范志利，朱磊，曹硯鋒，文敏，王彬

(中海油研究總院，北京 100028)

海上LF油田水平井生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定性問題研究

范志利，朱磊，曹硯鋒，文敏，王彬

(中海油研究總院，北京 100028)

隨著海上油氣田的進(jìn)一步開發(fā)，海上已經(jīng)針對(duì)低滲透油氣田進(jìn)行了開采，目前海上LF等多個(gè)低滲透油氣田已經(jīng)進(jìn)行開發(fā)，這些區(qū)塊儲(chǔ)層砂巖巖石強(qiáng)度屬于中-高強(qiáng)度，其生產(chǎn)過程中的井壁穩(wěn)定問題直接影響著完井方式及后期的開發(fā)方式。針對(duì)海上LF中高強(qiáng)度砂巖油田水平井生產(chǎn)過程中的井壁問題展開研究，通過數(shù)值模擬的方法，利用等效塑性應(yīng)變理論，對(duì)水平井在生產(chǎn)過程中影響井壁穩(wěn)定的因素(生產(chǎn)壓差、地層出水、地層壓力衰減)進(jìn)行研究。研究結(jié)果也表明，水平井井眼沿最小主應(yīng)力方向時(shí)，且在純砂巖地層中時(shí)可以采用裸眼完井，與油田實(shí)際生產(chǎn)的情況相符，從而驗(yàn)證了該方法的可行性。研究結(jié)果可對(duì)油田進(jìn)行完井方法優(yōu)選以及后期作業(yè)提供指導(dǎo)。

水平井； 生產(chǎn)過程；井壁穩(wěn)定；中高強(qiáng)度砂巖

目前海上低滲透油氣田已經(jīng)進(jìn)行開發(fā)，這些區(qū)塊儲(chǔ)層砂巖巖石強(qiáng)度屬于中-高強(qiáng)度，通過對(duì)中-高強(qiáng)度低滲透油氣藏砂巖儲(chǔ)層在生產(chǎn)過程中的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行研究，給低滲透砂巖油氣藏完井方法以及后期開發(fā)過程中采取的措施提供依據(jù)。

對(duì)于砂巖地層的井壁穩(wěn)定性的研究主要有3種方法：

1)以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出井壁周圍的應(yīng)力分布狀況，然后使用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則或者D-P準(zhǔn)則作為判定依據(jù)，分析井壁穩(wěn)定性。

2)以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，在假設(shè)兩個(gè)水平地應(yīng)力相等的前提下，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變理論，推導(dǎo)直井井眼處井壁周圍的應(yīng)力分布狀況，然后使用最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則作為判定依據(jù)，分析井壁穩(wěn)定性。

3)以數(shù)值模擬為手段，建立彈塑性模型，采用等效塑性應(yīng)變力理論，使用D-P準(zhǔn)則作為判斷依據(jù)，對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

對(duì)井壁穩(wěn)定性的研究主要是基于孔彈性理論，通過有效應(yīng)力理論和巖石力學(xué)理論，應(yīng)用彈性力學(xué)的方法預(yù)測坍塌壓力。鄧金根[1]和Adnoy等[2]根據(jù)彈性力學(xué)，推導(dǎo)出直井和斜井井壁應(yīng)力分布公式，根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則得到井壁坍塌壓力。Mclean等[3]比較分析了不同強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)坍塌條件的影響。用彈性力學(xué)公式和強(qiáng)度準(zhǔn)則確定的坍塌壓力，是將巖石假設(shè)成彈性材料，認(rèn)為巖石強(qiáng)度達(dá)到屈服極限時(shí)，即發(fā)生坍塌。豐全會(huì)等[4]、殷有泉等[5]采用穩(wěn)定性理論和方法研究井壁坍塌問題，利用彈塑性分析，求其了直井鉆井過程中坍塌壓力的彈塑性解析解，但是該方法是將井眼簡化為平面應(yīng)變問題，并假設(shè)了水平向最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力相等為前提條件，對(duì)于水平向兩個(gè)主應(yīng)力不相等的情況還需要運(yùn)用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行計(jì)算。熊友明等[6]利用C公式對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，但是C公式只考慮了垂向應(yīng)力的影響。練章華等[7,8]利用等效塑性應(yīng)變理論，采用有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)井眼周圍的應(yīng)力進(jìn)行了研究分析。周長江等[9]、蘭凱[10]等也利用等效塑性應(yīng)變理論采用數(shù)值模擬的方法對(duì)砂巖地層和灰?guī)r地層的井壁穩(wěn)定問題進(jìn)行了分析研究。在對(duì)井壁坍塌壓力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則和D-P準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則在計(jì)算地層坍塌壓力的時(shí)候，只考慮的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，而忽略了中間主應(yīng)力的影響，而D-P準(zhǔn)則則考慮了中間主應(yīng)力的影響，因此摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的結(jié)果比D-P準(zhǔn)則計(jì)算的結(jié)果保守[11]。根據(jù)李軍等[12]通過使用三維彈塑性有限元模型研究發(fā)現(xiàn)，在相同載荷的情況下，彈塑性巖石比脆性巖石更穩(wěn)定，同時(shí)使用彈塑性模型計(jì)算的值比彈性條件下計(jì)算的結(jié)果更穩(wěn)定。

