渤中19-6区块钻具安全下放速度图版建立及应用

陈立强，薛懿伟，王赞，王占领，贺占国，邵宇航

中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司 （天津 300452）

0 引言

渤中坳陷是渤海湾重要油气勘探盆地，特别是近年来坳陷内多个构造区块古潜山获得重要天然气发现，凸显了环渤中凹陷千亿方规模大气田良好前景[1-3]。但该区域古潜山储层埋深均在4 500 m 以上，根据井身结构设计结果，馆陶组及东营组存在薄弱地层，多口井在Φ311.15 mm 井段薄弱地层钻进期间发生漏失，严重影响了钻井效率[3-4]。如何安全、顺利地钻穿薄弱地层成为了亟待解决的难题。

钻具在井眼内下放会产生激动压力，激动压力大小与地层特性、井眼几何尺寸、钻井液流变性及钻具下放速度等因素密切相关[5-6]。因此控制钻具下钻速度，避免激动压力压漏地层成为了重要措施之一。激动压力以弹性波的形式存在并传播，极易造成地层破裂、循环漏失等事故[7-9]。关于激动压力的研究，国内外学者多集中在其预测精度及软件开发上，且研究也比较成熟[7-14]。因此，基于国内外学者成熟的研究成果，将研究重心放在激动压力破坏地层的机理上，设计合理的钻具下放速度，指导现场作业，避免出现压漏地层的现象。

地层漏失、破裂的研究多应用在压裂方面，国内外学者对裂缝起裂机理的研究已较为成熟，当井壁处周向应力达到岩石抗拉强度时，导致岩石发生拉伸破坏[15-16]。认为激动压力导致钻井液通过渗滤作用进入井壁周围地层，从而影响井周应力及地层压力分布，进而影响岩石的破裂强度[17-19]。考虑钻井液密度、钻具下放速度、下放深度3个主要可控影响因素，建立钻具下放过程中的井底安全评估图版，为井身结构设计及钻井施工参数提供重要依据，从而保障钻井过程的顺利进行。

1 渤中区块地层特征

渤海油田地层从上至下为：第四系上新统中新统明化镇组上段、下段，中新统馆陶组，渐新统东营组一段、二段、三段，始新统沙河街组、孔店组。其中明化镇组上部砂泥岩不等厚互层，下部厚层泥岩夹砂岩，多含塑性泥岩。馆陶组上部砂泥岩不等厚互层，中下部厚层砂砾岩夹薄层泥岩。东一段和东二上段砂泥岩不等厚互层，多含玄武岩、沉凝灰岩，东二下段和东三段上部砂泥岩不等厚互层，中下部厚层泥岩为主，多含闪长斑岩。沙河街组以厚层泥岩为主，发育生屑云岩。孔店组发育大套厚层含砾砂岩、砂砾岩。太古界潜山发育花岗片麻岩[3-4]。

渤中区块馆陶组及东营组存在薄弱层，该薄弱层承压能力较弱，故井身结构设计Φ311.15 mm 井段钻穿该薄弱层，并下套管固井封固以便安全钻开沙河街组高压地层。根据已钻多口井显示，该井段钻进期间薄弱层多发生漏失现象，因此急需针对该区块展开钻具安全下放速度研究，以避免出现激动压力过大压漏地层等井下复杂情况。

2 井周应力及地层压力分布模型

2.1 钻井激动压力模型优选

钻井激动压力的计算模型分为稳态计算模型和瞬态计算模型，前者没有考虑钻井液流体的压缩性以及井眼的膨胀性，后者考虑较为全面。因此，瞬态计算模型得到的激动压力值与实测值较为接近，稳态计算模型得到的激动压力值较实测值偏高[20-21]，但稳态法更为安全，计算更为简单快捷。考虑海洋钻井的安全系数要求较高，因此，采用稳态法计算模型，激动压力为：

式中：psw为激动压力，MPa；H 为井深，m；D 为井眼直径，m；d0为钻具外径，m；v为钻具下放速度，m/s；ρ为钻井液密度，g/cm3；λ为摩阻系数；t为时间，s。

2.2 井周地层压力分布模型

钻具下放过程中产生激动压力psw，导致井底压力pw升高，考虑钻井液的渗滤效应，部分钻井液流体渗入井壁围岩，改变了地层孔隙压力p，造成额外的周向应力σθ3。根据文献[22-24]可知，地层孔隙压力的升高会降低岩石的抗拉强度，从而易造成地层破裂、循环漏失等井下复杂情况。基于以上假设，井壁周围地层压力为：

