海上复杂压力体系油田钻井安全密度窗口研究-.pdf

5 2 天然黾 与石油 NA T UR AL GAS A ND 0 l L 2 0 1 5年 1 0月 海上复杂压力体系油田钻井安全密度窗 口研究 管 申 谭强 黄熠 梁继文 曹峰 1 ． 中国海洋石油有限公司湛江分公司， 广东湛江5 2 4 0 5 7； 2 ． 中国石油大学 北京 石油工程学院， 北京1 0 2 2 4 9 摘 要 地层存在复杂压 力体 系将给 钻 井工程 带来 严峻 挑战 。涠洲 1 2 1油 田钻遇 高坍 塌压 力、 高孔 隙压 力以及压 力衰竭 、 低 漏失压 力地 层 ， 钻 井的主要困难在于 涠二段上部层理 、 裂缝发育 的 泥页岩极易坍塌， 涠四段异常高压与异常低压地层共存， 异常低压段易发生钻井液漏失。通过岩石 力学分析得 出 涠二段泥页岩 的坍 塌主要 受层理 弱面 控制 ， 以较 小 的井斜 角钻 井 时井壁稳 定性 较 好； 涠四段主力储层孔隙压力降低后， 坍塌压力与漏失压力均降低。基于以上分析得 出钻井安全密 度窗口随井深的变化情况， 提出安全钻井设计原则， 即涠二段泥页岩井眼轨道设计 中尽量选用低井 斜角通过 ， 并采用单独开次钻进 ， 涠 四段储层使 用高压 差屏蔽钻 井液体 系和尽 量低 的钻 井液 密度 ， 减少 井壁失稳风 险。 关键 词 复杂压力 ； 井壁稳定 ； 层理性地层 ； 压力衰竭 ； 安全 密度窗 口 D OI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 65 5 3 9 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 1 2 油气钻井中， 地层孑 L 隙压力、 坍塌压力和漏失压力 确定 了钻井 安全 密度 窗 口， 为 保证 钻井 安 全 ， 一 般要 求 钻井液密度 位 于钻井 安 全密 度 窗 口之 内。地层 压力 体 系较为复杂 的 区块 常 出现钻 井 安全 密度 窗 口过 窄 的 问 题 ， 给钻井设计 和钻井工程带来很 大难度 ⋯。 涠洲 1 2 。 1 油田位于南海西部北部湾盆地北部拗陷 涠西南 凹陷 ， 被断 层分割 为南 、 中、 北 三块 。钻井 中主 要钻遇第 四系上 新统 望 楼港 组 ， 中新统 灯 楼 角组 、 角尾 组 、 下洋组 以及渐 新 统涠 洲组 地层 ， 其 中 主要含 油 层位 为涠洲组涠 二段 至涠 四段 储层 。在 油 田前 期钻井 中， 涠 二段层理 、 裂缝发育泥岩的井壁坍塌问题是 困扰该地区 钻井 的主要 问题 ， 该 层段 泥 页岩 存在 显著 弱 面 ， 井 斜 角 较大时坍塌压力增加 ， 容易发生坍塌掉块 ， 影响钻井安 全 。经过 1 0余年 的开发 ， 中块涠 四段储 层压力发 生 衰减 ， 压力 系数 由初始的 1 ． 3 0降低至 0 ． 6 5左右 ， 孔 隙压 力 降幅将 近 2 0 M P a ， 出现高 压 、 低 压地层 在 同一 井段 共 存的情况。因此 ， 目前涠洲 1 2 1油 田中块形 成 了涠二 段 高坍塌压力、 涠四段高孑 L 隙压力和衰竭低压储层共存的 复杂压力体系 ， 给钻井工程带来 了严峻挑战 。 1 涠二段泥页岩坍塌压力计算 涠二段地层 主 要为 冲积 、 洪 积形 成 的灰 色 泥 岩 ， 层 理 和微裂缝发育 ， 表 现 出明显 的各 向异性 。其 矿物 成分 以伊利石为主， 但层理之间包含少量蒙脱石， 使地层遇 水后层 间蒙脱石极 易吸水 膨胀 ， 岩石 沿层 理张 开。室 内 实验表 明 ， 涠二 段 泥 页岩 抗 压 强度 具 有 显 著 的 各 向异 性 。在 围压为 1 0 MP a 条件下 ， 当轴 向应力与层理 面法线 之 间夹角为 4 0 。 ～ 6 0 。 时 ， 抗压强 度较垂 直于层 理面 时抗 压 强度 降低 约 6 0％ 。 因此 ， 层理性 泥 页岩地 层强 度 可 以看成 黏聚力 、 内摩擦角 和最大 主应力 与层理 面法 线 夹 角的函数 ， 利用 下式进行描述 些3o r 1 二 L l t a n q 一 √t a n L p1 式 中 当0 。 ≤ ≤ 时 ， 收稿 日期 2 0 1 50 5 2 7 基金项目 中国海洋石油有限公司湛江分公司综合科研项目“ 低孑 L 低渗油气藏岩石力学特征研究” 资助 C C L 2 0 1 2 Z J F N 0 4 1 7 。 作者简介 管申 1 9 8 4一 ， 男 ， 山东济宁人， 工程师， 硕士 ， 主要从事钻井技术管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天煞号与石油 NA T UR AL GAS A ND OI L 2 0 1 5年 1 0月 根据计算结果可见 ， 钻井 方位 角与水 平最 大主应 力 的夹角增大， 坍塌压力降低， 漏失压力升高， 钻井安全密 度窗 口变宽 。