編譯:宋占勝 (大慶油田第五采油廠工程技術(shù)大隊(duì))

審校:何繼鋒 (大慶油田第五采油廠工程技術(shù)大隊(duì))

確保大位移井穩(wěn)定性的分析、實(shí)踐及控制措施

編譯:宋占勝 (大慶油田第五采油廠工程技術(shù)大隊(duì))

審校:何繼鋒 (大慶油田第五采油廠工程技術(shù)大隊(duì))

大位移鉆井 (ERD)的鉆進(jìn)長(zhǎng)度變得更具有挑戰(zhàn)性時(shí),井壁穩(wěn)定性保障技術(shù) (無論是在前期準(zhǔn)備階段還是實(shí)施階段)也以同步的速度在向前發(fā)展。在與地層成高角度鉆進(jìn)過程中井眼周圍巖石崩落的理論認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)能力上的新進(jìn)展,解決了在復(fù)雜地質(zhì)條件下遇到的問題。鉆進(jìn)過程中把新的理論認(rèn)識(shí)結(jié)合到了實(shí)時(shí)診斷和監(jiān)測(cè)措施之中,為在復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆進(jìn)大位移裸眼井的穩(wěn)定性提供了技術(shù)保障。

大位移井 井壁穩(wěn)定性 預(yù)測(cè)能力

1 簡(jiǎn)介

大約10年前,由于在大位移井8.5 in(1 in=25.4 mm)井段連續(xù)發(fā)生嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題,阿拉斯加 North Slope的Niakuk油田大位移鉆井技術(shù)被擱置。通過對(duì)這些問題的調(diào)查研究,突出了井眼穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、鉆井液優(yōu)化、液壓傳遞、巖屑攜帶、操作實(shí)踐和隨鉆壓力測(cè)量工具使用等因素共同作用的重要性。大位移井的垂直深度和水平進(jìn)尺已經(jīng)有了穩(wěn)步的進(jìn)展。目前正在考慮用水平分支超過4 000 ft(1 ft=30.48 cm)、垂深小于1000 ft的大位移井從現(xiàn)有的油藏延伸到外圍零星油氣藏,或者應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)問題比較敏感的北極地區(qū)從陸上開發(fā)區(qū)塊開發(fā)海上油田。目前對(duì)與地層成高角度鉆進(jìn)過程中井眼穩(wěn)定性問題有了新的認(rèn)積和預(yù)測(cè)能力。

2 大位移井的井壁不穩(wěn)定問題

與常規(guī)高角度井鉆進(jìn)過程相比,在鉆大位移井時(shí)需要考慮的因素更多,更難以掌握,并且還要采取額外的保障措施。隨著大位移井井眼軌跡的延伸,海底深度和地面高程有可能發(fā)生明顯變化。在這些實(shí)例中對(duì)孔隙壓力、破裂壓力梯度和地層應(yīng)力僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)定是不夠的。為了準(zhǔn)確地估測(cè)出孔隙壓力和破裂壓力梯度,必須考慮水深變化量。當(dāng)大位移井要通過海底陡坡鉆遇海底油氣藏時(shí),在鉆井設(shè)計(jì)過程中要考慮的一個(gè)重要方面是大位移井長(zhǎng)的切線段存在低的破裂壓力梯度。

海底陡坡自由面的存在,將會(huì)使近表面的破裂壓力梯度值降低到比盆地油氣藏期望的破裂壓力梯度值還要低。如果在鉆井設(shè)計(jì)階段沒有考慮到該效應(yīng),那么將引起頂部井眼段的循環(huán)濾失。在該問題的重要性方面,應(yīng)力狀態(tài)的2 D或3 D有限元的預(yù)測(cè)可以證明。

大位移鉆井的鉆進(jìn)通道穿越斷層是比較常見的現(xiàn)象。在大位移鉆井設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮到斷層區(qū)域存在濾失和不穩(wěn)定性的問題。從鉆井遠(yuǎn)景來看,由于斷面將沿著井眼軌跡方向暴露很長(zhǎng)的一段距離,所以鉆進(jìn)過程中,穿越不明角度的主斷層將會(huì)面臨很高的濾失和不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

為了在穿越隔層后依然能保持預(yù)定的井眼尺寸,在大位移鉆井過程中,井眼段穿越上覆巖層的長(zhǎng)度將要大于鉆同等深度的直井穿越上覆巖層的長(zhǎng)度。與常規(guī)井相比,大位移鉆井過程中裸井眼暴露在鉆井過程、鉆井液中的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。這一情況的結(jié)果是增加了許多時(shí)變性效應(yīng)的敏感性。當(dāng)連接鉆桿或鉆桿接觸井壁時(shí),將會(huì)使更長(zhǎng)的井眼段地層暴露在多個(gè)壓力波動(dòng)之下。

