四川气田GM区块地层三压力剖面建立及应用*

2016-03-30蒋晓红孙亮陈剑川李

天然气勘探与开发 2016年1期

关键词：井身测井钻井液

蒋晓红孙　亮陈剑川李　果

（1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院　2.成都理工大学能源学院　3.中国石化西南油气分公司川西采气厂）

四川气田GM区块地层三压力剖面建立及应用*

蒋晓红1孙亮2陈剑川3李果1

（1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院2.成都理工大学能源学院3.中国石化西南油气分公司川西采气厂）

摘要地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力剖面是钻井井身结构优化设计及安全钻井液密度窗口确定的基础。利用测井方法计算三压力剖面，结合现场实测三压力数据，建立了GM区块地层三压力剖面；在充分认识三压力剖面特征基础上，开展了GM区块井身结构优化及安全钻井液密度窗口制定。研究提出，该区针对须二目的层的钻井具备三开制井身结构优化条件，同时指出前期钻井以地层孔隙压力为依据制定钻井液密度存在不合理处，推荐J3p－T3x5段地层采用微超地层坍塌压力设计钻井液密度较为合理，T3x4段以深地层采用微超地层孔隙压力设计钻井液密度较为合理。研究结果为GM区块钻井工程设计及现场施工提供了科学依据，经现场应用，提高了钻井效率、降低了钻井成本，取得良好经济效益。图2表1参10

关键词孔隙压力坍塌压力破裂压力井身结构安全钻井液密度

四川气田GM区块陆相沉积巨厚砂泥岩互层，间夹一定砾岩层和煤系地层，钻深达5000 m左右。该区J3p－T3x5段地层井壁稳定性差，钻井中掉块、阻卡严重，影响钻井进程，导致钻井效率低、钻井周期长。为提高该区钻井效率，有必要开展地层三压力剖面特征研究，为钻井工程设计及施工提供科学依据。

1　地层三压力计算方法

（1）地层孔隙压力计算方法

地层孔隙压力计算方法有许多种。本文根据GM区块地层沉积特征、岩性特征及矿场资料状况，采用伊顿法计算地层孔隙压力。主要利用声波测井资料建立地层正常压实趋势线公式（1），再根据伊顿法通用公式(地层水静液柱压力当量密度取为1.0 g/cm3），结合矿场实测地层孔隙压力资料，反算GM地区伊顿常数值，由此建立GM区块地层孔隙压力计算模型（2）。

式中:

AC—声波时差，μs/ft；

H—地层深度，m；

Pp—地层孔隙压力当量密度, g/cm3；

σv—上覆岩石压力当量密度(根据密度测井资料求取）, g/ cm3。

（2）地层坍塌压力计算方法

地层坍塌压力的计算主要是井壁岩石强度、应力状态分析及剪切破坏准则的选取。岩石强度利用测井资料,结合岩心实验标定,建立力学参数模型而获取相关参数。而剪切破坏准则的选取目前有多种，其中Mohr-Coulomb破坏判断准则在解析计算中应用最为广泛。根据Mohr-Coulomb破坏判断基本准则（3）,在井壁稳定力学分析中，Mohr-Coulomb破坏判别准则表示为公式（4)或公式（5）：

式中:

σ—正应力，MPa；

τ—剪应力，MPa；

φ—岩石内摩擦角，（°）；

C—岩石内聚力，MPa。

式中：

σmax—井壁最大主应力分量，MPa；

σmin—井壁最小主应力分量，MPa；

PP—地层孔隙压力，MPa；

α—孔弹性系数。

对于直井，井壁的三个主应力一般表示为公式（6）：

式中:

σr—井壁径向正应力，MPa；

σθ—切向正应力，MPa；

σz—垂向正应力，MPa；

Pwf—保持井壁稳定所需的钻井液柱压力下限(坍塌压力)，MPa；

σH1—水平最大地应力，MPa；

σH2—水平最小地应力，MPa；

θ—研究点的失量与最大地应力间夹角，（°）。

（3）地层破裂压力计算方法

井壁破裂压力求取采用最大拉应力理论。根据最大拉应力理论，井壁岩石拉伸破坏时应满足以下不等式：

式中：

σmin—井壁最大拉应力，MPa；

Pp—地层孔隙压力，MPa；

σt—岩石抗拉强度，MPa。

σmin-Pp=时，井壁岩石处于张性极限平衡态。求解该方程可以得到保证井壁不发生张性破裂的钻井液柱压力极限，称为张性破裂压力（Pf）。在直井状态下，破裂发生在σθ最小处(即在θ＝0°和180°处），此时有：