式中：pw为井底压力，MPa；r 为距井眼轴线的距离，m；psw为激动压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa；K=k/μnβ，k 为岩石渗透率，m2；μ 为流体塑性黏度，Pa·s；n为岩石孔隙度；β 为流体压缩系数，MPa-1；J0与 Y0分别为第1类、第2类零阶贝塞尔函数。

2.3 井周应力分布模型

假设地层岩石为均匀各向同性、线弹性多孔质材料，井壁围岩处于平面应变状态，对井眼周围岩石应力状态数学模型做出以下假设：在无限大平面上，井眼内受均匀内压力pi、最大水平主应力σH、最小水平主应力σh作用，垂直方向受上覆地层压力σv作用。岩石变形相对于无限大地层为无限小，故岩石为小变形弹性体，因此线性叠加原理适用[12]。当井内流体压力增大或造壁性能不佳时，由于钻井液的渗滤效应，造成井壁周围孔隙压力增大从而产生附加应力场。因此，井壁围岩总应力状态可通过先研究各应力分量对井壁围岩应力的影响，再运用叠加原理得到总应力分布。

井壁岩石所受周向应力达到岩石抗拉强度时，岩石发生破坏，周向应力由3个方面组成：①地应力引起的周向应力σθ1；②井筒内流体压力引起的周向应力σθ2；③井内流体渗滤效应引起的周向应力σθ3[25-26]。各周向应力计算公式如下：

式中：R 为井眼半径，m；A=（1-2ν）（1-KB/KM）/（1-ν），ν 为泊松比；KB与KM分别为岩石骨架与充填矿物的体积模量，MPa；θ为井眼周向角，（°）。

考虑有效应力准则，并运用应力叠加原理，则可以得到有效周向应力σθ为：

根据岩石破裂准则，当井壁岩石有效周向应力达到岩石抗拉强度σt时岩石破裂[12]，即：

该模型的求解采用辛普森积分法，利用Matlab软件编制计算程序进行数值求解，利用Origin 软件对计算结果进行编辑出图。

3 井底安全评估图版建立及应用

上述模型以渤海油田渤中区块地层及工程参数为基础，以Φ311.15 mm 井眼为分析对象，模型参数见表1。模型参数分为2类：一类是取决于油田储层性质的客观地层参数；另一类是主观的工程参数，如钻具下放速度、钻井液性能等。

表1 模型参数

3.1 井底安全评估图版建立

由于钻具下放产生激动压力，加之钻井液渗滤效应影响井壁附近地层孔隙压力，且渗流作用一直存在，造成井壁附近的地层孔隙压力在时间和空间上不断发生变化，运用叠加原理得到井壁周围有效周向应力分布规律，如图1所示。短时间内，有效周向应力为负值，即为压应力，距离井壁越远，压应力越大；随时间推移，近井壁附近有效周向应力为正值，即为拉应力，距离井壁越远，拉应力逐渐减小，恢复为压应力；在井壁处，有效周向应力随时间推移逐步由压应力变为拉应力。根据岩石破裂准则可知，井壁岩石有效周向应力达到岩石抗拉强度时岩石发生破裂，即σθ=σt。

图1 激动压力作用下井壁有效周向应力分布规律

从图1 中可以看出，井壁处的岩石有效周向应力最先达到岩石抗拉强度，最先破裂，因此重点关注井壁处的最大有效周向应力。综合式（1）-式（8）可以看出，井壁处有效周向应力是钻具下放速度、下放深度、钻井液密度的函数，而这3个参数亦是主观可控的工程参数。在某一深度处以钻具下放速度及钻井液密度为变量，绘制有效周向应力分布云图，从而绘制出不同井深处的钻具下放速度及钻井液密度为变量的有效周向应力分布云图，如图2所示。

图2 不同井深处井壁围岩拉伸破坏控制曲线

图2（a）为深度2 200 m、图2（b）为深度4 200 m，不同钻井液密度、不同钻具下放速度的井周最大有效应力分布。在低钻井液密度及低钻具下放速度条件下，有效周向应力为负值，即为压应力；随钻井液密度及钻具下放速度的增加，在激动压力的作用下，有效周向应力逐步变为正值，即变为拉应力；“0.0包络线”即为压应力转换为拉应力的控制曲线，为裂缝性地层发生破坏的控制曲线；“4.0包络线”为拉应力达到岩石抗拉强度的控制曲线，为完整性地层发生破坏的控制曲线。