孑 L 隙压力衰 减后 ， 坍 塌压力 和漏失 压力 均 降低， 水平最大主应力方 向漏失压力降低幅度更大， 钻井 安全密度窗 口变窄 ， 水平最小主应 力方 向漏失压力与坍塌 压力降低幅度相近， 钻井安全密度窗口基本保持不变。 ’ 目 、 稍 睾 丌 _ 0 1 5 3 O 45 6 0 75 9 0 钻井方位角与水平最大主应力的夹角 图2 压力衰竭储层段水平井坍塌压力、 漏失压力变化情况 3 钻井安全密度窗口与钻井设计 涠洲 1 2 ． 1 油 田某开发井设计 目的层 为涠 四段地 层 ， 设计井深 3 8 0 0 I n ， 参考邻 近探井 的测井 数据 ， 对该 井钻 井安全密度窗 口进行 了计算 ， 结果见 图 3 。测深 l 6 5 0 m 以上为正常层段 ， 漏失压力约为 1 ． 5 0 g ／ c m ， 1 9 5 0～ 2 4 5 0 m 为 易坍 塌 涠二 段 泥页 岩， 坍 塌压 力上 限为 1 ． 3 0～1 ． 3 5 g ／ c m ； 3 5 0 0 m进 入涠四段地层 后孔隙压力 逐渐升高， 孔隙压力最大值约 1 ． 3 2 g ／ c m ， 漏失压力高于 1 ． 7 4 g／ c m。 ，但 3 7 0 6 m进入涠四段压力衰减储层， 坍塌压 力降低至 1 ． 1 0 g ／ c m ， 漏失压力降低至约 1 ． 5 0 g ／ c m 。 因此 ， 从整体 剖面上看， 预计 1 0 0 0～2 5 0 0 m地层 和 3 5 0 0 m以下地层存在窄钻井安全密度窗 口， 其宽度分别 为 0 ． 1 5 g ／ c m 1 ． 3 5～ 1 ． 5 0 g ／ c m 和 0 ． 1 8 g ／ c m 1 ． 3 2～ 1 ． 5 0 g／ c m 。 ． 、 ’ 吕 bD 梅 皿 删 { 丌 ． 图 3涠洲 1 2 - 1油 田某开发井钻井安全密度 窗口 在复杂压力体 系地 区钻井 ， 目前 主要对 策包括 优化 井身结构避 免高低 压位 于同一 开次 、 采用控 压钻井技 术精确控制井下钻井液 当量密度 、 选用特殊钻井液 体系拓宽钻井安全密度窗 口以及使用 特殊井 下工具 等措 施 。针对 涠洲 1 2 1油 田部 分 开发井 钻井 中高 坍塌 压力 层 、 高孔 隙压 力层 、 压力 衰减 层 、 低漏 失压 力层 共存 ， 造 成 压力体 系复杂 、 钻 井安 全密 度 窗 口较窄 的 问题 ， 在 钻 井设计中从井身结构和钻井液两方面进行特殊设计， 降 低钻井风 险。主要安全钻井设计措施为 1 对涠二段泥 页岩 单独开次 钻进 ， 避 免易坍塌 泥页 岩裸露 时间过长 和采 用高 密度 钻井 液 钻井 时压 漏上 部 地层。同时使用强封堵、 高抑制性钻井液， 钻井液密度 略高于坍塌压力防止井壁垮塌。 2 井眼轨迹设计中涠二段泥页岩段尽量使用低井 斜角钻井 ， 防止井斜角过大时井壁沿层理面剥落失稳。 3 对涠四段高压、 低压共存井段， 使用高压差屏蔽 钻 井液体 系和尽 量低 的钻井 液密度 ， 合 理控 制起下 钻速 度 ， 缓慢 开泵 ， 降低激动压力 防止压漏地层 。 以涠洲 1 2 1 油田某开发井为例， 涠二段易坍塌泥岩 设计 井 斜 角 3 1 。 ， 设 计 3 3 9 ． 7 m m 套 管 下 至 1 7 0 0 m， 2 4 4 ． 5 m m 套管下至 2 8 0 0 m， 1 7 7 ． 8 m m尾管下至完钻井 深， 1 9 5 0～ 2 8 0 0 m钻井中设计使用密度为 1 ． 3 5～1 ． 4 0 g ／ c m 的油基钻井液， 3 5 0 0 m以下地层设计使用密度为 1 ． 3 2～ 1 ． 3 5 g ／ c m 的水基聚合物钻井液 ， 并要求钻井液 A P [ 失水低 于 5 m L 。 针对涠 四段异常低压储 层 ， 钻前 设计 中进行 了岩心 承压能 力 室 内实 验 ， 模 拟 井 下 温 度 ] 2 5 o c、 钻 井 压 差 2 5 MP a ， 时间 2 4 h 后 钻井液侵 入深度 小于 5 c m， 满 足封 堵要求 。 该井实 际钻井 中通 过随钻压 力测量 发现 ， 涠 四段 储 层孑 L 隙压力 已下降至 0 ． 4 3～ 0 ． 7 1 g ／ c m ， 部分储层低于 钻前预测的数值。但在钻前充分进行安全钻井设计的 前提下 ， 使用密度为 1 ． 2 6～ 1 ． 4 1 g ／ c m 的水基强封 堵钻 井液顺利完钻 ， 有 效 防止 了涠 二段 层理 性 泥岩 坍塌 、 涠 四段异 常低 压地层 漏 失和邻 近异 常高 压层 位可 能 出现 的溢流井 涌问题 。 4 结论 1 涠洲 1 2 ． 1油 田涠二 段 上部 泥 页岩 层理 、 裂 缝发 育， 力学上具有各向异性， 井斜角较大时极易剥落垮塌 ， 属于异常高坍塌压力地层。 2 受油气开采的影响 ， 涠洲 1 2 1 油田中块涠四段地 层存在异常高压和异常低孔隙压力共存的情况 ， 异常低 孔隙压力导致坍塌压力 、 漏失压力均降低。 