地震层速度法预测南海北部深水钻井安全钻井液密度窗口.pdf

第 37 卷 第 4 期 2015 年 7 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING mud density window; low temperature; drilling problems; seismic interval velocity 基金项目国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究” （编号2011ZX05026-001-04-06） 资助。 作者简介陈江华， 1982年生， 主要从事钻井工艺研究和海洋钻井项目管理工作。 E-mailchenjianghua； 。 通讯作者李忠慧， 1977 年生。主要从事石油工程岩石力学与钻井完井的研究与教学工作， 博士， 副教授。E-maillizhonghui2550。 全球海洋油气资源丰富， 但尚处于勘探早期阶 段， 许多钻井难点有待于研究。中国南海深水区石 油地质储量丰富， 其中南海北部琼东南盆地、 珠江口 盆地、 台西南盆地和南海南部南沙海域 13 个新生代 43陈江华等地震层速度法预测南海北部深水钻井安全钻井液密度窗口 沉积盆地均部分或全部位于深水区［1］（何家雄等， 2006） 。深水作业施工风险高、 技术要求高［2］（R. O. Snell， 2001） 。目前， 南海北部琼东南盆地深水钻井 过程中面临的主要问题有浅层地质灾害［3］（刘正礼 等， 2015） ， 如不稳定海床， 天然气水合物， 深水低温， 窄钻井液密度窗口等［4］（王友华等， 2011） 。海床不 稳是地层破裂压力低的原因之一， 低温会影响钻井 液的携砂能力和悬浮性能， 同时也容易引起钻井液 稠化， 使其流变性变差， 循环阻力变大， 不利于深水 环境下窄密度窗口安全钻井［5］（J. C. Flores， 2009） ， 因此， 准确确定安全钻井液密度窗口是深水钻井成 功的关键。 1 钻井安全密度窗口预测的难点及对策 南海北部琼东南盆地深水油气田水深在 1 300 1 550 m 之间， 上覆岩层重量被海水所替代的范围较 大， 与陆地或浅水地层相比上覆岩层压力偏低， 从而 导致地层破裂压力较低， 地层破裂压力和孔隙压力 之间的差别很小；同时， 隔水管环空压耗会产生附 加密度， 可使钻井液密度窗口进一步变窄［6］（陈国 明等， 2007） ， 容易发生井漏、 井喷等复杂情况。如 L3 井在 3 138.6 m 黄流组钻井液密度为 1.30 g/cm3即发 生井漏， 陵水组下部多处发生测井工具卡钻， Y1 井 从 2 604 m 往下发生多处漏失， 现场漏失实验统计漏 失压力当量密度 1.25 g/cm3左右， C1 井三亚组既发 生漏失， 又发生卡钻， 陵水组以漏失为主， 该井现场 地漏实验统计漏失压力当量密度 1.191.20 g/cm3。 窄钻井液密度窗口导致的井漏给实际施工带来了很 大的难度和风险。为保证安全， 必须准确计算待钻 井坍塌压力和破裂压力， 从而确定合适的钻井液密 度， 保证井底压力在安全钻井液密度窗口内。 2 坍塌压力破裂压力计算模型的确定 国内外学者针对深水钻井井壁稳定性分析进行 了大量研究［7-8］（ D. Power， 2003；L. S. Rocha， 2004 ） ， 总体看来， 针对深水环境下的井壁稳定分析的原理 及方法基本相同， 即首先确定井周应力状态和地层 变形破坏规律， 再结合强度破坏准则判断井壁是否 稳定［7-9］。但深水地层与陆地或浅水地层最大的区 别有 2 点一是海底低温容易引起钻井液稠化， 使 其流变性变差， 循环阻力变大， 不利于深水环境下窄 密度窗口安全钻井；二是上覆岩层相当一部分被海 水所替代， 与陆地或浅水地层相比上覆岩层压力偏 低， 从而导致地层破裂压力较低。