井眼稳定性技术在冀东油田的应用.docx

井眼稳定性技术在冀东油田的应用周广陈王成立程远方(山东东营257062)(河北唐海063200)(山东东营257062)提要探讨了运用岩石力学和地应力理论解决井眼稳定问题的原理和方法。开发了井眼稳定性分析软件。利用冀东油田测井及实钻资料,求取了本地区的岩石力学参数,建立了两个区块地层孔隙压力、破裂压力、坍塌压力的三个连续剖面,推荐了合理的钻井液密度值,在钻井设计与施工中应用,取得显著效果。主题词地层压力检测压力预测地层破裂压力井塌井眼稳定钻井液密度岩石力学构造应力计算机程序冀东油田有其应用的局限性,所以在实际中应该使用多种方法对地层压力进行综合评价,以提高其检测精度。(2)地层破裂压力指保持井眼稳定所允许的最高井眼压力。若超过这个压力,井壁岩石将产生拉伸破坏。目前国内外常规评价方法只能针对具体层位给出破裂压力值,而不能给出破裂压力随井深变化的连续剖面值。(3)地层坍塌压力指保持泥页岩等较弱地层井眼稳定所需的最小井眼压力。若低于这个值,井壁岩石将产生压缩破坏。2.基本原理埋藏在井下一定深处的地层受垂直压应力、水平应力和孔隙压力的作用。钻井之前,在原地应力作用下地层处于平衡压力状态。形成井眼后,原来支撑井壁的那部分岩石被“取走”,井壁岩石失去了原有的支持,使得井眼附近岩石的应力分布发生了变化。在弹性情况下,井眼周围会产生应力集中。此时,如果岩石的强度足够大,井壁则能处于稳定状态,否则将会出现失稳破坏。从理论上讲,井眼破坏有两种形式,一种是在压应力作用下的剪切破坏,另一种是在拉应力作用下的拉伸破坏。井眼周围岩石应力集中的程度与钻井液密度有关,随着钻井液密度的降低,应力集中程度加大,当钻井液密度降低到某一值时,井眼会产生剪切破坏,即井壁坍塌;反之,随着钻井液密度的增大,井壁上会产生拉应力,当拉应力增加到某一值时,井壁会被压裂,即拉伸破坏,并导致井漏。因此,要保持井眼稳定,钻井液密度应在一合理的范围之内。一、前言从原理上讲,井眼稳定取决于泥浆体系和地层的地质力学性质两个方面,但过去多数人只注重泥浆体系和泥浆添加剂的研究,而忽视了地质力学这个重要因素,致使井眼稳定的问题仍很突出。近几年来,国内外在井眼稳定的岩石力学研究方面进展很快,譬如在井壁岩石破坏的机理、钻井液对岩石力学性质的影响、岩石的动静态参数的转换等研究方面都取得了显著成果。本文通过建立地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力的连续剖面,为解决井眼稳定问题进一步提供了理论依据和计算手段。冀东油田位于唐山地震带附近,断层发育、地质构造复杂,地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力变化范围很大,给钻井施工造成一定的困难,漏、喷、坍、卡事故时有发生,因此有必要对该地区的三个压力连续剖面进行精细的研究。本文根据冀东油田的具体条件,在分析井眼稳定机理的基础上,利用测井资料求取岩石的力学参数,进而建立了冀东油田两区块的地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力的连续剖面,提出了保持井眼稳定的合理的钻井液密度,对该地区的钻井工程设计与施工具有指导意义。二、井眼稳定1.基本概念(1)地层孔隙压力指地层流体内部的压力。影响地层孔隙压力大小的因素很多,常用dc指数法、页岩密度法和声波时差法检测和评价。这些方法都第24卷第3期周广陈等:井眼稳定性技术在冀东油田的应用·5·剪切破坏准则通常采用Coulomb2Mohr强度理论,即下某层位的最大和最小水平主应力可通过水力压裂试验直接求出,进而求出构造应力系数A和B。(1)Σ=Σ0+fΡn图1是某一直井段完整的水力压裂试验曲线。由图可直接读出地层的破裂压力Pf、瞬时停泵压力Ps和传播压力Pr。由此可求出地层的两个水平主应力分量:式中,Σ为剪切面上的切向应力;Σ0为岩石的内聚力;Ρn为剪切面上的法向应力;f为内摩擦系数。根据岩石力学理论,式(1)可表达为2Σ0=Ρ1[(f2+1)015-f-Ρ3[(f2+1)015+f](2)Ρh2=PsΡh1=3Ρh2-(9)(10)式中,Ρ1,Ρ3分别为井壁上的垂直主应力和水平主应力。拉伸破坏的判断准则如下:Pf-ΑPp+StPr。式中,St=Pf-(3)Ρ3-ΑPp=-Ρt式中,Pp为地层孔隙压力;Α为有效应力系数;Ρt为岩石的抗拉强度。这样,若已知地层的原地应力状态、地层孔隙压力、有效应力系数和岩石的强度参数,便可求出地层坍塌压力和地层破裂压力。原地应力状态是指在钻井之前地下岩石所具有的初始应力状态。一般认为,它的三个主应力分量分别为上覆岩层压力(即垂直主应力)、最大水平主应力和最小水平主应力。上覆岩层压力可由密度测井曲线求得。地层岩图1水力压裂试验曲线这样,由式(7)和(8)可求出地层的构造应力系数,即Ρh1-ΑPpΛ(11)A=Ρv-ΑPp-1-ΛΛB=Ρh2-ΑPp-石的密度随深度变化而变化,度的函数,即Ρv=gh∫Θdh故上覆岩层压力是