地层破裂压力为：

地层破裂的当量泥浆密度为：

上述公式中力学参数的获取可通过室内岩石抗拉实验建立与测井参数间的相关模型，再利用矿场测井资料建立力学参数剖面；水平地应力可利用组合弹簧模式，结合矿场资料计算出剖面。在此基础上，利用上述计算方法，可确立地层三压力剖面。

2　地层三压力剖面建立

利用上述三压力剖面计算方法，结合GM区块力学参数剖面、地应力剖面建立GM区块三压力剖面（图1）。从图1可见，纵向上，J3p－T3x5段地层坍塌压力主体高于地层孔隙压力、低于地层破裂压力，常规钻井安全钻井液密度窗口下限受控于地层坍塌压力，上限受控于破裂压力；T3x4段以深地层坍塌压力主体低于或近于地层孔隙压力，地层孔隙压力低于破裂压力，安全钻井液密度窗口下限受控于地层孔隙压力，上限受控于破裂压力。据此，J3p－T3x5段地层应采用微超地层坍塌压力设计钻井液密度较为合理，T3x4段以深地层采用微超地层孔隙压力设计钻井液密度较为合理。而该区早期钻井液密度设计均以地层孔隙压力为依据，存在不合理处；致使J3p－T3x5段地层钻井液密度设计偏低，易造成井壁失稳；前期实钻也证实了该区J3p－T3x5段地层掉块、阻卡严重。因此，该区钻井液密度设计有必要依据三压力剖面特征进行优化。

此外，从三压力剖面特征来看，破裂压力远高于地层坍塌压力和孔隙压力，纵向安全钻井液密度窗口较宽，目前以须二为目的层的四开井身结构具备三开井身结构优化条件。井身结构优化及钻井液密度设计推荐见表1、图2。

图1　GM3地层三压力剖面及四开井身结构图

图2　XS1井身结构优化设计图

表1　井身结构优化及钻井液密度设计推荐表

3　现场应用及效果

根据GM区块三压力剖面特征推荐的三开制井身结构及钻井液密度优化设计原则，在XS1井现场成功应用。该井设计井深4975 m，设计目的层为T3X2段TX26砂层，三开制井身结构设计；一开下钻深度加深502 m（钻至J3p下部），钻井液密度设计为1.10～1.70 g/cm3，实际使用钻井液密度1.12～1.70 g/cm3；二开钻深设计至4502 m（钻至T3X2段顶部），钻井液密度设计为1.70～2.10 g/cm3，实际使用钻井液密度1.69～2.31 g/cm3，实际钻井液密度较设计上限偏高，主要是钻遇良好气显示而提钻井液密度所致；三开直接钻至目的层底部完钻，钻井液密度设计为1.69～ 1.75 g/cm3，实际使用钻井液密度1.69～1.75 g/cm3。从实钻情况来看，钻井液密度设计较前期钻井更为合理，钻井中于J2s—J2x井段虽发生一定程度掉块、阻卡现象，但相对前期钻井掉块阻卡事故明显降低，有效保证了安全钻井。此外，该井钻井中发生了两次井漏(一开下套管固井井漏、二开底部须二顶裂缝性漏失)；在此需要指出的是，目前有关破裂压力计算方法针对完整性井壁预测准确率较高，但针对裂缝发育段的地层漏失压力预测难度较大。因为，裂缝发育的非均质性极强，区域上无法有效确定其分布规律，以常规测井资料无法准确识别裂缝，以此预测的破裂压力剖面也就无法真实反映裂缝状态下的情况；故以破裂压力剖面确定的钻井液密度上限在裂缝发育段可能会偏高，应用时可根据资料掌握情况，酌情考虑周边裂缝或断层的影响，适当调低钻井液密度上限。总体而言，GM区块利用三压力剖面特征首次成功尝试采用三开制井身结构，制定合理钻井液密度窗口，单井节约钻井周期50 d，节省钻井总费用约610万元。现场应用效果好，提高了钻井效率、降低了钻井成本，取得良好经济效益。