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液相欠平衡钻井合理欠压值设计方法

2017-04-07窦亮彬李天太张明毕刚

断块油气田 2017年2期
关键词:压值毛细管钻井液

窦亮彬,李天太,张明,毕刚

(西安石油大学石油工程学院,陕西 西安 710065)

液相欠平衡钻井合理欠压值设计方法

窦亮彬,李天太,张明,毕刚

(西安石油大学石油工程学院,陕西 西安 710065)

液相欠平衡钻井井底欠压值的确立和控制直接决定着钻井的成败。目前钻井行业井底欠压值确立方法一般基于现场经验,误差较大,在现场应用时,其控制调节缺乏理论依据。欠压值过大,易导致井壁失稳,出现井控风险及速敏、应力敏感等储层伤害问题;欠压值过小,易导致钻井液进入储层,无法实现有效保护储层及提高机械钻速的目的。为此,利用井眼力学稳定及井控风险分析确定欠压值上限,利用储层毛细管力确立欠压值下限,建立液相欠平衡钻井合理欠压值设计新方法,并结合塔里木盆地塔北地区X井现场数据进行分析优化。结果表明,此欠压值设计新方法能够为欠平衡钻井现场设计提供理论指导,避免了单纯依靠经验值确立欠平衡钻井欠压值导致的钻井事故或储层保护效果不好等问题。

液相欠平衡;欠压值;井壁稳定;毛细管力;塔里木盆地

0 引言

欠平衡钻井具有提高钻速、保护储集层和有效开发低压低渗油田的重要作用,在国内外得到了广泛的应用[1-2]。液相欠平衡钻井技术可应用于压力窗口狭窄、岩石致密、可钻性差等地层,实现安全钻进或提高机械钻速的目的,又可应用于压力衰竭、低渗特低渗等油气层,以保护储层[3]。

在塔里木油田实际应用过程中发现,地质条件相同的邻井钻井,液相欠平衡钻井技术储层保护效果不佳,未明显提高产量,甚至部分井区储层损害严重,未达到勘探开发预期效果。对岩心、试井、测井资料分析,结果表明,液相欠平衡钻井造成储层伤害主要原因是欠压值选择不合适,钻井液中对储层有伤害的流体通过毛细管力作用进入储层。另外,以往液相欠平衡钻井作业中还发现:由于欠平衡钻井欠压值过大,导致井径扩大甚至井壁失稳,被迫停止欠平衡作业,还导致侵入井筒流体超过欠平衡钻井地面设备处理能力,井口设备过载,被迫关井。

井底欠压值是欠平衡钻井非常重要的参数,设计并保持一个合理的欠压值会影响整体钻井效果。以往油田欠平衡钻井欠压值通常是通过现场经验确定的,缺乏理论基础且误差较大。

本次研究综合考虑井壁失稳、井控安全分析所确定的2个值,最小值作为欠压值的上限,毛细管力确立的值作为欠压值的下限。本次研究建立了液相欠平衡钻井合理欠压值确定的新方法,为现场欠平衡钻井合理欠压值设计提供技术指导。

1 欠压值对液相欠平衡钻井的影响

1.1 欠压值过大

1.1.1 速敏影响

根据达西渗流定律,流速与压差成正比关系,因此,高欠压值会带来高流速,导致储层中含有的一些细小矿物颗粒在流体流速达到临界流速后发生运移,并且在孔喉处发生堵塞,造成油气层渗透率下降。这就是微粒运移损害[4],其根本原因是压差过大。

1.1.2 井壁失稳

井眼不失稳是欠平衡钻井的基本前提。在欠平衡钻井过程中,由于井底压力小于地层压力,地层流体不断流入井筒内,如果井底负压差过大,可能导致地层坍塌、出砂,造成严重的钻井事故。