图3 井底安全评估图版验证分析

通过对比不同井深的包络线可以看出，随着井深的增加，包络线越向右上方移动，即包络线所对应的钻井液密度及钻具下放速度选取范围越广。将图2 中不同深度的拉伸破坏控制曲线（“4.0 包络线”）合成到一张图，形成了考虑激动压力影响的井底安全评估图版，如图3所示。

3.2 井底安全评估图版应用

该模板的使用方法为：对于某Φ311.15 mm 的井段斜深为1 800 m，设计钻井液密度为1.25 g/cm3，钻具下放最大速度为1.1 m/s，对应图版A 点，A 点位于1 800 m 控制线（红色曲线）左下方，即井壁处有效周向应力小于岩石抗拉强度，因此该工况产生的激动压力不会压漏井底地层。而对应的B点由于钻具下放速度过大，位于1 800 m 控制线的右上方，即井壁处有效周向应力大于岩石抗拉强度，会压漏井底地层，因此需要降低钻具下放速度。C 点由于设计钻井液密度为1.31 g/cm3比较高，在此工况下，为保证井底安全，应降低钻具下放速度至D 点。这里需要指出的是不同油田区块的地层参数不尽相同，因此形成的安全评估图版也不同，针对不同的油田区块以该方法绘制自适应的图版，从而指导油田区块的钻完井作业。

利用该模板对本油田区块作业的7 口探井Φ311.15 mm 井段激动压力影响下的井底安全进行验证分析，其Φ311.15 mm 井段深度、钻井液密度、钻具最大下放速度见表2。well1 井Φ311.15 mm 井段深4 313 m，该井段钻井液密度为1.43 g/cm3，模型建议最大下放速度为1.20 m/s，实测钻具下放速度数据点133 个，其中有24 个点高于1.20 m/s，最大下放速度高达2.08 m/s，超允许下放速度限值高达18%。该井Φ311.15 mm 井段钻进至4 313 m，起钻更换钻具组合，下钻至井底发生漏失，处理漏失共耗时72 h以上。

以well 2 井为例，Φ311.15 mm 井段深3 836 m，钻井液密度为1.40 g/cm3。通过将录井数据中的1 312 个钻柱下放速度数据点投影到图版中可以发现，为保证井底安全，该工况下钻具下放速度不得超过1.21 m/s，而实际录井数据中只有4个点略高于1.21 m/s，即钻具下放控制速度的合格率为99.7%，该井并未发生井漏事故，按此验证方法，其余5口井均验证了模型的准确性。

为防止井漏及井涌压井时压漏地层，钻井工作者提出尽量控制下放速度防止激动压力过大，从井身结构设计角度提出了附加激动压力当量密度以保证井壁稳定，但该参数的选取是一个范围，为0.02～0.04 g/cm3，无法适应具体井。提出的井底安全评估图版考虑钻具下放速度、下放深度、钻井液密度，在钻井设计阶段可根据设计钻井液密度、设计井身结构，从而给出最大允许钻具下放速度。在实际施工过程中，可根据实时的钻井液密度及井深，在图版中对应出最大允许下放速度，从而确保井底井壁处有效周向应力不超过岩石抗拉强度。

表2 案例分析数据

4 结论

1）激动压力影响井壁周围地层压力分布，进而影响井周应力分布，以井壁有效周向应力达到岩石抗拉强度为破裂准则，得到了井底安全评估模型。

2）钻井液密度及钻具下放速度较低时，受激动压力影响的井壁有效周向应力为压应力，随着钻井液密度及钻具下放速度的增大，井壁处有效周向应力逐步变为拉应力，直至达到岩石抗拉强度，从而导致井壁岩石破裂。

3）提出的井底安全评估图版，相比以前激动压力系数宽泛的选取范围，本图版更加简单明了，通过本区块7口井的应用分析，验证了本图版的准确性。

4）钻井设计过程中，针对薄弱地层，应重点评估钻具下放速度、下放深度、钻井液密度对井底安全的影响，防止有效周向应力达到岩石抗拉强度造成地层破裂，从而保证钻井安全。

5）考虑海洋钻井安全系数要求较高，故选用计算结果较为保守的稳态波动压力计算方法，提出的井底安全评估模型对瞬态波动压力依然适用，各油田应针对自身特点选取合适的波动压力计算方法。