朱澄清 肖國益 李皋 朱化蜀

（1.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司，成都610016；2.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，德陽618000；3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610500）

氣體鉆水平井井壁穩(wěn)定性分析新方法

朱澄清1肖國益2李皋3朱化蜀2

（1.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司，成都610016；2.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，德陽618000；3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610500）

與常規(guī)鉆井液鉆井相比，氣體鉆井技術(shù)在提高機(jī)械鉆速、保護(hù)油氣層等方面有著無可比擬的優(yōu)勢，其中井壁穩(wěn)定是氣體鉆井過程中最為突出的問題。目前對(duì)于氣體鉆水平井沒有一套合理的井壁穩(wěn)定分析方法，給現(xiàn)場鉆井帶來很多困難。在直井井壁穩(wěn)定分析理論模型的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)力轉(zhuǎn)換，確定水平井段圍巖應(yīng)力，結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)去水化校正，建立氣體鉆水平井井壁穩(wěn)定計(jì)算模型，形成了一套完整的氣體鉆水平井壁穩(wěn)定分析方法。將該方法應(yīng)用于川西地區(qū)氣體鉆水平井井壁穩(wěn)定分析，理論分析與工程實(shí)際結(jié)果吻合，驗(yàn)證了該方法的可行性。

氣體鉆水平井；井壁穩(wěn)定；應(yīng)力轉(zhuǎn)換；去水化校正

目前氣體鉆水平井技術(shù)在我國應(yīng)用較廣。由于氣體取代了常規(guī)鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)，循環(huán)產(chǎn)生的井底壓力很小，對(duì)于井壁的支撐作用非常小，井壁變得更加不穩(wěn)定，容易發(fā)生垮塌失穩(wěn)。不同于常規(guī)液體鉆井，氣體鉆井不會(huì)對(duì)近井壁巖石應(yīng)力分布和巖石強(qiáng)度產(chǎn)生影響，巖石表現(xiàn)為原始巖石力學(xué)參數(shù)?，F(xiàn)有氣體鉆水平井井壁穩(wěn)定分析未能考慮水平井眼條件下井壁應(yīng)力的真實(shí)分布，沒有根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)得到氣體鉆井下的真實(shí)巖石力學(xué)參數(shù)，因此不能對(duì)現(xiàn)場水平井段穩(wěn)定進(jìn)行有效準(zhǔn)確的分析，為氣體鉆進(jìn)帶來安全隱患。本文從力學(xué)角度出發(fā)，通過應(yīng)力轉(zhuǎn)換，確定了井壁應(yīng)力分析和判斷準(zhǔn)則，結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)氣體鉆井去水化校正方法，建立了水平井段在氣體循環(huán)條件下的坍塌壓力計(jì)算模型，形成了一套與現(xiàn)場緊密結(jié)合的氣體條件下水平段鉆進(jìn)井壁穩(wěn)定分析新方法。

1 氣體鉆井井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)基本理論

1.1 應(yīng)力轉(zhuǎn)換分析

在水平井中，由于井眼方向偏離垂直方向，所以原始垂直方向、水平方向的地應(yīng)力不再與井眼方向垂直了，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。通常認(rèn)為原始地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力方向分別沿著垂直方向和水平方向。在受三向原始地應(yīng)力σV、σh1、σh2作用下的地層中鉆一個(gè)井斜角為α，方位角為β（井斜方位與最大水平地應(yīng)力之間的最小夾角）的井眼。經(jīng)過計(jì)算，得出轉(zhuǎn)換后的實(shí)際應(yīng)力分量為：

分析井段某個(gè)平面受力情況（圖1），該平面與井眼軸線垂直，四周受均勻的剪切應(yīng)力τxy，上下兩邊受均勻的壓應(yīng)力σy，左右受均勻的壓應(yīng)力σx。中間孔內(nèi)受均勻的壓力pw作用，前后面受均勻壓力σz和均勻剪應(yīng)力τxz、τyz。由于、σz、τxz、τyz是常量，所以該問題可按照解帶圓孔無窮大平面應(yīng)變問題處理。

