深水高溫高壓井測試期間井壁穩(wěn)定性分析方法研究

張玉亭+周建良+何玉發(fā)+許亮斌+袁俊亮

摘 要：隨著我國海洋油氣勘探開發(fā)逐步邁向深水，常規(guī)淺水測試工程設(shè)計(jì)技術(shù)方法在深水領(lǐng)域的局限性逐漸暴露出來，文章分析了目前深水測試作業(yè)常用的井壁穩(wěn)定性分析方法，對(duì)比了深水測試作業(yè)與鉆完井作業(yè)井眼穩(wěn)定性分析的區(qū)別，分析推薦了適用于深水測試作業(yè)的井壁穩(wěn)定性分析方法及相關(guān)參數(shù)確定方法，并研究了深水高溫高壓環(huán)境對(duì)測試期間井壁穩(wěn)定性的影響，取得了一定的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：測試工程；井壁穩(wěn)定性分析；深水；高溫高壓；規(guī)律分析

中圖分類號(hào)：TE21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0005-03

1 簡介

隨著荔灣3-1和陵水17-2等一系列重大油氣項(xiàng)目的實(shí)施，我國逐步加快了南海深水空白區(qū)塊的油氣勘探開發(fā)步伐。然而，南海西部深水高溫高壓油氣藏條件對(duì)我國當(dāng)前的海洋深水鉆完井測試工程技術(shù)體系提出了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

測試期間的井壁穩(wěn)定性分析主要服務(wù)于測試期間完井方式的選擇，如井壁穩(wěn)定性分析認(rèn)為測試期間井壁有可能垮塌，則必須采取具有井壁支撐功能的完井方式，如獨(dú)立篩管完井或者礫石充填完井等。我國海上測試作業(yè)期間的井壁穩(wěn)定性分析一般沿用開發(fā)井完井的地層出砂預(yù)測分析方法，如現(xiàn)場觀測法、經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)法等。

其中，經(jīng)驗(yàn)公式法最為常用，我國南海東部和西部絕大多數(shù)淺水和深水測試井在測試工程設(shè)計(jì)階段都采用了經(jīng)驗(yàn)公式法中的單軸抗壓強(qiáng)度法（也是目前我國海上油氣田完井設(shè)計(jì)

中的常用方法）作為測試期間的井壁穩(wěn)定性分析方法，如式（1）所示[1]。

單軸抗壓強(qiáng)度法是Shell公司根據(jù)大量已鉆井?dāng)?shù)據(jù)總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于附近有大量鄰井存在的區(qū)域，應(yīng)用效果良好。該方法成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定，然而，我國深水油氣勘探開發(fā)剛剛起步，深水井的鉆井?dāng)?shù)量極其有限，南海絕大部分深水區(qū)域都沒有進(jìn)行過鉆井作業(yè)[2]，在這些區(qū)域應(yīng)用單軸抗壓強(qiáng)度法就會(huì)存在無鄰井信息確定和校核經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的問題。另外，單軸抗壓強(qiáng)度法是針對(duì)地層出砂問題提出的經(jīng)驗(yàn)公式方法，主要目標(biāo)地層為砂巖地層，對(duì)于碳酸鹽巖地層的適用性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，我國南海流花4-1和流花11-1三井區(qū)就存在一些礁灰?guī)r儲(chǔ)層。

2 適用于測試工況的井壁穩(wěn)定性分析方法

測試作業(yè)是在鉆井作業(yè)結(jié)束之后針對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)量和產(chǎn)能而開展的測試工作，主要是通過控制地層流體放噴求得所需信息和數(shù)據(jù)。本文針對(duì)從未開發(fā)的偏遠(yuǎn)區(qū)塊開發(fā)分析對(duì)比了探井鉆井、評(píng)價(jià)井測試以及生產(chǎn)井完井期間井壁穩(wěn)定性分析研究可利用數(shù)據(jù)以及根據(jù)工況特點(diǎn)需要考慮因素的不同，如表1所示，認(rèn)為目前測試期間井壁穩(wěn)定性分析常用的單軸抗壓強(qiáng)度法就會(huì)存在無鄰井信息確定和校核經(jīng)驗(yàn)系數(shù)校驗(yàn)方面的問題，并推薦了如下的測試期間井壁穩(wěn)定性分析方法。

