克深地区井壁稳定性评价及钻井工程应用

王志民 谭丽娟 陈 胜 袁 芳 韩兴杰 王益民

1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580；2.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院, 新疆 库尔勒 841000

0 前言

沉积地层中存在的弱结构面会显著影响岩石的强度,这种现象也称为岩石强度各向异性[1-2]。在石油钻井工程中,岩石结构弱面一般指深部地层中与井眼相切割的各种节理面、裂缝面和断层面等[3]。弱结构面对岩石强度的影响程度取决于其与岩石本体的相对软弱程度和结构面的产状,其对钻井井壁稳定性的影响很大,甚至在一定情况下岩石裂缝弱面是井壁失稳的主控因素[4-9]。近年,随着非常规油气资源及复杂油气藏开发的不断进行,针对地层弱面对井壁稳定性的影响研究成为热点和难点[10-12]。基于地层弱面产生的强度各向异性和水化作用,建立力学-化学耦合井壁稳定性模型是目前主要的研究方向[13-15],研究成果在较浅层页岩气和常规油气田开发中取得很好的应用效果。

塔里木盆地克深地区由于中新生界构造复杂、储层埋藏深、地应力强且分布复杂、地层孔隙异常高压、断层及天然裂缝发育[16]。这种强应力背景下的裂缝弱面影响,使得本区钻井过程中的井壁失稳与地层漏失频发,导致钻井周期长,事故频发,成本高,一定程度上制约了油气勘探、开发的进程。针对页岩气和常规油气藏的井壁稳定性研究成果在该区的应用效果不甚理想。基于克深区带的复杂条件,从强地应力背景下天然裂缝造成的强度弱面井壁稳定力学模型出发,分析天然裂缝对井壁垮塌和漏失的影响,对比基质岩块和岩石裂缝弱面的稳定性特征,厘定了本区白垩系地层井壁失稳的主控地质因素,定量评价裂缝发育层段的钻井坍塌压力和漏失压力,实现强应力背景下裂缝性地层安全钻井压力窗口的更准确评价,并针对这种强各向异性地层可能存在的特殊钻井压力窗口,提出相应的工程地质建议,为该区钻井工程的安全、高效实施提供理论参考依据。

1 裂缝性储层井壁稳定力学原理

假设地层中存在一组特定产状裂缝切割井眼形成低强度弱面,而在其他方位上地层强度相同,则可利用Donath及Jaeger和Cook提出的软弱面对强度的影响关系[4-5],判断弱面先于岩石本体发生的破坏,其破坏准则的数学表达式为[17]：

(1)

式中：σ1、σ3为裂缝等弱结构面所处空间位置上的最大、最小主应力,Pa；Sw为弱面黏聚力,kPa；μw为弱面的内摩擦系数,λ为弱面法向与最大应力方位之间的夹角,(°)。由于μw=tanφw(φw为弱面内摩擦角,(°)),因此当λ=φw或λ=π/2时,弱面不会产生滑动破坏,而是基质岩块的破坏,这时基质岩块的破坏准则为[9]：

(2)

式中：σ1、σ3仍为所在位置上的最大、最小主应力,Pa；S0为基质岩块黏聚力,kPa；μ0为基质岩块内摩擦系数。这样裂缝弱面产生滑动破坏的条件是

(3)

因此在相同的力学条件下裂缝面的产状是其发生破坏的关键因素。

根据有效应力定律,在大地坐标系下,任意空间位置处三个有效主应力σ1、σ2、σ3(σ1>σ2>σ3)表达式[9]：

(4)

式中：σ1、σ2、σ3为所在位置上的最大、中间和最小主应力,Pa；σz、σθ和σθz分别表示柱坐标系下的切向应力、轴向应力和剪切应力,Pa；δ为有效应力系数；pp为孔隙压力,Pa；pm为井内钻井液柱压力,Pa。从对井周应力的分析可知,井壁最大、最小主应力σ1、σ3及夹角λ都是维持井壁稳定的最小钻井液柱压力pm的函数[9]。所以在已知水平向最大、最小主应力、垂向应力及裂缝弱面产状时,将(4)式中求得的井壁有效主应力σ1、σ3和λ角等参数代入式(1)和式(2)中,便可判别井壁破坏是从基质岩块还是从裂缝弱面发生的,也即可以得到裂缝弱面存在时维持井壁稳定所需的钻井液密度安全下限值,并从天然裂缝错动破坏和张开特性中判断裂缝开启漏压力[18-20],从而确定安全钻井液密度上限值。实现强应力背景下各向异性地层安全钻井压力窗口的更准确评价。

