度 下 限 ， g ／ c m。 ； H 为 井深， m。若实际钻井液密度低 于安全钻井液密度 下限， 将发生井眼坍塌或井喷事故。 3 安全 钻井液密度窗 口上限 的确定 随着井底液柱压 力增大， 周 向应力会 由压应力 变为拉应力 ， 当其值超过岩石 的抗拉强度时 ， 井壁岩 石会发生拉 伸破 裂。破 裂发生 在 0“ 0最小 处 ， 且 由 1 式可知， 当 一0或 7 【 时， 0“ 0 最小 ， 即该处最容易 发生剪切破裂 。据张性破坏准则有 B P 只有满足式 1 4 才是真正的地层坍塌压力。因 此 ， 当存在地层 坍塌压力 BP 时 ， 取钻井液密度上 限 p m 等 9 8 0 6 6 里5 H堕 1 5 “ ． ⋯， 当坍塌压力 BP 不存在时， 钻井液密度上限取 1 0 00PF l D ⋯ 一 丽 1 6 若实际钻井液密度大 于安全钻井液上限， 将发生井 眼坍塌或井漏事故。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 8年 1 1月 4 测井资料确定各种 中间参数 4 ． 1 岩石强度参数的确定 岩石强度参数的计算可采用以下的经验公式 C 。 一 4 ． 9 6 X 1 0 7 4P 2 1 2 [ } 圭 ] 1 0 ． 7 8 V 1 7 r一 0 ． 0 0 4 5 E 1一 V 0 ． 0 0 8 EV 1 8 S 一 旦 1 9 一 一 L l 1 一 2 0 2 ． 6 5 4 1 g M 十 ／ 1 2 O 式 中， M 一 5 8 ． 9 3 1 ． 7 8 5 C o； V 为岩 石 的 泥质 含 量 ， ％； p c 为地层体积密度， g ／ c m。 ； 由 GR测井值求 取 ； U 为纵 波时差 ， f t ／ u s ； 口 为单轴抗 压强 度 ， MP a ； s ， 为单轴抗拉强度 ， MP a ； 为泊松 比， 无量纲 ； E为 杨 氏模 量 ， MP a 。 4 ． 2 地应力的确定 最大和最小水平地应力分量一是 由上覆岩层压 力的泊松比效应引起的， 二是由构造运动所产生的应 力引起的 。利用测井资料计算 地层应 力时 ， 首 先通过 对岩石力学参数 的 动静态 同步测试 及 岩石 抗压 和抗 拉强度测试建立地区的动静态参数经验关系式， 然后 根据该地 区地层应力特征选择 模型 ， 用 密度 和全波列 测井资料由式 2 1 和式 2 2 计算最大 、 最小主应力。 ffH f A 1 一 n P n P 2 1 I ￡一 B l 一 口 P n P 一 2 2 I rH I 其 中 ， 一 0 0 0 9 8 0 6 8 I p H 。 J d H l At 一 2At 2 A t 一 At ； 式中 ．0 为研究井段以上的地层密度平均值 ，g ／ c m。 ； H。和 H 分别 为顶 界深度 和 目的点深 度 ， m； A、 B为 地层构造应力系数 A≥B ， 可通过室内声发射实验 或水力压 裂法实验 数据确定 出某深 度处 的 、 值 ， 并将其代人 2 1 、 2 2 反算求得 。 4 ． 3 地层孔隙压力的确定 根据地层 孔 隙压 力 与 上覆 地 层 压 力 、 有 效 应力 的关系 口 一P 。 一P 以及有效应力与泊松 比的统计 关系， 可由如下公式求取地层压力 。 P一 P0 1 0 0 ． 6 7 4 e 5 7 8 2 5 2 3 5 实例分 析 将上述方法采用 F o r t r a n语言编程， 直接挂接 在 F o r wa r d平台上运行， 实现应用测井资料进行安 全 钻井液 密度 窗 口的可视化解 释处 理 。利用 上述 方 法可以得到保持井眼稳定所需 的安全钻井液密度窗 口， 将普光地区多 口井的地应力， 岩石力学参数分别 代入上述方法 的模 型中， 即可以求得任意深度处保 持井眼稳定所需的安全钻井液密度。