人們認(rèn)識(shí)到裸露的地層和水基鉆井液之間潛在的化學(xué)/機(jī)械作用。然而,對(duì)于大位移井鉆進(jìn)過程來說,在沒有達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡之前,設(shè)計(jì)使用合成的油基鉆井液依然會(huì)發(fā)生不利的滲透現(xiàn)象。水相間存在的潛在的電勢(shì)會(huì)產(chǎn)生滲透流,不同相之間的接觸不需要存在電勢(shì)就會(huì)產(chǎn)生滲透流。

時(shí)變性效應(yīng)的增強(qiáng)將會(huì)發(fā)生如圖1所示的井壁不穩(wěn)定問題。在北海一個(gè)大位移井深度方向上進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試,在鉆井過程中和鉆后不同時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行了方位密度成像測(cè)試。高密度值部位用深棕色標(biāo)識(shí);測(cè)試成像顯示裸眼井破裂部分密度值較低,用淺黃色標(biāo)識(shí);裸眼井嚴(yán)重?cái)U(kuò)張段用白色標(biāo)識(shí)。圖1所示的裸眼井的狀態(tài)用隨鉆測(cè)井工具測(cè)試時(shí)還是良好的。在第一次開鉆的幾個(gè)小時(shí)后進(jìn)行了第二次隨鉆測(cè)井。在第一次開鉆后8 h的測(cè)井成像上可以看出微小的破裂。隨著鉆進(jìn)的繼續(xù),井眼的狀況開始隨著時(shí)間的增加而變壞。鉆桿的機(jī)械問題也延后了這個(gè)井眼段的完鉆時(shí)間。在擴(kuò)眼的5天和9天期間,分別進(jìn)行了隨鉆測(cè)井測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在第一次開鉆后,被測(cè)試段井眼的狀況不斷地變壞。這一段在倒劃眼之后被放棄,最后這口井進(jìn)行了側(cè)鉆。

圖1 北海大位移鉆井方位密度測(cè)井成像顯示的時(shí)延非穩(wěn)定性

3 井壁穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

進(jìn)行高角度鉆井時(shí),額外引起失敗的機(jī)理占據(jù)著主導(dǎo)的作用。在非均質(zhì)性巖石中接連不斷地發(fā)生不穩(wěn)定性問題。傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定性的方法都假設(shè)巖石為均質(zhì)性的 (例如,對(duì)巖樣施加一個(gè)特定方向的載荷,斷裂層理面的方向和斷裂極限強(qiáng)度與巖石層理面的方向是無關(guān)的)。然而,當(dāng)非均質(zhì)性的巖石發(fā)生破裂時(shí),破裂層理的方向是由巖石層理的方向所決定的,并且極限強(qiáng)度明顯降低。目前,已經(jīng)建立了許多正交非均質(zhì)性強(qiáng)度數(shù)值模型來重現(xiàn)此種效應(yīng)。

對(duì)于阿拉斯加Niakuk油田的易剝裂頁(yè)巖層,在最不理想的與層理所成角 (θ=60°)時(shí)的強(qiáng)度只是垂直層理方向強(qiáng)度的10%～40%。甚至在與層理平行的測(cè)試,強(qiáng)度也會(huì)降到垂直層理方向強(qiáng)度的40%～90%。

巖石的非均質(zhì)性、應(yīng)力集中的強(qiáng)度可能導(dǎo)致破裂在井壁上預(yù)料不到的地方發(fā)生。如果在垂直于層理方向上的強(qiáng)度足夠大,井眼側(cè)壁地層的破裂將會(huì)受到抑制 (圖2)。如果地層應(yīng)力非常小,在井眼上側(cè)將會(huì)發(fā)生破裂 (由于重力的作用,在4點(diǎn)和8點(diǎn)鐘位置破裂的物體可以保持不變形)形成一個(gè)方形破裂的形狀。在井眼2、4、8和10點(diǎn)鐘位置的巖石解離會(huì)引起巖石脫層,導(dǎo)致如圖2所示的頂層崩落失敗。由于頂層崩落取決于地層的強(qiáng)度和硬度,如果薄層非常薄,那么褶皺不穩(wěn)定性導(dǎo)致的頂層崩落會(huì)更加嚴(yán)重。