分析表1發(fā)現(xiàn)，由于測試期間流體的流動(dòng)方向?yàn)橛傻貙恿飨蚓?，因此，測試期間井筒發(fā)生破壞的形式主要應(yīng)為剪切破壞，本文推薦測試期間井壁穩(wěn)定性分析方法采用庫倫摩爾剪切破壞模型，如式（2）所示。

該模型在鉆井井壁穩(wěn)定和完井出砂預(yù)測方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素有兩個(gè)：（1）井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析；（2）模型參數(shù)選擇。下面詳細(xì)介紹上述兩項(xiàng)內(nèi)容的確定方法。

2.1 井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)

關(guān)于井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)的計(jì)算已經(jīng)相當(dāng)成熟，有很多研究成果，其中，任意井斜角方位角下的井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)如式（3）所示[3]：

2.2模型參數(shù)選擇

由于測試作業(yè)前一般都已取得了大量的探井?dāng)?shù)據(jù)資料，因此可充分利用實(shí)鉆資料精確確定式（2）和（3）中的各類參數(shù)。

（1）利用鉆井期間的地層漏失試驗(yàn)（LOT測試）或者地層完整性測試（FIT）數(shù)據(jù)得到較為準(zhǔn)確的地應(yīng)力數(shù)據(jù)（H，h）[3]，利用測井資料（密度測井和聲波測井?dāng)?shù)據(jù)）可得到深水條件下的上覆巖層壓力（V）[4]。（2）利用鉆井期間的關(guān)井立管壓力可以求得地層孔隙壓力（Pp）。（3）利用鉆井取心可以通過室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到巖石的力學(xué)參數(shù)（E、U、和C），進(jìn)而可得到地層有效應(yīng)力系數(shù)。（4）結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)儲(chǔ)層段的各類參數(shù)求取。（5）根據(jù)鉆井資料，可得到目標(biāo)井眼實(shí)際的井斜角和方位角。

因此，測試期間井眼的井壁穩(wěn)定性分析的一般步驟為：首先，收集目標(biāo)井的鉆井?dāng)?shù)據(jù)、測井資料以及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后，利用式（3）和（4）求取井壁處的主應(yīng)力狀態(tài)；最后，將主應(yīng)力數(shù)據(jù)代入式（2），判斷特定工況下井壁是否發(fā)生破壞，同時(shí)，也可求得井壁失穩(wěn)的臨界生產(chǎn)壓差。

3 模型驗(yàn)證及應(yīng)用

利用本文推薦測試期間井壁穩(wěn)定分析方法，采用荔灣3-1深水氣田某井的相關(guān)作業(yè)和科研資料，計(jì)算了荔灣3-1氣田某井的臨界出砂生產(chǎn)壓差，并與中國石油大學(xué)（北京）利用全尺寸巖心取得的室內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)[1]進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示。

與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于有可靠的實(shí)鉆數(shù)據(jù)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，該方法計(jì)算結(jié)果精度在10%以內(nèi)，與文獻(xiàn)[1]中經(jīng)過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)校正得到的結(jié)果比較接近，完全能夠滿足工程需要。但是，與文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)方法相比，使用本文推薦的方法不需要進(jìn)行全尺寸巖心實(shí)驗(yàn)，能夠節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。

