窄密度窗口鉆穿巖層的方法

1、.窄密度窗口中鉆穿巖層的方法SPE 94769摘要一般說來，造成井壁穩(wěn)定性的主要問題是頁巖。個別關(guān)鍵的鉆井模式通常由深水或淺水覆蓋組成。典型的超深水油氣田在巴西。此種模式的特點(diǎn)是較高的孔隙流壓，較低的壓力梯度和較窄的壓力密度窗口。為了在這些條件下鉆井，有必要制定一定的方法來增大泥漿密度窗口。在本文中，我們論證了通過簡單地改變鉆井液流壓和含鹽濃度來增大泥漿密度窗口的可行性。為了評估井壁周圍塑性區(qū)域的大小，我們根據(jù)鉆井液流壓、含鹽濃度以及巖層曝露在鉆井液中的時間建立了一個強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件程序。泥漿密度的最終寬度將取決于設(shè)計(jì)所能允許的底層損害區(qū)域的大小。前言由于鉆井技術(shù)的發(fā)展，在過去的十年里，井壁穩(wěn)

2、定性問題在石油工業(yè)中備受關(guān)注。此外，眾所周知，井壁穩(wěn)定性問題主要在頁巖地層中遇見，因?yàn)轫搸r在全國范圍內(nèi)代表了3/4的層積巖。為了獲得更多的頁巖與鉆井液間復(fù)雜關(guān)系的相互作用的認(rèn)識，并推論出其不穩(wěn)定規(guī)律，已經(jīng)有幾個相關(guān)研究相繼發(fā)展起來。這些研究包括室內(nèi)試驗(yàn)，理論推導(dǎo)和現(xiàn)場運(yùn)用幾個部分。頁巖在鉆進(jìn)過程中的性能狀態(tài)是一個復(fù)雜的現(xiàn)象，它受到機(jī)械的、液力的、化學(xué)的以及溫度梯度的影響。盡管大量的研究已經(jīng)計(jì)算出了這些數(shù)據(jù)，然而頁巖的性能狀態(tài)任然沒有被納入日常的鉆井實(shí)踐之中。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明頁巖表現(xiàn)出滲透膜的性狀，即當(dāng)接觸溶液溶解度不同時，他們之間的孔隙流體便會產(chǎn)生滲透壓力。因此，為了改善井壁穩(wěn)定性，頁巖的此種性能

3、被廣泛學(xué)習(xí)。另一方面，由于頁巖與鉆井液間的力學(xué)作用，特別是化學(xué)效應(yīng)。數(shù)學(xué)模型的發(fā)展已經(jīng)能夠定量孔隙壓力和井壁周圍應(yīng)力分布。最初，簡單的數(shù)學(xué)模型的提出，表明滲透壓力增加井筒周圍應(yīng)力分布和彈性模量。然而，這種模型使得評價井壁穩(wěn)定性過于簡單化，因?yàn)樗麄儾荒芪呛腺|(zhì)量守恒方程，并且也不能作為一種完美的離子隔離膜。頁巖就表現(xiàn)出較弱的滲透性。此外，由于頁巖井壁穩(wěn)定性的瞬變特性，提出了包含化學(xué)效應(yīng)的畢奧模型。有些基于熱力學(xué)理論，其他的則基于流體動力學(xué)理論。最近的一個分級到最小級別結(jié)果的模型顯示出了重要規(guī)律?；诜€(wěn)定性考慮，把較低的垮塌壓力以及較高的破裂壓力作為定義為安全密度窗口的重要依據(jù)。為了避免盡量減少鉆井