圖2 井眼平行于層理的厚壁圓柱體形Jurassic Draupne頁(yè)巖測(cè)試時(shí)平行層理方向的井壁巖石崩落機(jī)理的電子顯微鏡掃描圖片

3.1 頁(yè)巖崩落的正交各向異性強(qiáng)度和單層脆弱面模型

PierreⅠ頁(yè)巖強(qiáng)度的變化幅度與其他頁(yè)巖不同。在以一個(gè)相對(duì)較小的層理角度對(duì)比PierreⅠ頁(yè)巖與其他頁(yè)巖時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)直到層理角接近45°時(shí)PierreⅠ頁(yè)巖幾乎一直保持恒定的強(qiáng)度,此時(shí)的強(qiáng)度(45°角)只有正交或水平方向的60%左右。

層理強(qiáng)度變化不是各向異性的,而是沿著特定不連續(xù)層理方向上的失效所提供的等強(qiáng)度的組合。此種失敗模式可以用單層層理脆弱程度模型來描述。脆弱層理區(qū)別于整體巖石的主要特征是具有莫爾失效的屬性 (內(nèi)聚力和摩擦角)。

3.2 井壁穩(wěn)定性

在假設(shè)正交各向異性強(qiáng)度或單層層理脆弱程度的條件下,可以對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)井眼軌跡與平行層理方向間的夾角小于30°時(shí),無論在什么條件下都需要對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。經(jīng)驗(yàn)表明橫斷面越垂直于層理越不容易發(fā)生額外的不穩(wěn)定,即使存在弱的層理時(shí)也不易發(fā)生井眼不穩(wěn)定。然而在復(fù)雜的地質(zhì)陡峭傾斜床基條件下,即使是只有些許斜度的井都會(huì)被鉆成平行于層理方向的井。

在正交各向異性強(qiáng)度模型和單層層理脆弱程度模型中,可以采用數(shù)值方法和分析方法?？紤]正交各向異性強(qiáng)度時(shí),層理變化可以進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性定義(如用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線回歸分析法)或分析性解釋。

4 實(shí)時(shí)技術(shù)

對(duì)井壁穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的關(guān)鍵信息是那些用來校正或預(yù)測(cè)未知參數(shù)值的井眼質(zhì)量指標(biāo),特別是最大水平應(yīng)力的數(shù)值和方向。通?？衫玫木圪|(zhì)量信息一般都在井眼成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中。引起井壁不穩(wěn)定問題的崩塌寬度可以直接從影像中通過地層狀態(tài)數(shù)據(jù)的回歸分析方法得出。

當(dāng)這些影像工具用于量化處理時(shí),確保由于工具偏心和井眼粗糙所產(chǎn)生的失真成像得到校正是很重要的。不能像超聲波測(cè)井成像儀那樣直接測(cè)量井眼表面,密度測(cè)井只能獲得地表下很淺距離之內(nèi)的影像,所以,用方位密度測(cè)井放大的地層參數(shù)正弦波解釋地層傾角時(shí)一定要謹(jǐn)慎。

5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用

聲速是任一實(shí)時(shí)鉆井操作評(píng)估技術(shù)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。在對(duì)孔隙壓力、破裂壓力梯度和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)需要使用聲速參數(shù)。當(dāng)用帶地層壓力、強(qiáng)度、模量等修正參數(shù)的聲波測(cè)井儀測(cè)井時(shí),認(rèn)識(shí)到這些修正參數(shù)是通過對(duì)頁(yè)巖垂直方向上縱波的測(cè)量所得到的,這很重要。所以,當(dāng)聲波測(cè)井應(yīng)用這些修正值進(jìn)行鉆前研究時(shí),對(duì)垂直錯(cuò)斷的井應(yīng)該首先選擇聲波測(cè)井。

頁(yè)巖的特征是各向異性。由于聲波的傳播速度在平行于層理方向和垂直方向上是不同的,同時(shí)二者的強(qiáng)度也不一樣。在頁(yè)巖中,地震波的波速隨著層理平面法線和地震波傳播方向間的夾角的增大而增加。在平行于層理方向的地震波波速一般要大于垂直方向的波速。所以,當(dāng)從實(shí)時(shí)井壁穩(wěn)定性分析中推算層理性質(zhì)時(shí),用聲波測(cè)井技術(shù)進(jìn)行測(cè)井時(shí)一定要謹(jǐn)慎。