2 克深裂缝性储层井壁稳定性评价

以克深2构造为例阐述强应力背景下天然裂缝切割井眼时,在某一特定方位产生强度弱面后对井壁稳定性的影响情况。首先通过克深2白垩系地层基质岩体坍塌压力评价,发现该区岩石抗压强度较高,基质岩体的稳定性较好。但是该区正钻井井壁失稳同时存在漏失与卡钻现象。通过分析天然裂缝对岩石强度的影响,核定了本区井壁失稳的主控地质因素；其次定量评价了强应力背景下裂缝弱面位置上的坍塌压力和裂缝错动开启性的漏失压力,并分析了其位置处不同方位不同井斜时的井壁稳定情况,得到了直井眼情况下的更符合实际地层情况的安全钻井压力窗口。最后依据裂缝弱面影响下的井壁稳定特征,提出了针对性的工程地质建议。

图1为克深2构造一完钻井白垩系地层基质岩体稳定性评价结果,图中第一道曲线数据表征岩石抗压强度,第二道表征基质岩石钻井压力窗口,其下限为坍塌压力,上限为破裂压力,从图1可知该地层岩石抗压强度较高(80～130 MPa),其坍塌压力梯度范围1.8～1.86 MPa/100 m,说明对于基质岩体来说其稳定性较好,然而实际钻进中井壁失稳较严重,而且不同构造位置上的钻井稳定性差异较大。

图1 克深A井白垩系基质岩石稳定评价图

图2是本构造上另一口井的井史图形化示意,从图2可知白垩系地层钻进过程中划眼、卡钻等现象较多,而且卡钻位置与漏失的位置时间几乎是一一对应的,说明井壁失稳与天然裂缝有关联性。

图2 克深B井白垩系钻井井史图

图3为克深A井白垩系地层天然裂缝基本特征示意,从图3可知裂缝倾角分布于30°～90°之间,但裂缝倾角的统计峰值为60°～80°,即大部分属于高倾角裂缝。

a) 克深A井井壁成像裂缝示意图

b)克深A井裂缝倾角统计图

图4为不同裂缝产状对岩石单轴抗压强度的影响示意图[4-5],从图4可知当裂缝面角度接近0°或90°时,裂缝对与岩石强度几乎没有影响；但当裂缝面倾角在30°～90°之间,岩石强度明显降低,裂缝倾角为60°时,岩石强度最低,裂缝对岩石强度的影响最大。

图4 裂缝产状对岩石强度影响示意图

综合图1～4可知，克深2构造白垩系地层裂缝的存在对岩石抗压强度有较大的降低效应,且直接影响到钻井井壁稳定性。因此,厘定本区井壁失稳的主要地质因素是发育的天然裂缝在钻井井眼上产生若干组与之相切割的低强度弱面,其在强应力、高孔隙压力的背景下将先于基质岩体破坏,而且井壁不同程度的泥浆漏失降低了裂缝面周围岩块间的剪切强度,一定程度上加剧了井壁失稳。

克深构造白垩系地层现今应力模式为潜在走滑型应力场(σH>σV>σh),水平应力强且分布复杂,在此背景下裂缝发育位置处的坍塌压力和漏失压力是本区井壁稳定性研究中的关键。图5为克深C井白垩系地层某一裂缝发育位置上井壁稳定性评价结果,(图5-a))为其不同产状裂缝切割井眼的模型平面示意图,(图5-b))为相应裂缝发育位置井壁稳定性评价结果,其中圆饼图表示这种应力状态和裂缝产状情况下,不同方位不同井斜时的稳定性,其中冷暖系反应此种情况下维持井壁稳定所需的泥浆密度,蓝色表示较稳定的位置,需要较小的泥浆密度平衡失稳,红色表示稳定性差的位置,需要更高的泥浆密度维持稳定,圆饼图中圆周表示不同的地理方位,圆心至圆外表示不同的井斜角度。从图5中可知直井眼时(即圆心位置)维持井壁稳定的泥浆密度略大于1.91 g/cm3,而其中包括直井所在的A区位置井壁稳定性较差,坍塌压力范围1.87～1.92 g/cm3泥浆当量,而在B区和C区稳定性较好,坍塌压力小于 1.85 g/cm3泥浆当量,也即对于本区来说,井斜大于60°,方位在北东、北西、南南西、南南东上的井轨迹稳定性更好。