4、過程中的不穩(wěn)定問題，泥漿壓力必須保持在這種安全密度窗口之內(nèi)。傳統(tǒng)的確定垮塌壓力和破裂壓力的方法手段是進(jìn)行對井壁穩(wěn)定性的分析。安全泥漿壓力是通過比較計(jì)算應(yīng)力與巖石強(qiáng)度（抗壓和抗拉強(qiáng)度）的關(guān)系來確定的。但是在鉆穿薄弱地層的時候，這一情況將會壓縮泥漿密度窗口。這種情況常見于深水鉆井情況中，其發(fā)生漏失的風(fēng)險也很高。因此，應(yīng)當(dāng)盡可能地用低密度的泥漿來鉆井。此外，在某些條件下，最初的井壁損害并不意味著實(shí)際的問題，但是應(yīng)當(dāng)保證受到損害的區(qū)域應(yīng)該在控制范圍之內(nèi)。井壁垮塌與鉆進(jìn)行為井壁垮塌是一種壓裂破壞，在應(yīng)力集中、鉆井影響、超過巖石強(qiáng)度和屈服點(diǎn)的情況下時有發(fā)生。這種現(xiàn)象就是所謂的產(chǎn)生的突發(fā)情況。在較高的泥漿壓

5、力或者較低的泥漿壓力情況下，井壁垮塌現(xiàn)象都有可能發(fā)生。在第一種情況下造成垮塌的風(fēng)險是非常高的。正因如此，便不提倡采用提高鉆井液密壓力的方法來經(jīng)驗(yàn)附近高產(chǎn)區(qū)。因此，這唯一的控制井壁垮塌發(fā)生的安全方法是降低鉆井液壓力。地下孔隙（比如隧道和鉆孔）周圍失效區(qū)的影響在過去備受關(guān)注。該結(jié)論是允許適量垮塌是可以提高井壁穩(wěn)定性的（超過30%），這使得垮塌區(qū)域面積得到了控制。除了夸大泥漿密度窗口外，在井壁垮塌控制模式下還能夠產(chǎn)生額外的優(yōu)勢：1、提高機(jī)械鉆進(jìn)速度；2、降低地層壓裂風(fēng)險；3、降低儲層損害風(fēng)險。為了改善鉆井過程中對井壁垮塌的管理，某些方法提出了一些定量井壁附近損害區(qū)域大小的方法。其中的一個方法便是通過

6、運(yùn)用塑性區(qū)域應(yīng)力分布情況來評估井壁周圍彈性區(qū)域半徑。然而，此種方法僅能用于井壁附近各項(xiàng)應(yīng)力均相同的鉆井情況中。另一種方法是評估井壁坍塌區(qū)域的孔徑角。然而，他們都不能定量地求出產(chǎn)區(qū)的大小。井塌控制方法如上文所述，可以通過鉆進(jìn)中超出的地層破裂壓力來擴(kuò)大泥漿密度窗口。為了更好地控制壓差，把評估井眼附近區(qū)域的大小作為判斷鉆井壓力的方法是非常重要的，如圖一所示。起初，用幾何元素網(wǎng)組來評估井眼附近區(qū)域大小，如圖二所示。然而，巖石的損害準(zhǔn)則在每一個拐角處可得到證實(shí)。在本文，運(yùn)用了莫爾庫倫損害準(zhǔn)則。定義方程一中所示的一個產(chǎn)量因素用于確定已經(jīng)達(dá)到的損害點(diǎn)：YF>1.如果所有給定元素的拐點(diǎn)都滿足標(biāo)準(zhǔn)，可通過

7、插值法來取得元區(qū)域，最后通過計(jì)算各元素的區(qū)域便可以取得總的區(qū)域面積。YF=（已知剪切應(yīng)力）（剪切強(qiáng)度） （1）只要確定了垮塌區(qū)域，按照以下步驟操作便可以得到擴(kuò)大的泥漿密度窗口：1、 將井筒壓力假定為零；2、 之后從0°直至180°，依次確定哪些點(diǎn)滿足損害準(zhǔn)則；3、 如果YF>1不成立，則低泥漿密度時的垮塌壓力為Plc=0；4、 如果YF>1至少發(fā)生一次，則Plc>Pw，然后計(jì)算并重復(fù)第三步；5、 如果YF=1，則Plc=Pw；6、 在pw條件下計(jì)算損害區(qū)域Ay；7、 如果Ay<As,則重復(fù)第六步；8、 最后，當(dāng)Ay=As成立時，用收斂法計(jì)算Piw與P