由于巖石的強(qiáng)度對(duì)預(yù)測(cè)鉆井液密度的準(zhǔn)確程度有較大的影響,因而在高角度井中波速的變化對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響是非常明顯的。在以往高角度鉆井井壁的穩(wěn)定性分析中,沒有考慮波速的各向異性是一個(gè)重大的遺漏。如果不是在鉆井設(shè)計(jì)中較早地認(rèn)識(shí)到該效應(yīng),那么預(yù)測(cè)鉆井液密度的實(shí)質(zhì)是沒有意義的。由于設(shè)計(jì)海上實(shí)時(shí)鉆井時(shí)必須對(duì)波速各向異性進(jìn)行一些修正,所以考慮波速各向異性非常有意義。

6 降低井壁不穩(wěn)定性的措施

確保高角度井穩(wěn)定性的最大風(fēng)險(xiǎn)在于鉆前對(duì)層理脫落的崩落方式的預(yù)測(cè)。在近似垂直的井眼軌跡中,這種形式的井壁不穩(wěn)定問題得到一定抑制。只有沿近似平行于層理方向進(jìn)行鉆井時(shí),這種形式的井壁不穩(wěn)定問題才會(huì)變得相當(dāng)嚴(yán)重。

在沒有對(duì)易脫落頁(yè)巖進(jìn)行鉆前穩(wěn)定性測(cè)定的情況下,高角度井的鉆進(jìn)可能會(huì)出現(xiàn)問題,前期對(duì)井壁不穩(wěn)定性變化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常重要的。雖然實(shí)時(shí)傳送的圖像質(zhì)量沒有那些記憶性測(cè)井工具所測(cè)得的那樣好,但圖1的例子表明這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力目前還是有的。然而,在智能鉆柱高速傳輸數(shù)據(jù)方面取得了一定的進(jìn)展,并且在商業(yè)鉆井應(yīng)用中的測(cè)試獲得了成功。將來,智能鉆桿和現(xiàn)有隨鉆測(cè)量工具的組合會(huì)使井眼圖像實(shí)時(shí)、高質(zhì)量地傳送到地面成為可能。我們期待井壁的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)出現(xiàn)一個(gè)階段性的進(jìn)步。

6.1 底部鉆具總成的設(shè)計(jì)

為了避免井眼堵塞造成底部鉆具總成遇卡,鉆具總成的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)單并且長(zhǎng)度盡可能地短。首選的是旋轉(zhuǎn)鉆具總成。從機(jī)械學(xué)的觀點(diǎn)來看,如此設(shè)計(jì)會(huì)與采集隨鉆測(cè)井信息進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向和判斷不穩(wěn)定因素位置和種類發(fā)生沖突。

6.2 凈化井眼

當(dāng)有大塊的破碎落石從井壁上掉下時(shí),井眼的清理工作變得困難。不僅要求鉆井液能夠把這些坍塌落石攜帶到地面,而且也需提供足夠的泥漿泵排量來清理擴(kuò)大了的井眼部位。隨著鉆井的不斷實(shí)踐,隨鉆壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀和其他隨鉆監(jiān)測(cè)儀 (如扭矩儀器、拉力儀器、振動(dòng)儀器等)都有了相應(yīng)的改進(jìn),并且已經(jīng)取得了一定的效果。

6.3 擴(kuò)眼和上提

在上提時(shí)不建議使用原排量進(jìn)行循環(huán),尤其是在環(huán)空中有巖屑和坍塌落石的時(shí)候。需要把密封后壓力激蕩引起的額外井壁塌陷、濾失的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。在上提時(shí),直到上提至先前套管鞋位置的整個(gè)過程中,都應(yīng)該避免在井眼中留下大塊巖屑而導(dǎo)致只能在短距離內(nèi)起下鉆的現(xiàn)象發(fā)生。

6.4 分析和監(jiān)測(cè)坍塌落石

在不穩(wěn)定的井壁條件下,建議監(jiān)測(cè)發(fā)生井壁坍塌的面積,分析其地貌形態(tài)、深度數(shù)據(jù)及可能形成的年代。結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像對(duì)井壁坍塌進(jìn)行分析,不僅有助于了解不穩(wěn)定井壁的發(fā)展,而且還有助于選擇合適的治理措施。即使沒有可用的圖像數(shù)據(jù),在區(qū)分該種模式與常規(guī)井壁側(cè)向剪切失敗導(dǎo)致的帶棱角巖屑時(shí),鑒定與層理不穩(wěn)定性相關(guān)的塊狀或?qū)訝顜r屑的產(chǎn)狀是很重要的。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.010

資料來源于美國(guó)《J PT》2007年7月

2008-12-08)