尤其是上覆岩层 压力， 是进行孔隙压力分析、 破裂压力计算必须的基 础参数， 泥面以下 H3处上覆岩层压力可由式（1） 通 过地层密度积分确定 σρρ V H H H H g hg h ∫∫ w dd 1 2 2 3 （1） 式中， ρw为海水密度， kg/m3；ρ 为地层密度 kg/m3； g 为重力加速度；H1为转盘面到海平面的高度， m； H2为海平面到海底泥面的深度， m。 2.1 地层坍塌压力计算模型 地层坍塌压力当量密度是安全钻井液密度窗口 的下限， 从力学的角度来说， 造成井壁坍塌的原因主 要是井内液柱压力太低， 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。将地层看 成是多孔弹性体， 结合库仑摩尔强度准则确定坍 塌压力计算模型， 如式（2） 所示 ρ ησσ η m CKapK KH −−− 321 100 12 2 2 hhp （2） 式中， σh1、 σh2为水平最大、 最小主应力， MPa；C 为黏 聚力， MPa；K 为内摩擦角相关的参数， 无量纲；pp 为地层孔隙压力MPa；η为非线性修正系数， 无量纲。 2.2 地层破裂压力计算模型 破裂压力是井眼裸露地层在井内钻井液柱压力 作用下使其起裂或原有裂缝重新开启的压力， 它是 由井内钻井液密度过大使井壁岩石所受的周向应力 超过岩石的抗拉强度造成的。假设井眼处于平面应 变状态， 根据岩石力学理论， 可求得非均匀地应力作 用下井壁产生拉伸破裂时的井内钻井液柱压力即破 裂压力的计算模型， 如式（3） 所示 pppS fvppt − −       − 2 1 ωσαα （3） 式中， μ 为泊松比， 无量纲；ω 为构造应力系数， 无量 纲；σv为上覆岩层压力， MPa；α 为有效应力贡献系 数， 无量纲；St为地层抗拉强度， MPa。 L 区块海底泥线附近岩性主要为流塑 - 软塑性 褐色淤泥， 含极少量细砂， 密度仅为 1.15 g/cm3。这 主要是由于深水浅部地层沉积时间短， 强度低， 从而 导致地层呈现塑性状态， 因此， 为安全起见， 在确定 钻井液密度窗口时应将漏失压力作为破裂压力的 下限， 同时考虑断层、 不整合面等情况。本论文采用 Breckels 和 Van Eekelen（1982 年） ［10］提出的漏失压 力确定方法， 即地层漏失由井壁破裂引起， 漏失压力 等于最小水平主地应力， 最小水平地应力的大小可 通过建立地应力计算模型获得。 石油钻采工艺 2015 年 7 月（第 37 卷） 第 4 期44 3 L4 井安全钻井液密度窗口预测 L4 井位于南海北部琼东南盆地深水区 L 凹陷， 设计井深 3 530 m， 黄流组 I 气组为主要目的层， 地 层岩性为灰色细砂岩与灰色泥岩不等厚互层。水深 为 1 465.4 m。为保证该井安全钻进， 进行了钻前井 壁稳定分析。 对该海域钻井复杂情况进行分析表明， 压力窗口窄导致的井漏、 卡钻是钻井主要难点。根 据前述井壁稳定计算模型， 应用地震层速度资料对 L4 井的地层孔隙压力、 坍塌压力、 漏失压力、 破裂压 力进行了计算分析， 计算结果如图 1。 图 1 L4 井钻井液密度窗口 地层孔隙压力在 3 295 m 以上为正常静水压 力系统， 3 295 m 以下有增大趋势， 黄流组储层段当 量密度达到 1.24 g/cm3；坍塌压力随井深的增加而 增大， 但总体都小于地层孔隙压力， 因此将地层孔 隙压力当量密度作为安全钻井液密度窗口的下限， 破裂压力在海底泥面处最小， 当量密度仅为 1.02 g/ cm3， 地层孔隙压力与地层破裂压力下限的范围仅 为 0.0210.092 g/cm3， 最大也只有 0.290 g/cm3， 为 典型窄钻井液密度窗口， 这主要是因为孔隙压力未 受水深影响， 而地层破裂压力（漏失压力） 较浅水底 层或陆地偏低。根据 L4 井三压力计算结果， 考虑 ECD、 激动压力等的影响， 不同井段钻井液密度为 14651 577 m， 1.01 g/cm3； 1 5772 300 m， 1.12 g/cm3； 2 3003 295 m， 1.131.16 g/cm3；3 2953 530 m， 1.171.21 g/cm3。 