8、 i-1w之間的壓力Pw；注意此方法適用于任何模型（彈性、孔隙或塑彈性）以及任何損害準(zhǔn)則來計(jì)算井壁附近應(yīng)力。由于文中采用的是推導(dǎo)法，所以計(jì)算求出的區(qū)域只是一個近似值。鉆井過程中頁巖的性能起因于鉆前巖石中壓力和孔隙壓力的重新分布的井眼周圍壓力狀態(tài)是非常重要的，因?yàn)榇蟮钠顣斐删哺浇膿p害。因?yàn)榫蹞p害發(fā)生在低有效應(yīng)力的情況下，所以確保巖石中孔隙壓力于控制之中是非常必要的。這可以通過控制鉆井液滲透率或孔隙壓力的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)。如果頁巖是低滲透巖石，就少有鉆井流體浸透，因此，對于孔隙壓力擴(kuò)散來說，有必要使用高壓流體（如油基鉆井液）或使用高含鹽濃度的水基鉆井液。因此，讓鉆井液與巖石孔隙流體充分混合，以

9、使依賴于時間變化的孔隙壓力得以充分?jǐn)U散。過平衡條件下，孔隙壓力擴(kuò)散將從井眼到巖層，孔隙壓力增加，而有效應(yīng)力降低。在此情況下，在鉆井結(jié)束的早期，安全泥漿密度將隨著時間推移變得不再安全，甚至在非滲透條件下鉆井時，如果應(yīng)力偏移產(chǎn)生，由于孔隙性的影響，這里將不會有剩余壓力產(chǎn)生。由此可知，孔隙性在鉆穿巖層的過程中扮演了非常重要的角色。此外，頁巖的低滲透性能使得其擴(kuò)散過程比平流過程更快。因?yàn)橥ǔｃ@井液的含鹽濃度以及巖石的溫度是不一樣的，他們將額外地增加鉆井液和巖石的附加力，這一點(diǎn)是非常重要的。因此，井筒附近的孔隙壓力改變時綜合了機(jī)械的、水力的、化學(xué)的以及溫度函數(shù)。前兩個勢能被視為孔隙彈性理論的范圍。為了結(jié)

10、合后兩種因素，一些研究便應(yīng)運(yùn)而生。然而，沒有一個理論把化學(xué)和溫度的影響都結(jié)合起來。本文介紹了一種分析化學(xué)效應(yīng)的與孔隙影響的方法。盡管溫度對于頁巖中井眼的穩(wěn)定性影響很大，但是這方面將在以后討論。它將結(jié)合熱化學(xué)孔隙公式來研究頁巖的穩(wěn)定性?；瘜W(xué)孔隙方程接下來，我們先提出控制方程來模擬孔隙壓力和化學(xué)能在井筒周圍的分析情況。方程：使用孔隙線性彈性的化學(xué)活性多孔飽和介質(zhì)的應(yīng)力和孔隙公式，可以有入校描述：ij=2Geij+(2G)ije/(1-2)-ijP (2)P=-2GB(1+) e/(3-6)+2GB2(1-2)(1+)2/9(-)(1-2) (3)在上述公式中，ij和eij表示總壓力和應(yīng)力張量，e表

11、示容積變量，P表示孔隙壓力，ij表示羅內(nèi)克符號，表示流體的含量增加，還有基本常數(shù)：剪切模量G，排驅(qū)和非排驅(qū)泊松比和，以及Skempton的孔隙泊松效應(yīng)B，變量是畢奧系數(shù)。通過本文中的符號法則來假定拉應(yīng)力是成立的。溶質(zhì)和流體通過頁巖的運(yùn)移用以下方程表示：Js = -D(1-)C (4)Jf = -k(P-(RTdC)/Ms)/ (5)這些方程中的專業(yè)術(shù)語是：=流體密度，D=擴(kuò)散系數(shù)，=反射系數(shù)，C=溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，k =原滲透率，=動態(tài)粘度，R=氣體常數(shù)，T=溫度，Ms =溶質(zhì)摩爾質(zhì)量，d=溶質(zhì)分離因素。這些方程歸納為艾菲克定理和大西定律。此外，方程（4）中溶質(zhì)通量只受到擴(kuò)散影響，這種假定是有效的