图6为克深C井钻井裂缝开启性漏失压力评价结果,其中黑白点子位置表示天然裂缝产状(倾向和倾角)信息,白色点子对应左边红色点子表示开启裂缝,黑色点子表示闭合裂缝。可知当泥浆密度大于1.95 g/cm3时部分天然裂缝开启,发生漏失可能性大,而当泥浆密度小于1.9 g/cm3时部分天然裂缝均未开启,说明在强应力背景下的裂缝性地层,钻井液液柱压力大于孔隙压力一定值时即有可能发生漏失,漏失压力不再由破裂压力和最小水平主应力控制,而是取决于裂缝产状和现今应力状态之间的关系,如果发生漏失,钻井液进入这些弱强度结构面,将降低岩块间的摩擦力,增加井壁失稳。

因此对于这种强应力背景下的裂缝发育地层,井壁稳定性研究的关键是从应力与裂缝关系角度出发,确定裂缝面上的垮塌压力和漏失压力。从图5和图6及上面描述中可知，本井目的层裂缝发育位置地层坍塌压力泥浆当量为1.91 g/cm3,而地层漏失压力泥浆当量为1.95 g/cm3,安全钻井压力窗口较窄。而对于另一构造克深B井来说,其位置处于构造较低部位,地层较陡、地层倾角较大,

a)天然裂缝切割井眼平面示意

b)考虑裂缝影响的钻井稳定性评价结果

a)克深C井泥浆密度大于1.95 g/cm3时裂缝特征

b)克深C井泥浆密度小于1.92 g/cm3时裂缝特征

且存在断层使其天然裂缝更发育,地层破碎性更强,因此估算其井位处白垩系地层上部直井眼坍塌压力大于1.93 g/cm3泥浆当量,而漏失压力又小于1.93 g/cm3,对于直井眼,理论上的安全压力窗口为零,因此钻直井眼时困难极大。

针对裂缝性地层安全钻井压力窗口窄、井壁容易失稳的问题,提出两个工程地质建议：一是改善钻井液综合性能,增加地层漏失压力,防止或最大限度减少漏失,提高其对井壁稳定的支持能力。二是在钻井工艺可行的条件下考虑改变井眼轨迹,从高部位(地层倾角较小)向北东方向,钻70°左右的大斜度井,这样既能避开最不稳定区域(图5-b)),又能实现渗透性裂缝的最佳钻遇(图6),而且这种井轨迹也更利于钻后储层改造,可进一步提高单井产量。

3 结论

1)从天然裂缝切割钻井井眼形成强度弱面角度出发,建立适用于强各向异性复杂条件下的井壁稳定性评价方法。

2)核定克深地区白垩系地层井壁失稳的主控地质因素是强应力背景下的裂缝弱面错动破坏,由于这种地质因素的影响使得地层坍塌压力较高而漏失压力又较低,当地层倾角较高、裂缝更发育时某些层段的安全钻井压力窗口极窄,甚至没有理论安全窗口。

3)对于这种安全钻井压力窗口窄的裂缝性地层,不能单从泥浆密度的高低调整来维持井壁稳定,而是要改善泥浆综合性能来防止漏失,以提高其有效支撑井壁能力。在钻井技术条件容许的情况下,改变井眼轨迹从构造高部位钻大斜度井是维持井壁稳定的最佳方案,既能避开最不稳定区域,又能实现渗透性裂缝的最佳钻遇,提高单井产量。

4)本区应力与裂缝特征虽然对钻井井壁稳定性影响较大,但其中若干裂缝面位置处于潜在力学活动状态,力学液导性能、开启和错动性均较好,有利于实施储层改造工程和应用新技术,便于高效增产。

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