中东地区碳酸盐岩地层水平井完井方式优化

文敏，朱磊，王平双，刘书杰，曹砚锋，范志利　(中海油研究总院,北京 100028)

中东地区碳酸盐岩地层水平井完井方式优化

文敏，朱磊，王平双，刘书杰，曹砚锋，范志利(中海油研究总院,北京 100028)

[摘要]国内外部分碳酸盐岩油气藏在后期开采和增产措施作业过程中，陆续出现井壁坍塌的状况，严重影响产能和作业进度。以中东地区碳酸盐岩地层为例，研究了储层的各项物性参数，将理论研究与室内试验相结合，优选出了针对碳酸盐岩层的单轴抗压强度计算模型。首次运用ANSYS有限元分析软件，对不同生产压差及不同酸化程度的裸眼井壁稳定性进行了模拟，研究表明水平井在开采过程中裸眼井壁失稳的可能性较大；实施酸化作业后，井眼扩大率明显增大，发生崩落甚至垮塌的可能性进一步增大，推荐裸眼下入打孔管支撑井壁的完井方式。

[关键词]碳酸盐岩；单轴抗压强度；井壁稳定性；酸化；生产压差

碳酸盐岩是指主要由沉积的碳酸盐矿物组成的沉积岩。据统计，碳酸盐岩占全国总面积的40%，分布广泛，是目前国内富含油气资源的主要地层。世界上与碳酸盐岩有关的油气藏储量约占世界总储量的50%，产量占世界总产量的60%[1]。中东地区白垩系碳酸盐岩储层Mishrif层，岩性变化小，南部为大套颗粒灰岩储层，向北变为大套的泥质颗粒灰岩储层，厚度在80m左右，储层分布相对稳定。目前水平井裸眼完井方式开发在后期开采和增产措施作业过程中，陆续出现井壁坍塌的状况，造成油气井产能下降或停产，严重影响产量。

笔者应用ANSYS有限元分析软件，从地质应力、生产制度和增产措施等方面，研究分析开采和增产过程中储层段井壁稳定性，进而确定中东地区碳酸盐岩地层采用裸眼下入打孔管的完井方式，为类似储层的开发提供重要理论依据。

1碳酸盐岩地层强度

储层岩石力学及强度特性是井壁稳定分析的重要依据[2]。结合室内试验和相应的测井数据，建立或选择合适的岩石弹性和强度参数测井模型可真实反映地层特性[3]。

通过大量调研，对比多个常用碳酸盐岩单轴强度的计算模型，如Militzer模型、Golubev模型、Rzhewski模型等[4～7]。考虑试验测得灰岩岩心在0MPa围压条件下实测纵波波速4055.14m/s，相应的纵波时差为75.183μs/ft。分别代入碳酸盐岩单轴强度计算模型，仅有Golubev模型计算抗压强度(53.73MPa)与岩心实测单轴抗压强度(52.00MPa)接近。因此选用该模型作为碳酸盐岩层的单轴抗压强度计算模型可靠。

以室内岩石力学试验获取的动静态转换关系及优选出的强度模型为基础，结合测井数据计算该层单轴抗压强度波动不大，主要集中在40～80MPa，地层初始强度较高。

2碳酸盐岩地层井壁稳定性分析

中东地区碳酸盐岩储层在后期开采和增产措施作业过程中，部分井出现了井壁坍塌的状况，分析主要原因为生产压差变化以及酸处理对于岩石强度和井壁稳定性的影响。

2.1碳酸盐岩井壁稳定性判定准则

图1　井壁崩落宽度示意图

图2　碳酸盐岩井壁稳定性分析物理模型示意图

Zoback等[8]通过对数千口油井的研究表明，稳定的井眼并不是指没有破坏的井眼，而是允许存在一个极限崩落宽度(≤90°)(图1)，在该区域内，随着井壁持续崩落，崩落区域逐渐加深，但崩落宽度不变，井壁依然保持稳定状态。不同初始崩落宽度条件下的井壁崩落随时间的变化规律如下：当初始崩落宽度较小时(<60°)，持续崩落时深度不断加深，但宽度基本不变，井壁仍有一定的拱形支撑，井眼可以保持稳定状态；然而当初始崩落宽度较大时(>120°)，后续的崩落会导致井壁失去拱形支撑，最终导致井壁失稳。笔者以井眼崩落宽度90°为准则，对Mishrif碳酸盐岩层裸眼井壁稳定性进行分析。

2.2物理模型

针对酸化前与酸化后不同情况，建立2种不同弹塑性有限元分析模型[9,10]，其中水平井的分析模型如图2所示。酸化后物理模型地层依次划分为严重腐蚀区、轻微腐蚀区和原状地层。模型选取边长为12m的正方形，井眼位于模型中央，井眼半径为0.105m，严重腐蚀区半径为2m，轻微腐蚀区半径为4m，考虑到井眼的对称性，采用四分之一模型。根据岩体力学的观点，距岩体硐室半径6.5倍以外的地方几乎不会发生应力重新分布的现象，所以上述模型基本上可以消除边界效应对计算结果的影响。