12、低滲透巖。流場方程：在頁巖中完整地描述化學(xué)孔隙性過程還必須要考慮平衡方程，機(jī)械的平衡狀態(tài)：ij，j=0 （6）同樣需要流體流量和溶質(zhì)流量的守恒方程：/t+jf = 0 (7)nPC/t+js = 0 (8)聯(lián)合方程2,4,5,6,7,8,可得出如下方程組：G2i+Gei/(1-2)- 2GB(1+) j/(3-6) = 0 (9)/t = k(2P-(RTd2C)/Ms)/ (10)C/t = D(1-) 2C/n (11) 這套方程組是解決屈服壓力、孔隙壓力、溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方案。根據(jù)線性方程組，該問題被分為了三個問題：（i）孔隙平面應(yīng)變問題，（ii）彈性單向應(yīng)力問題和（iii）反平面剪切問題

13、。之后，可以通過疊加獲得最終的解決方案。多孔彈性平面應(yīng)變解決拉普拉斯空間問題，其結(jié)果是用Stehfest算法將其轉(zhuǎn)換回時間域。選例為了應(yīng)用此概念來改變安全窗口的寬度，將傾斜角為14.4度，井深1800米的海洋環(huán)境井眼作為參考選例。它的遠(yuǎn)場應(yīng)力梯度v=0.015MPa/m，H=h=0.013MPa/m。要達(dá)到目的層位，下至3270m垂深就必須穿透100m （從2100到3200m）的壓實(shí)泥頁巖層。此泥巖層不允許泥餅形成，因此，就要求鉆井液與巖層孔隙壓力進(jìn)行充分的接觸，建立起良好的滲透條件?？紫秹毫εc上覆壓力梯度的漸變情況如圖三所示?？紤]以下幾個情況進(jìn)行分析：流體穿透條件的彈性模型，現(xiàn)在允許開發(fā)所

14、選產(chǎn)區(qū)；流體穿透條件的孔隙模型，允許開發(fā)所選區(qū)域；化學(xué)孔隙模型穿透所取區(qū)域的控制條件?？紤]彈性模型的井壁穩(wěn)定性結(jié)果如圖四所示，并注意到以確定的安全密度窗口相當(dāng)狹窄或者不存在。這些結(jié)果表明鉆井作業(yè)過程中可能存在一些不穩(wěn)定的情況。為了增大密度窗口，需要對泥漿壓力情況進(jìn)行分析。這個分析可以幫助研究井壁垮塌的發(fā)生是否會導(dǎo)致井眼的危險情況。盡管獲得的泥漿密度窗口現(xiàn)在看起來比較理想了，但是分析依賴于時間變化的泥漿壓力侵入泥巖的情況還是很重要的。隨著孔隙壓力的增加，需要更高的泥漿密度以確保取值區(qū)域與原始狀況一致。圖八顯示的是減小安全泥漿密度窗口一天后的情況。因此，如果泥漿重量不增加，那么取得區(qū)域的增長是可以

15、預(yù)測的。為了控制產(chǎn)區(qū)的開發(fā)，有可能利用頁巖和鉆井液鹽度的差異化學(xué)反應(yīng)。通過在鉆井液中添加適當(dāng)?shù)娜苜|(zhì)，極可能會產(chǎn)生滲透壓，減慢泥頁巖的壓力侵害，在表一中列出的頁巖鉆井液屬性必須體現(xiàn)這些效果。這些屬性均可以確定，正如穆尼斯所述。圖九顯示在鉆井結(jié)束一天后考慮了化學(xué)效應(yīng)的安全密度窗口?？梢杂^察到，安全密度窗口返回到了一個非常理想的情況。顯然，隨著時間的推移，化學(xué)效應(yīng)可以起到提高控制泥漿密度窗口的作用。本章小結(jié)本文提出了通過泥漿密度來評估井眼周圍產(chǎn)區(qū)開發(fā)情況的方法。該方法允許選取足夠的產(chǎn)區(qū)，并通過計(jì)算來確定泥漿密度。換句話說，安全泥漿密度窗口的擴(kuò)大需要減小泥漿重量。為了延長在鉆穿泥頁巖層時運(yùn)用該方法的優(yōu)