實(shí)際上，地層巖石為彈塑性材料，通常情況下地層發(fā)生失穩(wěn)的過程是地層巖石先發(fā)生彈性形變，之后進(jìn)入塑性形變階段，當(dāng)塑性形變達(dá)到一定的值時(shí)，地層發(fā)生失穩(wěn)。因此，從現(xiàn)有理論和已有的研究情況看，對(duì)于砂泥巖地層坍塌壓力的預(yù)測，采用彈性力學(xué)基礎(chǔ)上計(jì)算的值較彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)上計(jì)算的值更為保守，而采取D-P準(zhǔn)則作為判據(jù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更為接近。

1 理論基礎(chǔ)

由等效塑性理論可知，井壁失穩(wěn)是由于井周地層受力平衡狀態(tài)被打破，井壁巖石發(fā)生塑性屈服，當(dāng)塑性屈服值超過井壁巖石臨界塑性屈服值時(shí)，井壁發(fā)生失穩(wěn)。其中，井周地層巖石發(fā)生塑性變形可由下式Drucker-Prager準(zhǔn)則進(jìn)行判定:

J2=H1+H2×J1

(1)

當(dāng)J2>H1+H2×J1時(shí)，井壁穩(wěn)定；當(dāng)J2

根據(jù)等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則，井周地層巖石進(jìn)入塑性屈服后，當(dāng)其等效塑性應(yīng)變?chǔ)舙大于巖石所允許的等效塑性應(yīng)變臨界值εc時(shí)，地層將發(fā)生破壞失穩(wěn)，可由下式進(jìn)行描述求解：

εp>εc

(2)

(3)

式中：εp1、εp2、εp3分別為3個(gè)主應(yīng)力方向的塑性應(yīng)變，1。

大量的研究表明，不同的地層巖石，具有不同的等效塑性應(yīng)變臨界值，其分布通常為0.3%～0.8%[13～15]。當(dāng)?shù)貙訋r石等效塑性應(yīng)變超過這一臨界值時(shí)，地層將發(fā)生破壞失穩(wěn)。

而彈性理論認(rèn)為，當(dāng)材料達(dá)到最大屈服應(yīng)力值時(shí)材料即失穩(wěn)，而地層巖石為彈塑性材料，當(dāng)材料達(dá)到最大屈服應(yīng)力值時(shí)，材料仍然保持穩(wěn)定，此時(shí)地層巖石進(jìn)入塑性屈服階段，只有塑性應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，地層巖石才發(fā)生失穩(wěn)。因此，采用彈塑性模型結(jié)合等效塑性應(yīng)變理論計(jì)算的井壁穩(wěn)定性更接近真實(shí)情況。

2 建立模型(水平井模型)

根據(jù)前面研究分析的結(jié)果，模型的建立主要考慮以下因素：

1)井眼尺寸8.5in。

2)井眼延伸方位與水平向最小主應(yīng)力一致。

3)彈塑性模型。

4)D-P判斷準(zhǔn)則。

5)等效塑性應(yīng)變?nèi)≈?.3%。

研究條件：①通過研究巖石強(qiáng)度變化與井壁穩(wěn)定性之間的關(guān)系，來間接反映出水對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響；②研究地層壓力衰減與井壁穩(wěn)定關(guān)系。

3 實(shí)例分析

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲得了研究區(qū)塊的地質(zhì)力和巖石強(qiáng)度參數(shù)，見表1。采用表1中的數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定性展開研究。

表1 地質(zhì)力學(xué)和巖石強(qiáng)度參數(shù)表

表2 地層出水巖石強(qiáng)度降低后的參數(shù)