4 深水高溫高壓環(huán)境的影響

深水高溫高壓環(huán)境對(duì)測試作業(yè)期間的井壁穩(wěn)定性分析的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）水深。與陸上和淺水（水深小于300m）地層相比，深水環(huán)境下（水深300m以上）淺部地層成巖作用較差，而且一般沒有密度測井?dāng)?shù)據(jù)，因此，在計(jì)算儲(chǔ)層上覆巖層壓力時(shí)，深水淺部地層的密度計(jì)算與淺水和陸地存在一定區(qū)別，譚強(qiáng)等提出了深水條件下的上覆巖層壓力計(jì)算方法[4]，應(yīng)用效果較好，建議予以采用。

（2）高溫。溫度對(duì)于巖石的強(qiáng)度和力學(xué)特性參數(shù)是有一定影響的，吳忠等開展了砂巖在高溫狀態(tài)下的力學(xué)特征實(shí)驗(yàn)研究[5]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在25-200℃的實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測得的砂巖巖樣的彈性模量隨實(shí)驗(yàn)溫度的升高而降低，降幅在25%以內(nèi)；變形模量隨實(shí)驗(yàn)溫度的升高而略有降低，降幅在5%以內(nèi)；單軸抗壓強(qiáng)度隨實(shí)驗(yàn)溫度的升高而降低，降幅在5%以內(nèi)，如圖1和2所示。endprint

結(jié)合巖石彈性力學(xué)參數(shù)之間的相互關(guān)系，本文模擬常規(guī)疏松砂巖巖石力學(xué)特性，研究了儲(chǔ)層段井壁失穩(wěn)時(shí)臨界生產(chǎn)壓差隨溫度的變化規(guī)律，如圖3所示。

由圖3可知，在其他地層條件不變的情況下，在25-200℃范圍內(nèi)，儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)時(shí)的臨界生產(chǎn)壓差隨溫度的升高而降低，降幅在20%左右，不可忽略。

對(duì)于高溫儲(chǔ)層，由于測試期間，流體由地層流入井筒，因此，可認(rèn)為儲(chǔ)層段的井壁處溫度為地層溫度，儲(chǔ)層處于高溫狀態(tài)，考慮到儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性的區(qū)域差異，因此，建議在進(jìn)行室內(nèi)巖心力學(xué)性質(zhì)研究的時(shí)候，開展高溫條件下的室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)，或者開展室溫條件下的巖心實(shí)驗(yàn)，然后將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高溫下的巖石力學(xué)參數(shù)。

（3）高壓。高壓指的是高地層孔隙壓力，本文模擬常規(guī)疏松砂巖巖石力學(xué)特性，研究了地層孔隙壓力對(duì)儲(chǔ)層段井壁失穩(wěn)時(shí)臨界生產(chǎn)壓差的影響，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)在其他地層條件不變的情況下，儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)時(shí)的臨界生產(chǎn)壓差隨地層孔隙壓力的升高而升高，說明高的地層孔隙壓力有利于測試期間的井壁穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

（1）本文分析了目前海上測試期間井壁穩(wěn)定性分析方法

的特點(diǎn)，并指出了其在偏遠(yuǎn)深水區(qū)塊應(yīng)用的局限性。結(jié)合深水測試期間的工況特點(diǎn)以及可用數(shù)據(jù)，推薦了深水測試作業(yè)期間井壁穩(wěn)定性分析方法，給出了具體參數(shù)的確定方法，并用實(shí)例驗(yàn)證了其適用性。（2）分析了地層高溫對(duì)測試期間井壁穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)地層溫度越高，相同條件下，臨界生產(chǎn)壓差越低，且降幅較大，因此，對(duì)于高溫測試井的井壁穩(wěn)定性分析推薦采用高溫條件下的巖石力學(xué)特征參數(shù)。（3）分析了高壓對(duì)測試期間井壁穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)在其他地層條件不變的情況下，臨界生產(chǎn)壓差隨地層孔隙壓力的升高而升高，說明高的地層孔隙壓力有利于測試期間的井壁穩(wěn)定。

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