白云凹陷深水区井壁稳定性研究及应用

田　峥　田　波　陈子剑　邓金根　郝希宁（.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳　58067；.中国石油大学（北京），北京　049；.中海油研究总院，北京　0008）

白云凹陷深水区井壁稳定性研究及应用

田峥1田波1陈子剑2邓金根2郝希宁3
（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳518067；2.中国石油大学（北京），北京102249；3.中海油研究总院，北京100028）

白云凹陷深水区是珠江口盆地重要的储量增长点，但是深水钻井安全钻井液密度窗口窄，钻井风险高，因此准确评估白云凹陷深水区井壁稳定性的规律和特点，对白云凹陷下一步的开发十分必要。针对白云凹陷深水区的钻井情况和地质特点，研究了地层压力体系特征，认为幂律模型和Eaton模型能够获得精度较高的地层密度和地层孔隙压力，得出了地层压力体系随水深的变化规律，其中地应力和破裂压力受水深影响明显。利用得到的地层压力对白云凹陷深水区的安全钻井液密度窗口进行了评估，认为白云凹陷深水区井壁坍塌风险较低，漏失风险高，主要是砂岩渗透性漏失，钻井液设计时需考虑其影响。

白云凹陷；深水；井壁稳定；地层压力体系；坍塌压力；破裂压力

蔚宝华［1］、谭强［2］、田波［3］等提出了一整套深水安全钻井液密度窗口的计算模型。目前尚需对白云凹陷深水区的井壁稳定性特点和变化规律进行详细研究。该地区钻井漏失时有发生，因此笔者针对白云凹陷深水区的钻井情况和地质特点，重点研究了白云凹陷深水区地层压力体系特征，分析了井壁坍塌和漏失的风险与机理，提出了井壁稳定技术对策，最后给出了井身结构设计建议。

1　地质概况

白云凹陷是珠江口盆地面积最大的凹陷，面积超过2×104km2，水深200~2 000 m［4］。珠江口盆地属于准被动边缘盆地［5］，经历了断陷期、断坳转化期和坳陷期3个构造演化阶段。其中坳陷期的新构造运动对白云凹陷影响很大［6］，导致白云凹陷中新世底界现今发育NWW-EW向断裂［7］，该方位也是现今水平最大地应力的方位。

白云凹陷从西北往东南方向水深逐渐加深，其沉积过程具有单边侧向沉积的特点，主要沉积物来源于珠江，地层从上至下依次沉积了第四系、万山组、粤海组、韩江组、珠江组、珠海组、恩平组、文昌组。中新世之后沉积速率急剧降低。因此白云凹陷沉积具有2个特点：横向上越往东南方向，地层沉积厚度越薄；纵向上文昌组、恩平组和珠海组具有欠压实沉积的特点，上部其他地层正常沉积。

2　白云凹陷地层压力体系评估

2.1上覆岩层压力评估

目前深水上覆岩层压力计算主要采用密度积分的方法，而问题的关键在于如何补足没有密度测井数据的地层密度。蔚宝华［1］提出针对深水浅层和深层分别采用幂律模型和Gardner模型进行拟合，并利用地层泊松比、黏聚力和内摩擦角来判定深浅层的转化点，然而获得这些地层力学参数是比较困难的。

笔者分别采用幂律模型（式（1））和Gardner模型（式（2））对白云凹陷深水区的地层密度进行分析，结果发现对于白云凹陷深水区，幂律模型拟合结果与实测地层密度非常吻合，并且能很好地反映深水浅部地层密度不断增加的趋势，同时幂律模型也不需要声波时差或者地震层速度，十分方便。唯一不足的是，当深度超过4 400 m之后，幂律模型拟合的地层密度会超过2.8 g/cm3，这与地层完全压实后密度保持在2.7~2.8 g/cm3的实际情况不符合，而Gardner模型可以表征深部地层密度的这种变化特征。然而目前白云凹陷深水区开发的主要储层为珠江组和珠海组，地层还未超过泥面以下4 400 m，因此幂律模型完全适用于拟合白云凹陷深水区的地层密度。