L4 井于 2014 年 4 月 4 日开钻， 建井 39.69 d， 实钻 过程中未发生井壁失稳问题， 在钻进井深 2 367.63 m、 3142.83 m， 分别进行了地漏实验， 破裂压力实测值 与对应井深的预测值误差分析如表 1。从表 1 可以 看出， 计算结果与实钻情况吻合， 满足实际需要。表 明应用地震层速度资料计算安全钻井液密度窗口是 可行的， 对该海域后续钻井具有重要指导意义。 4 结论 （1） 压力窗口窄是由于上覆岩层相当一部分被海 水所替代， 与陆地或浅水地层相比上覆岩层压力偏 低， 从而导致地层破裂压力较低， 而地层孔隙压力未 受水深影响。 （2） 深水钻井需确定地层破裂压力外， 地层漏失 压力的确定也非常重要， 以地层漏失压力作为破裂 压力的下限（安全钻井液密度窗口上限） 是合理的。 （3） 考虑深水钻井环境特征与陆上和浅部地层的 差异， 建立了上覆岩层压力、 坍塌压力、 破裂压力计 算模型， 应用地震层速度资料确定了 L4 井安全钻井 液密度窗口， 并推荐了不同层段钻井液密度范围， 实 践证明能够保证现场施工， 说明应用地震层速度资 料确定安全钻井液密度窗口是可行的。 参考文献 ［1］ 何家雄， 夏斌， 施小斌， 等 . 世界深水油气勘探进展与南 海深水油气勘探前景［J］ . 天然气地球科学， 2006， 17 （6） 747-752. ［2］ SNELL R O， COOK H.Deepwater technology and deepwater developments［R］. Stavanger， NorwayThe International Society of Offshore and Polar Engineers, 2001. ［3］ 刘正礼， 胡伟杰 . 南海深水钻完井技术挑战及对策 ［J］ . 石油钻采工艺， 2015， 3718-12. ［4］ 王友华， 王文海， 蒋兴迅 . 南海深水钻井作业面临的挑 战和对策［J］. 石油钻探技术， 2011， 39 （2） 50-54. ［5］ LEARY JIM, FLORES J C, RUBINSTEIN P, et al.Cementing deepwater, low-temperature gulf of Mexico ations prone to shallow fl ows［R］. IADC/SPE 87161, 2004. ［6］ 陈国明， 殷志明， 许亮斌， 等 . 深水双梯度钻井技术研究 进展［J］. 石油勘探与开发， 2007， 34 （2） 246-250. ［7］ POWER D, IVAN C D, BROOKS S W. The top 10 lost circulation concerns in deepwater drilling［R］. SPE 81133, 2003. ［8］ ROCHA L A S, FALCO J L, GONALVES C J C, et al. Fracture pressure gradient in deepwater［R］. IADC/SPE 88011, 2004. ［9］ 蔚宝华， 闫传梁， 邓金根， 等 . 深水钻井井壁稳定性评估 技术及其应用［J］. 石油钻采工艺， 2011， 33 （6） 1-4. ［10］ BRECKELS I M， VAN EEKELEN， Relationship between horizontal stress and depth in sedimentary basins ［R］.SPE 10336,1982. （收稿日期 2015-06-21） 〔编辑 付丽霞〕 表 1 地层破裂压力预测误差 井深 /m 地层破裂压力当量密度 /g cm-3 实测值预测值相对误差 / 2 367.631.281.312.34 3 142.001.401.421.43