確保大位移井穩(wěn)定性的分析、實踐及控制措施

編譯:宋占勝 (大慶油田第五采油廠工程技術大隊)

審校:何繼鋒 (大慶油田第五采油廠工程技術大隊)

確保大位移井穩(wěn)定性的分析、實踐及控制措施

編譯:宋占勝 (大慶油田第五采油廠工程技術大隊)

審校:何繼鋒 (大慶油田第五采油廠工程技術大隊)

大位移鉆井 (ERD)的鉆進長度變得更具有挑戰(zhàn)性時,井壁穩(wěn)定性保障技術 (無論是在前期準備階段還是實施階段)也以同步的速度在向前發(fā)展。在與地層成高角度鉆進過程中井眼周圍巖石崩落的理論認識和預測能力上的新進展,解決了在復雜地質條件下遇到的問題。鉆進過程中把新的理論認識結合到了實時診斷和監(jiān)測措施之中,為在復雜地質條件下鉆進大位移裸眼井的穩(wěn)定性提供了技術保障。

大位移井 井壁穩(wěn)定性 預測能力

1 簡介

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被擱置。通過對這些問題的調(diào)查研究,突出了井眼穩(wěn)定性預測、鉆井液優(yōu)化、液壓傳遞、巖屑攜帶、操作實踐和隨鉆壓力測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尺已經(jīng)有了穩(wěn)步的進展。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,或者應用在環(huán)境保護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。目前對與地層成高角度鉆進過程中井眼穩(wěn)定性問題有了新的認積和預測能力。

2 大位移井的井壁不穩(wěn)定問題

與常規(guī)高角度井鉆進過程相比,在鉆大位移井時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。在這些實例中對孔隙壓力、破裂壓力梯度和地層應力僅進行簡單的測定是不夠的。為了準確地估測出孔隙壓力和破裂壓力梯度,必須考慮水深變化量。當大位移井要通過海底陡坡鉆遇海底油氣藏時,在鉆井設計過程中要考慮的一個重要方面是大位移井長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。如果在鉆井設計階段沒有考慮到該效應,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,應力狀態(tài)的2 D或3 D有限元的預測可以證明。

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

為了在穿越隔層后依然能保持預定的井眼尺寸,在大位移鉆井過程中,井眼段穿越上覆巖層的長度將要大于鉆同等深度的直井穿越上覆巖層的長度。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、鉆井液中的時間會更長。這一情況的結果是增加了許多時變性效應的敏感性。當連接鉆桿或鉆桿接觸井壁時,將會使更長的井眼段地層暴露在多個壓力波動之下。

人們認識到裸露的地層和水基鉆井液之間潛在的化學/機械作用。然而,對于大位移井鉆進過程來說,在沒有達到動態(tài)平衡之前,設計使用合成的油基鉆井液依然會發(fā)生不利的滲透現(xiàn)象。水相間存在的潛在的電勢會產(chǎn)生滲透流,不同相之間的接觸不需要存在電勢就會產(chǎn)生滲透流。

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

圖1 北海大位移鉆井方位密度測井成像顯示的時延非穩(wěn)定性

3 井壁穩(wěn)定性預測

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

對于阿拉斯加Niakuk油田的易剝裂頁巖層,在最不理想的與層理所成角 (θ=60°)時的強度只是垂直層理方向強度的10%～40%。甚至在與層理平行的測試,強度也會降到垂直層理方向強度的40%～90%。

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

圖2 井眼平行于層理的厚壁圓柱體形Jurassic Draupne頁巖測試時平行層理方向的井壁巖石崩落機理的電子顯微鏡掃描圖片

3.1 頁巖崩落的正交各向異性強度和單層脆弱面模型

PierreⅠ頁巖強度的變化幅度與其他頁巖不同。在以一個相對較小的層理角度對比PierreⅠ頁巖與其他頁巖時,會發(fā)現(xiàn)直到層理角接近45°時PierreⅠ頁巖幾乎一直保持恒定的強度,此時的強度(45°角)只有正交或水平方向的60%左右。

