王 怡， 陳軍海， 項根蒼， 張建龍

(1頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室 2中國石化石油工程技術(shù)研究院3中石化工程公司江漢鉆井一公司)

氣體鉆井是有效解決井漏、泥頁巖水化膨脹與坍塌、提高鉆井速度的鉆井方式之一，氣體鉆井對地層的要求也十分苛刻，主要是干的、微濕的和固結(jié)性較好的低滲透、高水敏的非高壓地層，而在軟弱地層(如固結(jié)性很差的地層和氣體敏感性地層)或地質(zhì)構(gòu)造作用強烈的地層中可能引起井壁力學(xué)失穩(wěn)，必須考慮地層適用性[1]。目前，初步形成了幾種氣體鉆井井壁穩(wěn)定性理論，但在實際應(yīng)用過程中，目前形成的方法都是基于井壁地層的極限平衡狀態(tài)下推演而來，即井壁不出現(xiàn)任何破損，但在非均勻地應(yīng)力作用下，隨著井深的增加，井壁自然出現(xiàn)合理、工程允許的井壁破損以達到釋放井眼形成后的二次重分布的井周應(yīng)力集中，目前已經(jīng)形成的分析方法均未考慮這種工程允許的力學(xué)平衡現(xiàn)象，因而往往出現(xiàn)井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析結(jié)果遠低于氣體鉆井實際實施井段的問題，本文針對這種工程現(xiàn)象提出了一種考慮工程允許的合理井筒破損的氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析方法，在實際應(yīng)用中達到了很好預(yù)測結(jié)果。

一、傳統(tǒng)的氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析模型

氣體鉆井采用高壓縮氣體，壓力波動大，對井壁的沖蝕作用顯著，從力學(xué)角度開展氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析，是論證氣體鉆井技術(shù)可行性的基礎(chǔ)工作[1-5]。傳統(tǒng)的分析方法通過以下經(jīng)典的井壁穩(wěn)定性預(yù)測公式進行預(yù)測判斷可以實施氣體鉆井的井段：

(1)

這種認為計算的坍塌壓力小于地層孔隙壓力就可保證氣體鉆井井壁穩(wěn)定，但實際由于氣體鉆井適用于不顯著出水、出氣的地層，實際井內(nèi)壓力幾乎為零，這種條件下地層孔隙壓力狀態(tài)和地層的力學(xué)狀態(tài)與鉆井液條件下的情況不盡相同，這種方法具有一定的局限性。

而文獻提出的方法，其力學(xué)原理簡單明確，根據(jù)彈性力學(xué)理論，不考慮的滲透性，井壁表面上的徑向、切向和垂向的應(yīng)力分別為：

在直井狀態(tài)時，對于走滑斷層(垂向應(yīng)力為中間主應(yīng)力)，當采用氣體鉆井鉆進時，鉆井液柱壓力近似為0，在井壁地層處，環(huán)向應(yīng)力σθ為最大主應(yīng)力時，

σr=0

(3)

σθ=3σH-σh

(4)

帶入M-C判斷準則中，井壁沒有坍塌擴徑的穩(wěn)定條件是：

(5)

將式(3)與式(4)代入式(5)得：

3σH-σh≤T

(6)

這種方法適合于脆性地層，但這種方法并未考慮工程容許范圍內(nèi)井筒破損對氣體鉆井的影響。

二、考慮合理井筒破損的氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析方法

鉆井工程中井壁在各向異性地應(yīng)力作用下，必然會出現(xiàn)一定的坍塌擴徑情況，一定程度的坍塌擴徑既不會影響鉆井安全，還能夠使井壁圍巖坍塌卸載后趨于穩(wěn)定。對某工區(qū)經(jīng)過工程統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在鉆井過程中井筒坍塌寬度可以達到90°，不會引起井下復(fù)雜，見圖1。根據(jù)Zoback關(guān)于井壁漸進坍塌過程的研究[6]，實際鉆井過程中受實際鉆井條件(如巖石強度、氣體排量的影響等)，井壁并不會總能達到這個極限擴徑狀態(tài)，因而，通過井周應(yīng)力及坍塌擴徑分析，對于直井可以采用井筒90°坍塌的應(yīng)力狀態(tài)，作為氣體鉆井力學(xué)井壁穩(wěn)定性評價的判定條件：

σH+σh≤T

(7)

圖1 成像測井解釋結(jié)果

同時，進一步推導(dǎo)了對于任意角度斜井的情況下，氣體鉆井力學(xué)井壁穩(wěn)定性評價的判定條件。大地坐標系下的井周應(yīng)力表示為：

(8)

式中：σv—覆巖層地應(yīng)力；σH—水平最大主地應(yīng)力；σh—水平最小地應(yīng)力；Ω—井斜方位角；Ψ—井斜角。

井筒坐標系下的井周應(yīng)力表示為：

(9)

斜井井壁的最大最小主應(yīng)力可以表示為：

同樣，應(yīng)用斜井90°井筒破損條件狀態(tài)下的應(yīng)力平衡狀態(tài)：

可以有效預(yù)測地層的當量巖石強度，與不同井斜角下的地層強度相比，可以判定氣體鉆井的穩(wěn)定性。

三、氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析實例

應(yīng)用建立的分析模型結(jié)合測井資料對某井的氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性進行了分析，圖2為某井的井徑情況，成像測井顯示部分層段井筒坍塌寬度達到90°(圖1)，但均未引起井下復(fù)雜，按照90°容許坍塌寬度進行分析是合理的。表1為實例井的工程地質(zhì)參數(shù)，圖3為新舊模型的分析結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，按照傳統(tǒng)的井筒無破損的極限平衡分析法時，在近1 400 m位置、1 900 m位置以及大于2 100 m以深層段均出現(xiàn)了綜合地層強度低于井周應(yīng)力的情況，即不能保持井壁穩(wěn)定，得到限制氣體鉆井的結(jié)論，而采用本文方法考慮了實際容許井筒破損條件后，氣體鉆井的允許層段達到2 130 m。

圖2 某井的井徑擴大率

注：1 in=25.4 mm。

圖3 考慮合理井筒破損的氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析

參數(shù)σH/(MPa·100m-1)σh/(MPa·100m-1)σv/(MPa·100m-1)σH方位/°地層黏聚力值域/MPa地層內(nèi)摩擦角值域/°最大井深/m最大井斜角/°量值2.671.992.4685417.87～40.0430.9～52.0421128.9

四、結(jié)論

本文結(jié)合井筒合理破損的工程現(xiàn)象，基于井徑特征分析、測井資料分析及力學(xué)穩(wěn)定性理論，發(fā)展了一種任意井斜條件下的考慮合理井壁破損的氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析模型。分析結(jié)果表明，這種方法力學(xué)原理明確，應(yīng)用簡單，且與實際情況更為吻合，建立的模型是準確可靠的，可以有效的為氣體鉆井的井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)參考。

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