因此,有必要基于力学理论合理确定井底负压差值。以储层岩石力学特性和破坏准则确立可适应各种条件的欠平衡钻井合理负压差的判别式,保证液相欠平衡钻井安全钻进。

1.1.3 井控风险

井控设备处理能力对负压值设计有间接的影响。负压值越大,预计的随钻产油和(或)气量越大,钻井液液柱压力降低越多,井口回压也会相应升高。因此,负压值和井口最大回压可作为选择除气、撇油设备及旋转防喷器的依据[5]。

1.1.4 应力敏感

较高的欠压值下,大量孔隙流体快速进入井筒,原本和岩石骨架一同承担上覆岩层压力的地层流体缺失后,岩石骨架所受上覆地层压力增大导致其变形甚至破碎,导致渗透率降低。

此外,在高欠压值下还会出现由于pH值变化和储层流体脱气导致的无机和有机结垢等储层伤害。

1.2 欠压值过小

1.2.1 储层伤害

当欠平衡钻井欠压值较小时,造成储层渗透率下降,最主要原因是储层的逆流自吸效应。液相欠平衡钻井过程中,井壁没有泥饼保护,储层直接与钻井液接触,在储层微孔隙、裂缝内会产生毛细管力,当欠压值不能克服毛细管力的作用时,会产生逆流自吸效应。油水/油气界面张力越大及地层有效孔径越小,毛细管力越大,自吸效应越强。毛细管力将钻井液吸入储层,导致水锁、碱敏等储层伤害[6-8]。

1.2.2 提速效果不佳

循环钻井液井底液柱压力与地层压力之差是影响钻进速度的重要因素,现场实践表明,其差值越大,则钻井机械钻速越低。机械钻速降低的原因主要是:增加的井底压差会使岩石的抗破碎强度和塑性增加,钻头的破碎效率下降;另一方面,增大的压差对井底岩屑产生压持效应,使井底清洁条件变差,增加了钻头产生重复切削的机会。

欠平衡钻井除了储层保护之外,另一个重要作用就是提速作用。如果欠压值过小,会降低甚至失去欠平衡钻井作业的提速降低成本目的。

2 合理欠压值设计模型

2.1 欠压值上限确定

2.1.1 考虑井壁稳定性所确定的欠压值上限

本文以岩石力学理论为基础,依据岩石抗压强度和岩石抗拉强度2个指标[9],推导出适应各种条件的欠平衡钻井最大井底欠压值判别式。

2.1.1.1 以岩石抗压强度为依据

为便于推导,假设:σH,σh分别为最大、最小水平主地应力;σv为上覆垂直地应力;井壁上岩石流体压力与井筒压力相同。

井壁应力分布计算公式为

式中:σr,σθ,σz分别为径向、周向和垂向应力,MPa;θ为井眼周围某点径向与最大水平主地应力的夹角,(°);pb为环空井底压力,MPa;ν为岩石泊松比。

储层为渗透性地层,则井壁岩石骨架上Terzaghi有效应为

式中:σ′θ,σ′H,σ′h分别为周向有效应力、最大有效应力和最小有效应力,MPa;ps为地层孔隙压力,MPa。

假设地层为各向同性的弹性体,单相流体流动,则井壁岩石抗压强度破坏判别公式为

式中:σc为储层岩石抗压强度,MPa;σmax为井壁岩石最大周向应力,MPa。

对于直井而言,当沿最小主应力方向时,其周向应力最大,即θ=90°时取最大值。代入式(1)可得:

井壁岩石抗压强度破坏判别公式采用有效应力进行判别,将式(2)代入式(4),可得:

若不考虑构造应力的影响,则有:

式中:ρr为上覆岩层的平均密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;H为储层深度,m。

联立式(5)和式(6),则可得直井液相欠平衡钻井井底欠压值Δpq 1判别式:

对任意井斜、方位角定向井,其井壁最大有效周向应力计算公式为

式中:σz,σθ,σθz分别为井眼坐标系下定向井井壁上的轴向正应力、周向正应力和垂直于径向的平面上切应力,MPa[10]。

2.1.1.2 以岩石抗拉强度为依据

当井壁应力达到摩尔-库仑准则后,近井带将塑性变形,此时弹性解已不适用。由塑性力学可知,井壁受拉状态下井底欠压值Δpq 2判别式为[11]