2.3网格划分及计算参数

模型采用4节点平面单元对几何模型进行划分，共获得3381个节点和3200个单元。采用理想弹塑性本构方程，利用Drucker-Prager准则判断岩石是否发生塑性屈服。计算参数见表1。

表1　计算参数

2.4分析结果

2.4.1生产制度对于井壁稳定的影响

分析不同生产压差下水平井储层段井壁稳定性。水平井开采生产压差分别为0、1、3、5、8、10、12、15MPa下的井壁等效塑性应变云图见图3(井眼轴线沿最小地应力方向)。

图3　不同生产压差下的井壁等效塑性应变云图

由图3可得，在不同的生产压差下，水平井地层均沿着最大平地应力方向发生屈服，屈服区域关于井眼对称。不同生产压差下的井眼扩大率及崩落宽度如表2所示。随着生产压差增大，井眼塑性屈服区范围不断扩大，生产压差由0MPa增加到15MPa，相应的井眼最大塑性屈服区半径由112.88mm增加到132.19mm，井壁失稳的风险显著提高。

根据计算结果绘制了井眼极限扩大率、崩落宽度与生产压差的关系曲线(图4)，以崩落宽度90°为上限，可见任意生产压差下，井眼崩落宽度均大于90°，水平井裸眼完井条件下井壁稳定性较差，极易发生崩落。

图4　水平井井眼极限扩大率、崩落宽度与生产压差的关系

生产压差/MPa井眼最大塑性屈服区半径/mm极限井眼扩大率/%崩落宽度/(°)0112.887.50126.01114.198.75144.03115.5010.00180.05119.1312.25180.08122.2317.25180.010124.8819.50180.012128.2722.75180.015132.1926.50180.0

2.4.2增产措施对于井壁稳定的影响

表3　不同酸化程度模拟参数

生产压差分别为5MPa情况下，分析不同酸化程度下水平井储层段井壁稳定性[11]，模拟参数见表3。不同酸化程度下井壁等效塑性应变云图如图5所示。随着酸化程度的增大，地层塑性屈服区范围不断扩大，井眼崩落宽度均大于90°，3种条件下的井壁最大塑性屈服半径及极限井眼扩大率见表4。随着酸化程度增大，井眼塑性屈服区范围不断扩大，严重腐蚀区强度降低30%，井眼最大塑性屈服区半径达到137.88mm，井壁失稳的风险显著提高；随着酸化程度的增加，井壁岩石强度降低明显，井眼发生垮塌的机率进一步升高。

图5　不同酸化程度下水平井井井壁等效塑性应变云图

严重腐蚀区强度降低幅度/%轻微腐蚀区强度降低幅度/%井眼最大塑性屈服区半径/mm极限井眼扩大率/%50121.3616.132010131.9826.303020137.8831.94

3碳酸盐岩地层完井方式优化

Mishrif储层主要为灰岩，水平井开发单一层位，储层含极少量泥岩夹层，从储量动用和控制程度角度，目前采用水平井裸眼完井方式。完井工艺与施工作业简单，保护储层效果好，最大程度地沟通与储层的接触面积，实现产能最大化，且易于后期修井。

灰岩储层岩石强度较高，原始地层井壁稳定性较好，但随着开采过程中压差变化、后期酸化作业的影响，岩石强度降低明显，井壁极易发生崩落，可能造成井眼垮塌。后续水平井开发推荐采用裸眼下入打孔管支撑井壁的完井方式。

中东地区Mishrif碳酸盐岩储层9口水平井采用裸眼下入打孔管支撑井壁的完井方式，且投产后成功实施酸化增产工艺，累计日增油达到3372m3，生产状况良好。

4结论和建议

1)针对中东地区碳酸盐岩储层，将理论研究与室内试验相结合，优选出了碳酸盐岩层的单轴抗压强度计算模型。

2)首次运用ANSYS有限元分析软件，从地质应力、开采制度和增产措施等方面，对水平井储层段井壁稳定性进行了模拟研究。

3)对中东地区碳酸盐岩储层进行模拟，水平井在开采过程中裸眼井壁失稳的可能性较大；实施酸化作业后，井眼扩大率明显增大，发生崩落甚至垮塌的可能性进一步增大，推荐采用裸眼下入打孔管支撑井壁的完井方式。

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[编辑]帅群

[引著格式]文敏，朱磊，王平双，等.中东地区碳酸盐岩地层水平井完井方式优化[J].长江大学学报(自科版) ,2015,12(11):52～56.

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)11-0052-05

[中图分类号]TE257

[作者简介]文敏(1982-)，女，硕士，工程师，现主要从事钻完井设计工作，wenmin@cnooc.com.cn。

[基金项目]国家科技重大专项(2011ZX05030-05)。

[收稿日期]2015-01-04