圖1 水平井井眼截面受力圖

疊加計(jì)算上述應(yīng)力引起的應(yīng)力分布，結(jié)合鉆井液滲流效應(yīng)，氣體鉆井過程中，井筒內(nèi)無鉆井液液柱，水平井壁（r=R）巖石的應(yīng)力分布：

式中：α—Biot系數(shù)；p—鉆井液柱壓力。

其中，水平井井壁上的三個(gè)主應(yīng)力為：

1.2 判斷準(zhǔn)則

目前確定巖石剪切破壞時(shí)常采用兩個(gè)準(zhǔn)則：

（1）Mohr-Coulombr判斷準(zhǔn)則

在純氣體鉆井過程中，主要為純力學(xué)井壁失穩(wěn)，采用庫倫—摩爾準(zhǔn)則判斷分析純氣體鉆井剪切垮塌失穩(wěn)：

式中：C、φ—巖石內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。

（2）Drucker-Prager判斷準(zhǔn)則

庫侖-摩爾準(zhǔn)則只考慮最大和最小主應(yīng)力的作用，而Drucker-Prager準(zhǔn)則計(jì)入中間主應(yīng)力的影響。

2 水平井氣體鉆井井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法

2.1 氣體鉆井測井資料去水化校正

由于氣體鉆井無法開展自然伽馬、密度和聲波時(shí)差測井，只能借助常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)開展氣體鉆井井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。但由于水基泥漿浸泡作用，常規(guī)鉆井測井?dāng)?shù)據(jù)無法真實(shí)反映井下巖石原始信息。因此，在開展井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)之前，需要除去泥漿浸泡對(duì)常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)的影響。去水化校正方法包括理論模擬方法與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法。

（1）理論模擬法?；谀囗搸r微組構(gòu)、微組分分布情況，結(jié)合擴(kuò)散雙電層理論和范德華理論，建立描述泥頁巖水化作用及其對(duì)聲波測井?dāng)?shù)據(jù)影響的理論模型。泥頁巖水化膨脹應(yīng)變、水化作用對(duì)泥頁巖地層靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比的影響分別可表示為：

nj、nm—單位體積內(nèi)Pc類黏土片和蒙脫石黏土片含有晶片個(gè)數(shù)；

ai—Pc類黏土片或黏土晶片法線方向與i方向之間夾角；

pjai(M，ai)—單位體積M內(nèi)Pc類黏土片或晶片法線方向與Pc方向夾角為ai的概率；

Fj(h0

j)—水化作用前后相鄰j類黏土片或黏土晶片之間雙電層斥力。

由動(dòng)靜態(tài)彈性模量、泊松比轉(zhuǎn)換關(guān)系式便可得到用于描述水化作用對(duì)泥頁巖動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比影響的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到原始泥頁巖地層動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比，根據(jù)波動(dòng)力學(xué)理論便可得到原始地層波速。

式中：Ed、ΔEd—水化后動(dòng)態(tài)彈性模量和水化作用引起動(dòng)態(tài)彈性模量改變量；

μd、Δμd—水化后動(dòng)態(tài)泊松比和水化作用引起的動(dòng)態(tài)泊松比改變量；

ρhd、ρ1、ρ2—分為原始、水化后地層密度和鉆井濾液密度，g/cm3。

（2）實(shí)驗(yàn)方法?，F(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)鉆井液侵入對(duì)地層聲波時(shí)差影響較大。通過模擬鉆井液環(huán)境及地下溫度和壓力，對(duì)比干巖心及鉆井液浸泡后的巖心聲波速度，尋找兩者間關(guān)系，從而對(duì)現(xiàn)場測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正。