層理強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

在假設正交各向異性強度或單層層理脆弱程度的條件下,可以對井壁穩(wěn)定性進行預測。當井眼軌跡與平行層理方向間的夾角小于30°時,無論在什么條件下都需要對井壁穩(wěn)定性進行預測。經(jīng)驗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也不易發(fā)生井眼不穩(wěn)定。然而在復雜的地質陡峭傾斜床基條件下,即使是只有些許斜度的井都會被鉆成平行于層理方向的井。

在正交各向異性強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]正交各向異性強度時,層理變化可以進行經(jīng)驗性定義(如用實驗數(shù)據(jù)曲線回歸分析法)或分析性解釋。

4 實時技術

對井壁穩(wěn)定性預測的關鍵信息是那些用來校正或預測未知參數(shù)值的井眼質量指標,特別是最大水平應力的數(shù)值和方向。通?？衫玫木圪|量信息一般都在井眼成像測井數(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。

當這些影像工具用于量化處理時,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。不能像超聲波測井成像儀那樣直接測量井眼表面,密度測井只能獲得地表下很淺距離之內(nèi)的影像,所以,用方位密度測井放大的地層參數(shù)正弦波解釋地層傾角時一定要謹慎。

5 實時數(shù)據(jù)應用

聲速是任一實時鉆井操作評估技術的關鍵輸入?yún)?shù)。在對孔隙壓力、破裂壓力梯度和強度進行預測時需要使用聲速參數(shù)。當用帶地層壓力、強度、模量等修正參數(shù)的聲波測井儀測井時,認識到這些修正參數(shù)是通過對頁巖垂直方向上縱波的測量所得到的,這很重要。所以,當聲波測井應用這些修正值進行鉆前研究時,對垂直錯斷的井應該首先選擇聲波測井。

頁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,同時二者的強度也不一樣。在頁巖中,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,當從實時井壁穩(wěn)定性分析中推算層理性質時,用聲波測井技術進行測井時一定要謹慎。

由于巖石的強度對預測鉆井液密度的準確程度有較大的影響,因而在高角度井中波速的變化對預測結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重大的遺漏。如果不是在鉆井設計中較早地認識到該效應,那么預測鉆井液密度的實質是沒有意義的。由于設計海上實時鉆井時必須對波速各向異性進行一些修正,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)定性的最大風險在于鉆前對層理脫落的崩落方式的預測。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行鉆井時,這種形式的井壁不穩(wěn)定問題才會變得相當嚴重。

在沒有對易脫落頁巖進行鉆前穩(wěn)定性測定的情況下,高角度井的鉆進可能會出現(xiàn)問題,前期對井壁不穩(wěn)定性變化情況的實時監(jiān)測是非常重要的。雖然實時傳送的圖像質量沒有那些記憶性測井工具所測得的那樣好,但圖1的例子表明這種實時監(jiān)測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展,并且在商業(yè)鉆井應用中的測試獲得了成功。將來,智能鉆桿和現(xiàn)有隨鉆測量工具的組合會使井眼圖像實時、高質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)測和診斷技術出現(xiàn)一個階段性的進步。

6.1 底部鉆具總成的設計

為了避免井眼堵塞造成底部鉆具總成遇卡,鉆具總成的結構應盡可能地簡單并且長度盡可能地短。首選的是旋轉鉆具總成。從機械學的觀點來看,如此設計會與采集隨鉆測井信息進行地質導向和判斷不穩(wěn)定因素位置和種類發(fā)生沖突。

6.2 凈化井眼

當有大塊的破碎落石從井壁上掉下時,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大了的井眼部位。隨著鉆井的不斷實踐,隨鉆壓力實時監(jiān)測儀和其他隨鉆監(jiān)測儀 (如扭矩儀器、拉力儀器、振動儀器等)都有了相應的改進,并且已經(jīng)取得了一定的效果。

6.3 擴眼和上提

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

6.4 分析和監(jiān)測坍塌落石

在不穩(wěn)定的井壁條件下,建議監(jiān)測發(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。結合實時監(jiān)測圖像對井壁坍塌進行分析,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)井壁側向剪切失敗導致的帶棱角巖屑時,鑒定與層理不穩(wěn)定性相關的塊狀或層狀巖屑的產(chǎn)狀是很重要的。

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

資料來源于美國《J PT》2007年7月

2008-12-08)