3.1 地層出水對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

地層出水后，儲(chǔ)層砂巖黏土礦物會(huì)發(fā)生吸水膨脹，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。通過研究得到研究區(qū)塊的巖石強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，建立的模型，內(nèi)聚力為18、15、12、10MPa時(shí)分別對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度為35.60、29.70、23.76、19.80MPa，計(jì)算結(jié)果見圖1和圖2，圖1為不同內(nèi)聚力時(shí)，生產(chǎn)壓差與等效塑性應(yīng)變關(guān)系圖，圖2為不同生產(chǎn)壓差下，內(nèi)聚力與等效塑性應(yīng)變關(guān)系圖。

圖1 生產(chǎn)壓差與井眼等效塑性應(yīng)變圖

圖2 內(nèi)聚力與井眼等效塑性應(yīng)變圖

當(dāng)內(nèi)聚力(即單軸抗壓強(qiáng)度)一定時(shí)，等效塑性應(yīng)變與生產(chǎn)壓差成指數(shù)關(guān)系，而當(dāng)生產(chǎn)壓差一定時(shí)，等效塑性應(yīng)變與內(nèi)聚力成指數(shù)關(guān)系。當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變?yōu)?.003時(shí)，井壁失穩(wěn)，故認(rèn)為該時(shí)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)壓差為臨界生產(chǎn)壓差，從圖1中可以看出，水平井臨界生產(chǎn)壓差隨巖石內(nèi)聚力的增大而增大，同時(shí)在紅色虛線以下的生產(chǎn)壓差和內(nèi)聚力時(shí)，均可以保持井壁的穩(wěn)定。單軸抗壓強(qiáng)度為29.70、23.76、19.80MPa(即內(nèi)聚力為15、12、10MPa)時(shí)的臨界生產(chǎn)壓差分別為15、12、6MPa。因此當(dāng)水平井裸眼生產(chǎn)時(shí)，在當(dāng)前地應(yīng)力條件下，如果地層壓力不變且生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)壓差不超過6MPa，則地層穩(wěn)定，可采用裸眼完井。

從圖2中可以看出，在當(dāng)前地應(yīng)力條件下，如果地層壓力不變，當(dāng)生產(chǎn)壓差保持12MPa時(shí)，隨著地層出水，巖石強(qiáng)度的降低，井壁等效塑性應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)?shù)貙訋r石單軸抗壓強(qiáng)度降低到23.76MPa(即內(nèi)聚力為12MPa時(shí))，井壁等效塑性應(yīng)變?cè)龃蟮?.967×10-3，此時(shí)如果地層巖石強(qiáng)度繼續(xù)降低，則井壁將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

3.2 地層壓力衰減對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

隨著油氣層開采時(shí)間的增加，地層壓力逐漸減低，當(dāng)?shù)貙訅毫档?MPa和13MPa時(shí)，分析地層壓力衰減對(duì)井壁穩(wěn)定的影響。

3.2.1 地層壓力降低5MPa時(shí)，井壁穩(wěn)定性分析

地層壓力降低5MPa時(shí)，不同生產(chǎn)壓差下的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。地層壓力降低后，井壁等效塑性應(yīng)變隨生產(chǎn)壓差的增大而增大，即井壁穩(wěn)定性隨生產(chǎn)壓差的增大而減弱。當(dāng)生產(chǎn)壓差為14MPa時(shí)，井壁等效塑性應(yīng)變?yōu)?.888×10-3，在該情況下，如果生產(chǎn)壓差繼續(xù)增大，則井壁會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，因此如果地層壓力降低5MPa，生產(chǎn)壓差不大于14MPa時(shí)，可采用裸眼完井。

3.2.2 地層壓力降低13MPa時(shí)，井壁穩(wěn)定性分析

地層壓力降低13MPa時(shí)，不同生產(chǎn)壓差下的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。當(dāng)生產(chǎn)壓差為13MPa，此時(shí)井壁等效塑性應(yīng)變?yōu)?.069×10-3，地層進(jìn)入失穩(wěn)階段。因此如果地層壓力降低13MPa之后，生產(chǎn)壓差小于13MPa，可采用裸眼完井。

圖3 地層壓力降低5MPa時(shí)，不同生產(chǎn)壓差下的 圖4 地層壓力降低13MPa時(shí)，不同生產(chǎn)壓差下的 井壁等效塑性應(yīng)變 井壁等效塑性應(yīng)變

