夏宏泉, 王成龙

(1.西南石油大学,油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610500;2.中海油湛江分公司研究院, 广东 湛江 524057)

0 引 言

井壁稳定性的研究可归纳为4个方面:①井壁稳定的力学分析研究[1];②泥页岩稳定的力学与化学耦合研究[2];③泥页岩稳定的流固耦合研究[3];④热-水-力-化耦合分析[4-6]。这些研究都会归结为力学问题。塔里木盆地SK气田受古构造运动的影响,尤其是受喜山运动和燕山运动的影响较大,地层高陡,地应力较强,地层岩性复杂[7-8]。另外,其探井超深高温、异常高压,存在3套压力体系[9]。SK气田钻井过程中井壁稳定性较差,井壁垮塌严重,降低了钻井速度与质量,增加了钻井成本,影响勘探和开发的综合效益。本文基于偶极声波、密度测井等测井资料和室内岩心实验及现场实测数据,从岩石力学角度出发,考虑地层强度、裂缝发育情况和水平主应力比对井壁稳定性的影响,引入抗剪强度、渗透率增大系数和水平主应力比建立古近系地层钻井井壁稳定性判别图版,旨在快速准确地识别井壁稳定与否,为优质高效钻井提供决策依据。

1 高陡构造地应力的计算方法

SK气田地层倾角在2°～42°之间,平均18°左右,属于高陡构造。研究表明,地应力受地层产状、孔隙压力等因素的影响明显[10-12],随着地层倾角的增加,地层倾斜对地应力的影响增加。常用的地应力计算模型均未考虑地层倾角及倾向对地应力的影响。楼一珊[13]、郑琦怡[14]、胥永杰[15]、夏宏泉[16]等对高陡构造地层的地应力计算方法进行了具体研究。楼一珊认为,由于地层倾角的存在,减少了上覆岩层压力对地层的压实程度,同时加剧了岩层各向同性体向各向异性体转换。大多数地层都为各向异性体,当地层倾角较大时,各个方向上的岩石力学性质差异显得更加明显。对于倾角较大的地层,在计算地应力时应考虑地层倾斜对地应力影响[10]。楼一珊在黄氏模型的基础上建立了考虑地层倾角影响的地应力计算模型

(1)

式中,μ为泊松比,无量纲;K为地层倾角系数,无量纲,A、B为构造应力系数,无量纲;γ为井斜角,(°);φ为地层倾角,(°);Kφ为地层倾角影响系数;αr为地层相对倾角,(°);p0为上覆岩层压力,MPa;pp为地层孔隙压力,MPa;α为有效应力系数,无量纲;Smax、Smin为最大、最小水平主应力,MPa。

郑琦怡针对山前构造、地层倾角较高的地质情况提出了考虑地层倾角和构造剧烈程度的地应力计算模型

(2)

式中,E为弹性模量,×104MPa。

SK气田水平方向的2个地应力差异较大,根据多孔介质有效应力理论认为构造运动和各向异性只影响骨架应力,对孔隙压力无影响,将以上2项因素与Biot系数分别作为有效应力与孔隙压力的权值,再结合地层倾斜的影响计算水平地应力[13,17],参考黄氏模型和不同层理产状下横向各向同性地层地应力计算模型建立了适合高陡构造(任意产状地层)的最小、最大水平地应力的计算模型

(3)

式中,ω为地层倾向,(°);ω0为水平最大主应力方位,(°)。

从图1看出,随着水平最大主应力方向与地层倾向的夹角(β角)的增加,水平最大主应力降低、水平最小主应力增加,可以推出在水平最大主应力方向与地层倾向夹角为0时地层更有可能受挤压形成褶皱;在水平最大主应力与地层倾向方向夹角为90°时地层更容易发生错动。从图2可以看出,当β角较小时,水平最大、最小主应力均随着地层倾角的增加而先增加后减小。从[式(3)]、郑琦怡模型和楼一珊模型计算的地应力结果与实测数据比较可知,高陡构造模型计算结果与实测值相差较小,其他模型的计算结果与实测值相差较大(如图3)。研究发现,KS气田古近系地应力类型为走滑地应力类型(即Smax>Sv>Smin),且Smax、Smin梯度均值分别为3.1、2.1 MPa/100 m。

图1 水平最大地应力、最小地应力随β角的变化

图2 水平最大地应力、最小地应力随地层倾角的变化

图3 3种模型计算的最小水平主应力、最大水平主应力与实测值的对比

2 井壁稳定性判别图版的建立

井壁稳定受钻井液、井壁或泥饼的渗透性、岩石强度、水平地应力比值(Smax/Smin)等因素的影响。不同钻井液在井壁上所形成的泥饼的性能有着较大差异,钻井液滤液在井壁上的渗透能力不同,使得钻井液液柱压力的扩散程度不一样。钻井液液柱压力越易扩散,井壁稳定性越差;当井壁不渗透时,井壁稳定性最好;当井壁完全渗透时,井壁稳定性最差,此时地层的坍塌压力接近甚至可能超过地层破裂压力,几乎不可能进行钻井作业,因此,钻井时要求钻井液的造壁性好,形成薄、密、韧的泥饼。岩石强度包括内聚力、内摩擦角、抗压强度、抗剪强度和抗拉强度,地层强度增大,则坍塌压力降低,破裂压力增大,安全泥浆密度窗口扩大,井壁稳定性变好。另外,水平地应力比值(Smax/Smin)对坍塌压力和破裂压力的影响比较显著,随着Smax/Smin增大,坍塌压力增加,破裂压力降低,安全泥浆密度窗口变小,井壁稳定性变差,钻井作业就变得越困难[18-19]。