16、勢，在操作中運(yùn)用了化學(xué)孔隙性方案來進(jìn)行分析。為了論證該方法的可行性還進(jìn)行了頁巖斜井井眼穩(wěn)定性分析。最初，在滲透條件下，在井眼周圍用彈性模型進(jìn)行了簡單的穩(wěn)定性分析。正如材料所述，泥漿密度窗口非常狹窄。之后，有進(jìn)行了進(jìn)一步分析。結(jié)果顯示降低泥漿壓力差至1ppg便可以預(yù)測到該破裂將產(chǎn)生15%的壓裂區(qū)域。這個值被視為最初壓裂區(qū)域值，并且最終得到了擴(kuò)大的泥漿密度。因?yàn)闈B透條件下的彈性模型只代表穩(wěn)定狀態(tài)下的壓力分布，即結(jié)果表示鉆井結(jié)束后較長時間的情況。因此，為了表示鉆井后正確的壓力分布，提出了彈性模量方案。鉆井后短時間內(nèi)由于彈性模量的影響導(dǎo)致其產(chǎn)生非常寬的泥漿密度窗口。隨著時間的推移，孔隙壓力的分布將隨著

17、井壁的穩(wěn)定條件而改變。為了研究這種情況，提出了一種考慮鉆井一天后的情況的分析方案。結(jié)果表明泥漿密度窗口顯著地收窄了。事實(shí)上，由于壓力侵入泥頁巖，為了維持原始的泥漿壓力就不得不增大泥漿密度。為了研究包括化學(xué)效應(yīng)在內(nèi)的因素對井壁穩(wěn)定性能的影響，提出了化學(xué)孔隙模型，并且顯示出了顯著地成效。在鉆井結(jié)束一天后，泥漿壓力要維持破裂初的壓力值就需要一個非常接近的壓力值?？偟膩碚f，僅通過一方面來考慮泥漿井壁的破裂情況而定義井壁的穩(wěn)定性是太過于保守的。因此，當(dāng)在窄密度窗口的環(huán)境里鉆井時，強(qiáng)烈建議評估井壁附近的破裂區(qū)的影響。此外，必須正確地運(yùn)用泥頁巖井眼穩(wěn)定模型來分析孔隙彈性的影響。再者，聯(lián)合應(yīng)用化學(xué)效應(yīng)來進(jìn)行分

18、析也是一種非常有用的提高井眼穩(wěn)定性的控制方法。專業(yè)術(shù)語：YF = 屈服系數(shù) ij = 總應(yīng)力 eij = 應(yīng)變張量 e = 體積應(yīng)變 G = 剪切模量 V = 排驅(qū)泊松比 = 克羅克符號 = 畢奧系數(shù) P = 孔隙壓力 B = Skempton 系數(shù) = 流體增量 js = 溶質(zhì)質(zhì)通量 jf = 流體質(zhì)通量 D = 溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù) = 反射系數(shù) C = 溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù) K=初始滲透率 = 動粘切 R = 氣體常數(shù) T = 溫度 ms = 溶質(zhì)摩爾質(zhì)量 d = 溶質(zhì)分離因數(shù) n = 孔隙度類型結(jié)果滲透率, k1.0 × 10-5mD溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù), D2.0 × 10-9 m2/s鉆井液溶質(zhì)濃度, Cm S0.2 (w/w)泥頁巖溶質(zhì)濃度, Cssh0.1 (w/w)反射系數(shù)，0.1摩爾溶質(zhì)質(zhì)量, M s0.0585 Kg/mol溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù), d1.864溫度, T80 ºC表一：化學(xué)孔隙彈性參數(shù) 圖三：孔隙壓力和上覆巖 層梯度 圖二：網(wǎng)格計(jì)算的井眼周圍垮塌區(qū)域 圖一：垮塌區(qū)預(yù)測井眼壓力:圖四：方案1所得結(jié)果：低泥漿壓力垮塌曲線（亮綠），高泥漿壓力垮塌曲線（粉色），破裂壓力線（黑色）圖五：產(chǎn)區(qū)與鉆井液密度、彈性模量及滲透條件的比較圖六：方案2所取得結(jié)果：低泥漿壓力垮塌曲線（亮綠），高泥漿壓力垮塌曲線（粉色），破裂壓力線（黑色）