3 针对复杂压力体系， 通过特殊钻井液设计和井眼 轨迹 与井 身结构优 化进行安 全钻井设 计 ， 主要设计 目标 是减少涠二段泥页岩裸露时间、 降低钻井液沿层理 的渗 流 ， 使用强封 堵钻 井液 钻进 涠 四段 低压 储 层 ， 降低 钻井 4 2 2 8 6 4 2 l 2，‘；l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中的坍塌、 漏失风险， 实际钻井中获得了良好效果。 参考文献 [ 1 ]苏勤， 侯绪田． 窄安全密度窗口条件下钻井设计技术探 讨[ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 1 1 ， 3 9 3 6 2 6 5 ． S u Q i n ， H o u X u t i a n ． R e s e a r c h o n D ri l l i n g D e s i g n T e c h n i q u e s f o r N a o w Mu d We i g h t Wi n d o w [ J ] ．P e t r o l e u m D r i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 1 ， 3 9 3 6 2 6 5 ． [ 2 ]韩文明． 地震技术在复杂岩性油藏勘探与开发 中的综合应 用[ J ] ． 中国海上油气 地质 ， 2 0 0 3 ， 1 7 5 3 3 1 3 3 4 ． Ha n W e n mi n g ．T h e C o mp r e h e n s i v e A p p l i c a t i o n o f S e i s mi c T e c h n i q u e s t o E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t o f C o mp l i c a t e d L i t h o l o g i c O i l R e s e r v o i r [ J ] ． C h i n a O f f s h o r e O i l a n d G a s G e o l o g y ， 2 0 0 3 ，1 7 5 3 3 1 3 3 4 ． [ 3 ]岳前升， 李玉光 ， 何保生， 等． 涠洲 l 2 一 l N油田硬脆性泥页 岩研究科技钻井液技术对策[ J ] ． 中国海上油气， 2 0 0 5 ， 1 7 1 4 4 4 7 ． Y u e Q i a n s h e n g ， L i Y u g u a n g ，H e B a o s h e n g ， e t a 1 ．R e s e a r c h o n t h e Ha r d Br i t t l e S h a l e a nd Dril l i ng Fl ui d Ty p e i n W Z1 2 1 N O i l fi e l d[ J ] ．C h i n a O f f s h o r e O i l a n d G a s ， 2 0 0 5 ， 1 7 1 4 44 7． [ 4 ] 黄凯文， 刘书杰． 涠洲 l 2 1北油田涠二段井壁稳定性技术 [ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 7 ， 2 9 6 7 9 ． H u a n g K a i w e n ， L i u S h u j i e ． T e c h n o l o g y R e s e a r c h o n S i d e w all S t a b i l i t y o f We i z h o u l 2 ． 1 i n We i 2 A r e a o f N o a h O i l fi e l d f J ] ． O i l D ri l l i n 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 7 ，2 9 6 7 9． [ 5 ] 蔚宝华， 邓金根 ， 闫伟． 层理性泥页岩地层井壁坍塌控制 方法研究[ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 1 0 ， 3 8 1 5 6 5 9 ． Yu Ba o h u a ，De n g J i n g e n，Ya n We i ．B o r e h o l e S l o u g h i n g C o n t r o l i n S h a l e F o r m a t i o n s [ J ] ． P e t r o l e u m D ri l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 5 6 5 9 ． [ 6 ]M c l a m o r e R T ， G r a y K E ． A S t r e n g t h C r i t e ri o n fo r a n I s o t r o p i c R o c k B a s e d u p o n E x p e ri m e n t a l O b s e rv a t i o n s [ C] ／ ／ P a p e r 1 7 21 P r e s e n t e d a t t h e 9 6 t h An n u a l AI ME Me e t i n g，1 92 3 F e b r u a r y 1 9 6 7，L o s An g e l e s ， Ca l i f o r n i a ，US A．