普光 2井飞仙 关组 5 0 2 5 ～5 2 0 5 m 井段 的安 全钻井 液密度 窗 口测 井解释成果见图 1 。由图 1可以看出， 第 1条曲线是 井径和钻头直径 ， 指示井眼的扩径情况 ； 第 2 条是三 孑 L 隙度曲线 ， 第 3条是 电阻率 曲线， 第 4是岩性剖 面 ， 第 5 条至第 8 条是各种力学参数 ， 第 9条曲线为 安全钻井液密度窗口。从第 1条曲线看 出， 5 0 2 5 ～ 5 1 9 4 m 井段 没有发 生扩径 ， 井壁 较稳定 ； 井深 5 1 9 4 ～ 5 2 0 5 I T I 发生了井壁坍塌 ， 使井径扩大； 第 9条曲 线显示了 5 1 9 4 ～5 2 0 5 i n井段钻井液密度为 1 ． 2 8 g ／ c m。 ， 而在该井段在钻进过程 中钻井液 的密度为 1 ． 2 4 g ／ e ra。 ， 小 于安 全钻井 液密 度窗 口的下限 ， 故发 生井壁坍塌。此外， 现场井漏资料记录了普光 2井 分 别在井深 5 0 2 7 ． 5 ～5 0 3 2 ． 6 1 IT I 、 5 0 5 0 5 0 5 5 m 和 5 0 6 1 ～5 0 6 5 r n处取心钻进时发生了渗漏 ， 漏失 量分别为 1 4 ． 2 、 8 ． 3和 6 r n 。 。从第 9条曲线安全钻 井液密度窗口可看 出， 在这些井段安全钻井液密度 上 限都较 低 ， 小 于 1 ． 5 5 g ／ c m。 ， 钻 进时 的钻井液 密度 大 于 了安 全密 度 上 限发 生 了井 漏 。因 此 ， 可 以发 现 第 1 条曲线的扩径现象与第 9条曲线显示的安全钻 井 液密 度窗 口的关 系基 本 吻合 ， 表 明 了利 用 上述 方 法确定的安全钻井液密度窗 口是可靠的、 计算 的钻 井液密度可以用于现场， 应用效果 良好。 6 结论 1 ．利用测井资料可以较为准确地确定 出不 同 层位及不同深度的各种岩石力学参数和安全钻井液 密度窗口， 为钻井工程提供了科学的依据 。 2 ．当钻井液密度较大时， 井壁也可能发生剪切 破坏 ， 出现另一种坍塌， 缩小 了安全钻井钻井液密度 窗口， 给钻井工程带来了很大的影响。 3 ．该 方法 是 纯 力 学 的观 点 。 实 际上 井 壁 岩石 的破坏， 不只是力学因素引起 ， 还与钻井液的化学性 质有关， 因此必须配备优质的钻井液体系。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 6期 罗庆等 普光地区安全钻井液密度窗 口的测井方法研究 6 1 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 图 1 普光 2井 5 0 2 5 ～5 2 0 5 m井段地 层安全钻井液密度窗 口综合解释成果 图 参 考 文 献 陈永 明． 两种 不同的地层坍塌压力． 钻采工 艺 ， 1 9 9 7 ， 2 0 5 2 3 - 2 5 刘之 的， 夏宏泉 ， 张元 泽 ， 等． 地 层坍塌压力的测井 预测 研究． 天然气工业 ， 2 0 0 4 ， 2 4 1 5 7 5 9 程远方 ， 徐同 台． 安全钻 井液 密度 窗 口的确立及 应 用． [ 4 ] [ 5 ] 石油钻探技术 ， 1 9 9 9 ， 2 7 3 1 6 1 8 刘向君． 岩石力学 与石 油工程． 北京 石油工程 出版社 ， 2 00 6 11 0 1 47 高德利． 复杂 地质 条件下深 井超深 井钻 井技术． 北 京 石油工程 出版社 ， 2 0 0 4 收稿 日期 2 0 0 8 0 2 2 1 ； HGF 0 8 5 A3 ； 编辑 张炳芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m