式中，ρ为地层密度，g/cm3； ρo为泥面地层密度，g/ cm3；Z为泥面以下深度，m。

式中，Dt为地层声波时差，μs/ft。

如何评估上覆岩层压力计算的准确性尚待研究。对于正断层而言，上覆岩层压力是最大地应力，蔚宝华［1］提出浅层上覆岩层压力等于破裂压力，而浅层的广义概念是泥面以下1 000 m。图1为笔者利用幂律模型补足的密度积分后的白云凹陷深水区已钻井的上覆岩层压力，LH29-1-4井和LW3-1-1井浅层地漏试验破裂值与上覆岩层压力十分吻合，而其他井的上覆岩层压力也比地层承压能力实验值高，这说明幂律模型拟合的白云凹陷深水区的上覆岩层压力具有较高的精度。图1的结果也说明白云凹陷从西北往东南方向，上覆岩层压力随着水深的增加而减小，钻井风险不断增大。

图1　上覆岩层压力随深度变化规律

2.2地层孔隙压力评估

实钻情况和地层压力测试结果也表明，目前已钻井都没有遇到异常高压，进一步说明了高压存在的可能性较低。为了选择合理的孔隙压力分析模型，笔者对比了目前比较常用的Eaton模型（式（3））和Bowers模型（式（4）），结果表明LH29-1-4井钻井过程中没有发生溢流或气侵，说明使用钻井液密度高于孔隙压力，Eaton模型能够如实反映LH29-1-4井的地层孔隙压力，而Bowers模型的计算结果波动较大，并且计算结果偏大。

式中，pp为地层压力当量密度，g/cm3；Sv为上覆岩层压力当量密度，g/cm3；ρsw为海水密度，g/cm3；Dt为实测声波时差值，μs/ft；Dtml为正常声波时差值，μs/ft；H为地层深度，m。

2.3水平地应力评估

水平地应力分析模型包括“六五”模型、“七五”模型和应力松弛模型等。白云凹陷为拉伸构造盆地，地应力相对简单，而拉伸构造盆地的地应力往往较低，因此可以采用“六五”模型进行分析，该模型最重要是确定2个地应力构造系数。笔者根据白云凹陷已钻井的地漏试验得出，水平最大地应力构造系数为0.475~0.495，水平最小地应力构造系数为0.235~0.265。对白云凹陷深水区已钻井的地应力计算结果进行分析：白云凹陷深水区水平地应力受水深影响很大，水深越深，水平最小地应力和水平最大地应力越小，井壁漏失风险越大；另一方面，水深越深，水平地应力差值越小，井眼越趋于力学稳定。

根据已钻井经验表明，白云凹陷深水区井眼比较稳定，但是漏失时有发生，水平最小地应力很低，而一般以水平最小地应力作为漏失压力，因此必须注意控制钻井液密度，防止压漏地层。

3　白云凹陷安全钻井液密度窗口分析

深水安全钻井液密度窗口的建立分为深和浅2个部分，深部地层成岩性强，采用多孔弹性理论进行分析，浅部地层破裂压力与上覆岩层压力接近，而坍塌压力计算以塑性区面积为井眼面积的1.6倍作为判断准则。

白云凹陷深水区坍塌压力计算结果见图2，坍塌压力随井深增大至1.12~1.14 g/m3，之后坍塌压逐渐降低，坍塌压力受水深影响不明显。这是因为坍塌压力受地应力和地层强度双重影响，虽然深水导致地应力偏低，但是深水环境下地层压实程度也比较低，地层强度偏低，因此坍塌压力随水深变化不明显。

图2　坍塌压力随水深变化规律

该区破裂压力计算结果见图3，破裂压力随井深增大而逐渐增大，深水环境下破裂压力较低。破裂压力受水深影响明显，水深越大，破裂压力越低。

图3　破裂压力随水深变化规律

白云凹陷已钻井除了LH30-1-1井之外，其他井的漏失速度较低，基本都低于10 m3/h，可以排除裂缝性漏失、洞穴性漏失或压裂地层漏失，判断为砂岩层渗透性漏失，建议提高钻井液封堵性能。LH30-1-1井发生了严重漏失，漏失速度超过100 m3/h，钻井液完全漏失，最后采用海水钻进。根据地质和录井信息判断，LH30-1-1井钻遇灰岩断层破碎带导致漏失严重。白云凹陷灰岩断层破碎带不发育，对于这种漏失首先建议地质部门要提前给出风险提示，其次在钻井前要充分做好随钻封堵的准备。