Ne w Yo r k SPE，1 96 7． [ 7 ]金衍， 陈勉． 井壁稳定力学[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 1 2 ． J i n Y a n，C h e rt Mi a n ．We l l b o r e S t a b i l i t y Me c h a n i c s[ M] ． B e i j i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 1 2 ． [ 8 ]卢运虎， 陈勉， 袁建波， 等． 各向异性地层 中斜井井壁失 稳机理[ J ] ． 石油学报， 2 0 1 3 ， 3 4 3 5 6 35 6 8 ． L u Yu n h u， Ch e n Mi a n， Yu a n J i a n b o ， e t a 1 ． B o r e h o l e I n s t a b i l i t y Me c h a n i s m o f a D e v i a t e d We l l i n A n i s o t rnp i c F o r m a t i o n s f J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n c a ， 2 0 1 3 ， 3 4 3 5 6 3 5 6 8 ． 第 3 3卷第 5期 O l L A N D G A S F I E L D D E V E L O P M E N T 油每田开发5 5 [ 9 ]A d d i s M A ． R e s e rvo i r D e p l e t i o n a n d I t s E f f e c t o n We l l b o r e S t a b i l i t y E v a l u a t i o n[ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f R o c k Me ． c h a n i c s a n d Mi n i n g S c i e n c e ，1 9 9 7 ， 3 4 1 3 4 ． [ 1 0 ]谭强， 何辉 ， 陈永浩， 等． 压力衰竭储层 中定向井井壁 稳定性分 析 [ J ] ． 石 油天 然气 学报， 2 0 1 0 ， 3 2 2 3 1 6 31 8． T a n Q i a n g ， H e Hu i ， C h e n Y o n g h a o ， e t a 1 ． We l l b o r e S t a b i l i t y An a l y s i s o f Di r e c t i o n a l W e l l s i n P r e s s u r e De p l e t e d Re s e r v o i r s [ J ] ． J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 3 2 2 3 1 6 31 8． [ 1 1 ]闫传梁 ， 邓金根 ， 蔚 宝华 ， 等． 压力衰竭储层 井壁稳定性 变 化规律研究[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 3 ， 3 5 3 5 8 ． Ya n C h u a n l i a n g ， De n g J i n g e n， Yu B a o h u a ， e t a1． Re s e a r c h o n We l l b o r e S t a b i l i t y o f P r e s s u r e D e p l e t e d R e s e rvo i r s[ J ] ．O i l D ri l l i n 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 1 3 ， 3 5 3 58 ． 『 1 2 1 Mo r i t a N， F u h G ． P a r a me t ri c A n a l y s i s o f S t r e s s R e d u c t i o n i n t h e C a p r o c k a b o v e C o mp a c t i n g R e s e r v o i r s[ J ] ．S P E D r i l l i n g C o m p l e t i o n ， 2 0 0 9， 2 4 4 6 5 9 6 7 0 ． [ 1 3 ]史明义， 金衍． 