圖2 巖心縱波速度對(duì)比分析圖

2.2 氣體鉆水平井不同失穩(wěn)類型井壁穩(wěn)定性分析

在氣體鉆井過程中，與常規(guī)水基泥漿相比，干燥氣體自身密度很低，在井底產(chǎn)生的壓力很小，且與地層之間不存在物理化學(xué)耦合作用。因此氣體鉆井井壁失穩(wěn)類型與常規(guī)鉆井有著明顯的區(qū)別。

（1）剪切垮塌失穩(wěn)。造成井壁剪切坍塌失穩(wěn)的主要原因是由于井內(nèi)壓力太低，近井壁巖石所受剪切應(yīng)力超過自身強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞。對(duì)于井壁剪切坍塌失穩(wěn)判斷分析主要采用庫侖摩爾準(zhǔn)則。對(duì)于氣體鉆井而言，環(huán)空內(nèi)氣體密度近似為0，井壁的穩(wěn)定性主要取決于地層巖石內(nèi)聚力的臨界值，直井模型計(jì)算得到氣體鉆井巖石內(nèi)聚力臨界值表示為：

針對(duì)氣體鉆水平井，結(jié)合之前推導(dǎo)應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式，轉(zhuǎn)換計(jì)算求出氣體鉆水平井下巖石內(nèi)聚力。當(dāng)?shù)貙訋r石自身內(nèi)聚力高于氣體鉆井內(nèi)聚力臨界值時(shí)，表示井壁穩(wěn)定；否則，井壁將出現(xiàn)垮塌失穩(wěn)。

（2）地層沿軟弱面滑動(dòng)失穩(wěn)。對(duì)于含有軟弱面（層理或微裂縫）的地層，當(dāng)軟弱面與最大主應(yīng)力之間夾角在一定范圍內(nèi)，地層將沿著軟弱面出現(xiàn)垮塌掉塊。軟弱面破壞準(zhǔn)則表示為：

式中：Cw—軟弱面內(nèi)聚力，MPa； μw—軟弱面內(nèi)摩擦系數(shù)，μw=tan(φw)；φw—軟弱面內(nèi)摩擦角，（°）；β—軟弱面的法向與σ1之間的夾角，（°）。

弱面產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)的條件是φw＜β＜90°，條件之外地層發(fā)生巖石本體破壞。

（3）地層產(chǎn)氣條件下井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法。對(duì)于滲透性高壓產(chǎn)氣砂巖層段，需考慮高壓氣體沖出地層時(shí)對(duì)近井壁巖石的沖擊作用力。因?yàn)榱?固耦合理論主要針對(duì)產(chǎn)氣層段長時(shí)間產(chǎn)氣過后，不采用流-固耦合理論，考慮產(chǎn)氣層段孔隙壓力及巖石的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)井壁進(jìn)行穩(wěn)定性分析。利用產(chǎn)氣條件下的井壁表面巖石坍塌密度計(jì)算公式：

式中：φ—地層孔隙度，無量綱。

隨著地層孔隙壓力的增加，地層坍塌密度隨之增加，氣體鉆井井壁穩(wěn)定性趨于不穩(wěn)定。根據(jù)研究層段巖石有效應(yīng)力分布及巖石強(qiáng)度大小，可以得到一個(gè)臨界孔隙壓力值，當(dāng)孔隙壓力低于該臨界值時(shí)，產(chǎn)氣層段井壁穩(wěn)定；當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫Ω哂谂R界孔隙壓力值時(shí)，井壁開始出現(xiàn)垮塌失穩(wěn)。