根據(jù)以上的分析方法又計(jì)算了生產(chǎn)壓差一定時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度為23.76、19.8MPa(內(nèi)聚力為12、6MPa)時(shí)，地層壓力衰減對(duì)井壁穩(wěn)定的影響，見圖5。在相同巖石強(qiáng)度、地應(yīng)力條件和生產(chǎn)壓差不變的條件下，井壁等效塑性應(yīng)變隨地層壓力的減小而增大，且兩者成指數(shù)關(guān)系。單軸抗壓強(qiáng)度為23.76MPa的巖石，在地層壓力減小13MPa時(shí)，臨界生產(chǎn)壓差為11MPa；單軸抗壓強(qiáng)度為19.8MPa的巖石，在地層壓力減小13MPa時(shí)，臨界生產(chǎn)壓差為4.5MPa。

相同壓差時(shí)，地層壓力與臨界生產(chǎn)壓差的關(guān)系見圖6，臨界生產(chǎn)壓差與隨著地層壓力成指數(shù)關(guān)系，隨著地層壓力的減小而減小。因此，為保證水平井生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定性，臨界生產(chǎn)壓差隨地層壓力的減小而進(jìn)行調(diào)整。

圖5 井壁等效塑性應(yīng)變隨地層壓力變化關(guān)系圖

圖6 地層壓力與臨界生產(chǎn)壓差的關(guān)系圖

3.3 地層壓力衰減與地層出水共同作用對(duì)井壁穩(wěn)定性影響分析

地層壓力衰減和地層出水(即地層巖石強(qiáng)度減小)共同作用，按以下情況考慮：①假設(shè)地層壓力從原始地層壓力降低至18.2MPa，每降低2.6MPa取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算；②在地層壓力降低的過程中，生產(chǎn)壓差保持不變，假設(shè)為12MPa。計(jì)算結(jié)果見表3。

地層壓力降低與地層出水(即巖石強(qiáng)度降低)同時(shí)作用時(shí)，等效塑性應(yīng)變值隨兩者的減小而增大，

表3 地層壓力衰減和巖石強(qiáng)度降低共同作用時(shí)的等效塑性應(yīng)變

即井壁的不穩(wěn)定性增加。當(dāng)生產(chǎn)壓差為12MPa，地層壓力降低5MPa時(shí)且?guī)r石強(qiáng)度內(nèi)聚力降低到12MPa時(shí)，地層等效塑性應(yīng)變?yōu)?.023×10-3，即地層發(fā)生失穩(wěn)。

4 結(jié)論和建議

1)在地層壓力和地應(yīng)力條件及巖石強(qiáng)度不變的情況下，等效塑性應(yīng)變值與生產(chǎn)壓差呈指數(shù)關(guān)系，即隨著生產(chǎn)壓差的增大，井壁等效塑性應(yīng)變值逐漸增大，井壁穩(wěn)定性變差；隨著地層出水時(shí)間的增加，地層巖石強(qiáng)度降低，井壁穩(wěn)定性逐漸減弱，為了保持井壁的穩(wěn)定，則需要降低生產(chǎn)壓差。

2)在地層壓力不變，上覆應(yīng)力>水平最大地應(yīng)力>水平最小地應(yīng)力時(shí)，生產(chǎn)過程中臨界生產(chǎn)壓差隨著地層在地層巖石強(qiáng)度的減小而降低，如果巖石單軸抗壓強(qiáng)度降低46%，且整個(gè)生產(chǎn)周期中生產(chǎn)壓差不大于6MPa時(shí)，則可以采用裸眼完井。

3)研究結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況相符，說明該方法用來計(jì)算生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定性的可行性，因此，可以采用該方法優(yōu)化LF地區(qū)的完井方法并對(duì)后期作業(yè)提供指導(dǎo)。

4)如果水平井井眼沿最小主應(yīng)力方向，且在純砂巖地層中，則可以采用裸眼完井，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算要求井眼處于純砂巖段地層。因此，這對(duì)于定向鉆井過程中水平井井眼軌跡控制的要求較高。

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[編輯] 帥群

2016-10-24

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05024-003)。

范志利(1981-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事鉆完井設(shè)計(jì)工作，fanzhl@cnooc.com.cn。

TE257

A

1673-1409(2017)7-0056-06

[引著格式]范志利，朱磊，曹硯鋒，等.海上LF油田水平井生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定性問題研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(7):56～61.