4　结论及建议

（1）利用幂律模型进行密度拟合可以获得精度较高的上覆岩层压力，利用Eaton模型可以较准确地分析地层孔隙压力。

（2）白云凹陷深水区地层孔隙压力和坍塌压力受水深影响不明显，地层孔隙压力正常，坍塌压力不大，井壁失稳风险较低。

（3）白云凹陷深水区地应力和破裂压力受水深影响明显，水深越深，地应力和破裂压力越低，井壁漏失风险增大，但是水平地应力越均匀，井壁越稳定。

（4）白云凹陷的漏失主要是砂岩渗透性漏失，建议提高钻井液封堵性，对于灰岩断层破碎带漏失，建议提前做好判断和封堵准备。

［1］蔚宝华，闫传梁，邓金根，等. 深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用［J］. 石油钻采工艺，2011，33（6）：1-4.

［2］谭强，蔚宝华，邓金根，等. 深水油气田钻井安全密度窗口计算方法［J］. 石油天然气学报，2012，34（10）：98-100.

［3］田波. 深水钻井安全钻井液密度窗口确定方法研究［D］.山东东营：中国石油大学，2009.

［4］陈国俊，吕成福，王琪，等. 珠江口盆地深水区白云凹陷储层孔隙特征及影响因素［J］. 石油学报，2010，31（4）：566-572.

［5］杨川恒，杜栩，潘和顺，等. 国外深水领域油气勘探新进展及我国南海北部陆坡深水区油气勘探潜力［J］. 地学前缘，2000，7（3）：247-256.

［6］赵淑娟，吴时国，施和生，等. 南海北部东沙运动的构造特征及动力学机制探讨［J］. 地球物理学进展，2012，27（3）：1008-1019.

［7］吴时国，姚根顺，董冬冬，等. 南海北部陆坡大型气田区天然气水合物的成藏地质构造特征［J］. 石油学报，2008，29（3）：324-328.

（修改稿收到日期2014-12-29）

〔编辑薛改珍〕

Research and application of deepwater wellbore stabilization in Baiyun Depression

TIAN Zheng1, TIAN Bo1, CHEN Zijian2, DENG Jingen2, HAO Xining3
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 3. Reseach Institute of CNOOC,Beijing 100028, China）

Baiyun Depression is an important growth point of reserve in Pearl River Mouth Basin. However, due to the narrow fluid density vessel for safe deepwater drilling and high drilling risk, to accurately assess the regularity and characteristics of deepwater wellbore stabilization in Baiyun Depression is essential the further development of Baiyun Depression. Considering the drilling condition and geological characteristics of the deepwater drilling in Baiyun Depression, the paper studies the formation pressure system features and concludes that the power law model and the Eaton model can provide formation density and pore pressure with higher precision and further reveal how the formation pressure system varies with the water depth, in which the crustal pressure and the bursting pressure are significantly affected by water depth. The calculated formation pressure can be used to assess the fluid density vessel for safe deepwater drilling in Baiyun Depression and the results show that there is low risk of hole collapse but high risk of losses, especially sandstone permeability loss. The research results provide an important basis for the design of deepwater drilling fluid in Baiyun Depression.

Baiyun Depression; deepwater; wellbore stabilization; formation pressure system; caving pressure; fracture pressure

TE28

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0096 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.024

“十二五”国家科技重大专项“南海北部陆坡（荔湾3-1及周边）深水油气田钻采风险评估及采气关键技术研究”（编号：2011ZX05056-001-03）；国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）。

田峥，1984年生。 2010年毕业于长江大学石油工程学院，现主要从事深水钻完井技术研究工作，深水钻完井工程师。电话：0755-26022527。E-mail：tianzheng3@cnooc.com.cn。

引用格式：田峥，田波，陈子剑，等.白云凹陷深水区井壁稳定性研究及应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：96-98.