3 實(shí)例分析

以川西地區(qū)地層氣體鉆井為例，該區(qū)塊巖性分布復(fù)雜，氣體鉆水平井存在由于井下復(fù)雜情況引起地層垮塌。高壓產(chǎn)氣層段一旦高速產(chǎn)氣，若不采取適當(dāng)措施，很有可能將井壁沖垮，因此，需要對(duì)氣體鉆水平井進(jìn)行準(zhǔn)確的綜合井壁穩(wěn)定分析。川西MP1井在蓬萊鎮(zhèn)組三段1 710～1 870.24m實(shí)施氮?dú)忏@水平井，無明顯卡鉆遇阻現(xiàn)象。結(jié)合現(xiàn)場測井資料，進(jìn)行去水化校正，建立氣體鉆水平井井壁穩(wěn)定模型，考慮井下情況，評(píng)價(jià)分析氣體鉆水平井井段井壁穩(wěn)定性。

從圖上可以看出，方位角和井斜角對(duì)水平井地層坍塌密度有明顯影響，在該層段沿最小水平主應(yīng)力方向坍塌密度最小，沿最大水平主應(yīng)力方向坍塌密度最大。根據(jù)井斜角分析，直井井壁穩(wěn)定性最好，水平井井壁穩(wěn)定性最差。

圖3 MP1井1 710～1 870.24m井段坍塌密度與方位角和井斜角之間的關(guān)系

MP1井1 710～1 870.24m水平井地層坍塌密度普遍低于0，部分層段坍塌密度略高，在0.3g/cm3左右，氣體鉆井存在剝落掉塊，現(xiàn)場注氣量滿足井下攜巖條件下，可以實(shí)施氣體鉆水平井。

圖4 MP1井1 710～1 870.24m坍塌密度分布情況

通過對(duì)比分析理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)鉆情況，兩者較為吻合，證明了所建立的氣體鉆水平井井壁穩(wěn)定性整套方法具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

（1）從應(yīng)力轉(zhuǎn)換分析角度出發(fā)，建立了水平井井眼穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型，完善了對(duì)于氣體鉆井測井資料的去水化校正方法，考慮不同情況下的氣體鉆井失穩(wěn)情況，形成一套氣體鉆水平井井壁穩(wěn)定分析新方法。

（2）通過垂直井到水平井的應(yīng)力轉(zhuǎn)換計(jì)算方式，在垂直井模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出氣體鉆水平井的井壁穩(wěn)定相關(guān)理論準(zhǔn)則，為水平井井壁穩(wěn)定研究奠定了理論基礎(chǔ)。

（3）利用該方法評(píng)價(jià)川西地層氣體鉆水平井，得出井斜角、方位角是影響水平井壁穩(wěn)定性的重要因素，其中坍塌密度隨著井斜角的增大逐漸增大；沿最小水平主應(yīng)力方向井壁穩(wěn)定性最好，為氣體鉆此類水平井提供參考。

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New M ethod of Hole Stability Evaluation of Horizontal Air Drilling

ZHU Chengqing1XIAO Guoyi2LIGao3ZHU Huashu2
（1.SouthwestBranch SINOPEC,Chengdu 610016；2.Engineering Institute of SouthwestBranch SINOPEC, Ddyang 618000；3.State Key Laboratory ofOiland GasReservoirGeology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500）

Compared w ith conventional mud drilling,air drilling technology has incomparable advantages in advancing of ROP and reservoir protection，among which borehole stability is the prom inent issue of air drilling. At present there is no one fitting borehole stability evaluation for air drilling horizontal well,which causes problems for site drilling.On the basis of theoreticalmodel of vertical well stability analysis,this paper has established rock stress of horizontal section and founded calculationmodel of air drilling horizontalwell stability w ith the combination of log data hydration correction,finally formed a integrated setof evaluationmethod for air drilling horizontalwell stability.Thismethod is applied to air drilling horizontalwell in western Sichuan and the theory accordswellw ith the field practice,which proves the feasibility of thismethod.

airdrilling horizontalwell；hole stability；stress transformation；hydration correction

TE243

A

1673-1980（2012）03-0094-05

2012-01-19

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05022-005）

朱澄清（1965-），男，高級(jí)工程師，中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司副總工程師，研究方向?yàn)殂@井技術(shù)。