油田开发中后期调整井储层井壁稳定性 研究[ J ] ． 石油天然气学报， 2 0 0 8 ， 3 0 3 3 5 3 3 5 5 ． S h i Mi n g y i ， J i n Y a n ． S t u d y o n We l l b o r e S t a b i l i t y o f A d j u s t me n t W e l l a t t h e Mi d d l e a n d L a t e S t a g e s o f O i l f i e l d De v e l o p m e n t [ J ] ．J o u rna l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o gy， 2 0 0 8 ，3 0 3 3 5 33 5 5 ． [ 1 4 ]H o l t R M， F l o rne s 0， L i L ， e t a 1 ． C o n s e q u e n c e s o f D e p l e t i o n i n d u c e d S t r e s s C h a n g e s o i 1 Re s e rvo i r C o mp a c t i o n a n d R e c o v e r y [ C ] ／ ／ P a p e r 0 45 8 9 P r e s e n t e d a t t h e 6 t h N o a h A me ri c a R o c k Me c h a n i c s S y m p o s i u m N A R MS R o c k Me - c h a n i c s a c r o s s B o r d e r a n d Di s c i p l i n e s ， 5 9 J u n e 2 0 0 4， Ho u s t o n， T e x a s ， U S A． Ne w Y o r k ARMR， 2 0 04 ． [ 1 5] J i a G， Z h a n g L， D u a n Y． D ri l l i n g i n H i g h d e n s i t y a n d T h j n - p r e s s u r e w i n d o w s C o m p l e x F o r m a t i o n[C] ／ ／ P a p e r 1 0 4 41 1 P r e s e n t e d a t t h e 2 0 0 6 I n t e rna t i o n a l Oi l ＆ Ga s C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n ， 5 7 D e c e m b e r 2 0 0 6， B e i j i n g ， C h i n a ． Ne w Yo r k S P E， 2 0 0 6 ． [ 1 6 ]O a k l e y D， C o n n L ． D ri l l i n g F l u i d D e s i g n E n l a r g e s t h e H y ． d r a u l i c Op e r a t i n g Wi n d o ws o f Ma n a g e d P r e s s u r e D ril l i n g O p e r a t i o n s [ C ] ／ ／ P a p e r 1 3 9 6 2 3 P r e s e n t e d a t t h e S P E／ I A D C D ril l i n g C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n。 13 Ma r c h 2 0 1 1 ， Am s t e r d a m ， Ne t h e r l a n d ． N e w Yo r k S P E， 2 0 1 1 ． [ 1 7 ]姜智博， 周英操， 王倩， 等． 实现窄密度窗口安全钻井的 控压钻 井系统 工程 [ J ] ． 天然气工业， 2 0 1 1 ， 3 1 8 7 6 7 9． J i a n g Z h i b o ， Z h o u Y i n g c a o ， Wa n g Q i a n ， e t a 1 ． Ma n a g e d P r e s s u r e Dr i l l i n g S y s t e m Us e d i n Na r r o w D e n s i t y Wi n d o w D ri l l i n g S c e n a r i o s [ J ] ． N a t u r a l G a s I n d u s t r y ， 2 0 1 1 ， 3 1 8 7 6 7 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m