式中:S0为岩石抗拉强度,MPa;φ为储层岩石破坏角,(°);D0为供给边缘直径,m;Dh为井眼直径,m。

2.1.2 考虑井控安全时所确定的欠压值上限

考虑井控安全时,井底欠压值Δpq 3的给出,需要根据不同地区不同地质工程情况下所用地面井口设备处理返出流体的能力、井口回压调节能力以及现场工程师处理经验确定。因而Δpq 3的确定无法用理论计算进行定量表征,建议油田现场结合其设备处理能力进行初步计算确立给出。

因而,液相欠平衡钻井欠压值上限Δpq sh为

2.2 欠压值下限确定

在液相欠平衡钻井过程中,即使井底循环压力小于地层孔隙压力,钻井液流体也可能受毛细管吸入压力的作用将其吸入到地层,造成储层损害,尤其对高含黏土矿物的水敏性地层而言,更要尽量避免此状况。因此,在进行液相欠平衡钻井井底欠压值设计时,其值要求大于毛细管吸入压力。

对于油水界面,毛细管力为

对于气水界面,毛细管力为

式中:pcwo,pcwg分别为油水、气水界面的毛细管力,MPa;σwo,σwg分别为油水、气水表面张力,N/m;θwo,θwg分别为油水、气水界面接触角,(°);r为孔喉半径,μm。

油气藏岩石的流动孔隙可看作一系列大小不同的毛细管,因此油气藏中的油水、气水不是一个平面,而是一个过渡带。理论上,过渡带的高度取决于最细毛细管中水(油)柱的上升高度。如果以最细毛细管进行欠压值设计,缺点一为最小最细毛细管无法确定,二为采用此方法设计的欠压值偏高。液相欠平衡钻井大多用于开发井,一般有储层岩心,对储层岩石特性比较熟悉,因此,建议将邻井岩心压汞法所得到的中值压力最大值所对应的毛细半径,作为毛细管孔喉半径。

2.3 合理欠压值模型

通过对液相欠平衡欠压值的上限值和下限值分析,确立了液相欠平衡钻井合理欠压值模型为

3 应用分析

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层,储层裂缝、洞穴发育,钻进易漏失,岩石强度一般,现场通过应用液相欠平衡/控压钻井实现安全快速钻井。欠平衡储层钻井作业一般用于成熟地区的开发井,其现场资料数据主要来源于测井、取心及邻井等。现场基本参数见表1。

利用表1中数据,采用式(7)可以得到以抗压强度井壁稳定性分析所确立的最大欠压值为6.9 MPa,采用式(9)可得到以抗拉强度井壁稳定性分析所确立的最大欠压值为37.9 MPa。井控安全风险值根据现场井口设备及其处理流体控制能力、回压控制等方面确定的,此井根据现场设备等情况确立的最大欠压值为8.0 MPa。因而,液相欠平衡钻井欠压值上限为3个值中的最小值6.9 MPa。液相欠平衡欠压值下限,根据式(12)油水毛细管力确定为1.27 MPa。

表1 现场基本参数

此地区应用液相欠平衡钻井作业时给出的欠压值范围为0.8~1.1 MPa。现场通过试井、岩心、产能等分析表明,此地区应用液相欠平衡作业时未能有效保护储层,机械钻速偏小。通过本文模型分析,其欠压值偏小导致地层通过毛细管力吸入钻井液进入储层,对储层造成伤害,且欠压值偏小导致机械钻速偏低,使储层与钻井液接触时间较长,未能有效发挥欠平衡钻井保护储层、提高钻速的目的。

根据本文所建立的液相欠平衡钻井欠压值优化模型分析,建议此区块欠压值范围为1.3~6.5 MPa。此欠压值范围既能有效保护储层,防止毛细管力将液相吸入储层造成伤害,又能避免井壁失稳、井控风险等钻井事故的发生。