根据岩石的破坏性和非破坏性实验(比如岩心的单轴抗压强度或三轴抗压强度实验),当岩石受力达到破坏强度的50%以上时开始出现扩容现象;当岩石受力达到其破坏强度的74%以上时,在一些缺陷部位开始形成与主压应力方向近平行的微裂缝;当岩石受力达到其破坏强度的90%以上时,微裂缝扩展延伸,形成宏观剪切裂缝[20]。从图4的裂缝孔隙度与裂缝走向上所受力的关系看出,随着与裂缝走向平行方向上力的增加,裂缝孔隙度是先减小后增大,即地层中的裂缝随着走向上受力的增加,首先是被压密,裂缝孔隙度降低;当应力继续增加时,岩石形成新的裂缝,即裂缝孔隙度随着应力的增加而不断增加,当应力到达到岩石的破裂强度时,地层破坏形成张性缝,发生井漏现象。

图4 古近系地层裂缝视孔隙度与其走向上所受力的关系

从图5可以看出,古近系地层微裂缝发育与不发育段的抗剪强度σs与水平主应力比呈负相关,即随着Smax/Smin的增加,抗剪强度逐渐降低。

图5 古近系地层抗剪强度与Smax/Smin的关系

为了能较好地反映裂缝发育程度,引入地层渗透率增大系数FiK,定义为

FiK=Kc/Kj

(4)

式中,FiK为渗透率增大系数;Kc为岩心分析渗透率,mD;Kj为由孔隙度计算的渗透率(依据实验数据分析建立孔渗关系),mD。

Kj主要反映的是基质渗透性,FiK的大小反映了地层裂缝发育程度,当FiK≈1时, 说明岩石裂缝不发育,渗透能力由储层孔隙喉道决定,主要为基质渗透率;当FiK>1时,说明裂缝发育,值越大反映裂缝越发育。选择能敏感反映地层裂缝的测井曲线是建立FiK计算模型的关键。研究发现,RLLd、RLLs、GR、AC、DEN等测井曲线受裂缝的影响较大。用这些曲线建立了渗透率增大系数的计算公式

(5)

式中,GR为自然伽马,API;AC为纵波时差,μs/ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;DEN为地层密度,g/cm3;RLLd、RLLs为深浅电阻率,Ω·m。

综合考虑地层抗剪强度、裂缝发育情况和水平应力比对井壁稳定性的影响,引入抗剪强度(σs)、渗透率增大系数FiK和水平地应力比(Smax/Smin)等3类参数,建立古近系地层井壁稳定性判别图版。统计分析多口井的Smax/Smin和σs/FiK变化情况,考虑钻井过程中扩径和泥浆漏失情况,认为扩径率大于15%则井壁垮塌严重,得到如图6所示的SK气田古近系地层井壁稳定性判别图版,并建立了如表1所示的判别标准。

表1 古近系地层井壁稳定性判别标准

Smax/Smin(σs/FiK)/MPa非裂缝段井壁稳定与否<1 41>23地层不易发生垮塌、缩径或漏失，稳定<1 42<23虽然发生扩径或缩径，但不严重，较稳定>1 42>23地层受剪切作用较强，垮塌掉块>1 42<23易漏失，垮塌掉块不严重

图6 古近系地层裂缝段井壁稳定性判别图版

3 应用实例与效果分析

基于上述模型,利用测井资料准确计算岩石力学参数、孔隙压力和地应力即可判断井壁稳定性。

××5井古近系地层为膏泥岩、泥岩和泥质粉砂岩(见图7第5道),地应力差异较大,部分层段发育裂缝(图7第4道),在钻井液的作用下,地层易发生井壁垮塌和缩径。在5 135 m地破实验,钻井液折算当量密度为2.48 g/cm3,地层破裂,漏失钻井液37.7 m3,且该深度处裂缝发育,Smax/Smin=1.53,σs/FiK=25 MPa,预测易发生漏失和井壁垮塌,与实际情况符合;5 140～5 200 m段属于非裂缝发育段,为膏岩和泥岩,Smax/Smin>1.42,σs/FiK>20 MPa,从图7第1道井眼指示看出,该段垮塌较严重;6 320.5～6 336.25 m段为膏岩、泥岩和粉砂岩,地层裂缝较发育,Smax/Smin≈1.54,σs/FiK≈20 MPa。根据判别图版和标准预测发生渗透性漏失,实际漏失钻井液77.3 m3,预测结果与其相符。

图7 ××5井古近系地层部分井段的井壁稳定性分析综合成果图

4 结 论

(1) SK气田古近系地层高陡,泥质粉砂岩地层微裂缝发育,膏岩和泥岩段井壁稳定性较差,钻井过程中井壁垮塌和漏失频发。

(2) 该套地层倾角变化较大,地层倾斜对地应力的计算影响较大。利用测井资料并综合考虑地层倾角、倾向和水平最大主应力方向对地应力的影响,建立适合于工区的地应力计算模型。研究发现,随着水平最大主应力方向与地层倾向的夹角(β角)的增加,水平最大主应力降低,水平最小主应力增加,且水平最大、最小主应力均随着地层倾角的增加而先增加后减小。

(3) 随着Smax/Smin的增加,井壁稳定性变差;随着岩石强度的增大,井壁稳定性增加,而裂缝作为地层流体的渗流通道,对井眼稳定性影响较大。引入地层抗剪强度、Smax/Smin和渗透率增大系数,建立古近系地层(裂缝段与非裂缝段)的井壁稳定性判别图版和标准,由此标准能快速准确地判断井壁失稳的类型和位置,尤其是垮塌和漏失层段。

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