利用本文所建立的模型可以对不同地区、不同储层条件进行影响因素分析,分析储层岩石力学特性、孔喉特性、钻井液特性(主要为油水、气水界面张力和接触角)对合理欠压值的影响规律,因而此模型具有普遍性,可以推广到各油田液相欠平衡作业现场,为其合理欠压值设计提供理论指导。

4 结论

1)目前液相欠平衡钻井井底欠压值确立方法一般基于现场经验,误差较大且不便于现场合理控制调节。本文综合考虑了液相欠平衡钻井过程中井壁稳定、井控风险、储层伤害等方面,通过井眼力学稳定及井控风险分析确定欠压值上限,以储层毛细管力确立欠压值下限,建立了液相欠平衡钻井合理欠压值设计新方法。

2)以塔里木盆地塔北地区X井为例,应用所建立的新模型对区块X井合理欠压值设计进行了分析。现场应用液相欠平衡钻井给出的欠压值范围为0.8~1.1 MPa,但储层保护效果不好。而本文模型建议的欠压值范围为1.3~6.5 MPa,给出的欠压值范围既能有效保护储层,防止毛细管力将液相吸入储层造成伤害,又能避免井壁失稳、井控风险等钻井事故的发生。

3)利用建立的模型,现场可快速准确确立井底合理欠压值。本文模型具有普遍性,可以推广到各油田液相欠平衡作业现场,为合理欠压值设计提供理论指导。

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[2] 窦亮彬,李根生,沈忠厚,等.充气控压钻井工艺设计及参数分析[J].石油机械,2013,41(2):14-19.

[3] 王茂林,纪永强,金业权.液相欠平衡方式下钻速方程的建立与优选[J].钻采工艺,2013,36(3):18-20.

[4] 李磊,蒋宏伟,张越,等.欠平衡钻井高欠压值引发储层伤害原因浅析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2014,16(2):51-55.

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(编辑 杨会朋)

Designing method for reasonable negative pressure value in liquid underbalanced drilling

DOU Liangbin,LI Tiantai,ZHANG Ming,BI Gang
(School of Petroleum Engineering,Xi′an Shiyou University,Xi′an 710065,China)

Reasonable negative pressure value of the bottom hole is the key to the success of liquid underbalanced drilling(UBD). Negative pressure value is based primarily on on-site experience in the oilfield,which has a bigger error and is unfavorable to regulating the value.High negative pressure value easily leads to wellbore instability,well control accidents,and the permeability damage caused by velocity and stress sensitivity.Small negative pressure value will not protect reservoir and improve the penetration rate.A new designing method for reasonable negative pressure value in liquid UBD is given,in which the maximum negative pressure value is determined by wellbore stability calculation and well control analysis,and the minimum negative pressure value is determined by capillary force analysis.The method was analyzed and optimized by X well data in the northern area of Tarim Basin.The new method provides the guidance for reasonable negative pressure value design in liquid UBD and avoids a series of UBD problems based on experience.

liquid underbalanced drilling;negative pressure value;borehole stability;capillary force;Tarim Basin

国家自然科学基金项目“酸性气体侵入井筒在钻井液内赋存状态及对瞬态流动影响研究”(51604224);

TE249

A

10.6056/dkyqt201702024

2016-09-10;改回日期:2017-01-07。

窦亮彬,1986年生,男,讲师,博士,2013年毕业于中国石油大学(北京),主要从事井筒复杂流动与控制、非常规油气藏储层改造方面的研究。E-mail:77129dou@163.com。

窦亮彬,李天太,张明,等.液相欠平衡钻井合理欠压值设计方法[J].断块油气田,2017,24(2):247-250.

DOU Liangbin,LI Tiantai,ZHANG Ming,et al.Designing method for reasonable negative pressure value in liquid underbalanced drilling[J]. Fault-Block Oil&Gas Field,2017,24(2):247-250.

陕西省自然科学基础研究计划项目“超临界CO2微小井眼径向水平井开发煤层气机理研究”(2015JQ5147);

陕西省教育厅科研计划项目“页岩储层压缩性对压裂裂缝扩展的影响规律研究”(15JK1566)

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