某海上油田砂岩地层井壁稳定研究及应用

张艳英 王天慧 高智梁 吕国胜 郝晓军

中海石油（中国）有限公司秦皇岛32-6作业公司 天津 300459

某海上油田，属于前古近系基岩基础上发育起来的第三纪沉积盆地。在某层位的钻探过程中发现大套油层。通过地质录井和岩屑分析确定储层主要岩性为砂岩。该区块已钻的X1井等5口探井表明，钻井过程中在储层段遇阻、卡钻等井下复杂情况频繁，严重影响了钻井速度及储层保护。对取自该油田的16块岩样进行的单轴抗压强度试验结果表明，岩石抗压强度不高，范围在7.26～19.45MPa之间，研究发现：该区块砂岩储层具有高孔隙度、高渗透率、弱胶结和低强度的特点，在地应力作用下容易发生大变形，是导致井壁失稳的主因[1]。本文从井壁稳定的力学机理出发，分析定向井井周应力分布规律，建立定向井井壁稳定力学模型，并结合地应力、孔隙压力及室内试验确定的岩石强度参数和弹性参数[2]，对坍塌压力、破裂压力随井斜角、方位角的分布规律进行了计算分析。

1 井壁稳定力学模型的建立

1.1 力学模型的建立

广义平面应变条件下的斜井井眼示意图如图1所示（井眼初始形状为圆形），受三向地应力的作用，在井壁岩石为弹性状态，且考虑地层渗透作用时，井壁某点处所受的三个主应力为：

图1 斜井井眼应力分析坐标转换示意图

式中：

σh、σH、σV-分别为最小、最大水平主地应力及上覆地层压力；

Pm－泥浆柱压力；P0－地层孔隙压力；

φ0－地层孔隙度；α1－有效应力系数；

v－泊松比。

依据Mohr-Coulomb剪切破环准则，可建立基于井壁围岩有效应力场的岩石应力状态与岩石强度间的关系模型如下：

式中σ1、σ2分别为最大、最小水平主地应力。

由拉伸断裂机理可知，当岩石上一个有效主应力达到岩石的拉伸强度T时便发生地层破裂，按井壁渗透与否分如下两种判别：

由（2）知σ1、σ2、σr之间存在3种可能的关系：

1.2 坍塌压力的确定

给定一个初始pi值，算出θ角；计算出σ1、σ2和σr值；比较σ1、σ2和σr的大小，看其满足式上式中哪一条，然后带入相应的强度准则表达式看是否满足，如果不满足，则改变pi值重复上述计算，直至得到满足为止，这个pi值即为地层坍塌压力值。

1.3 破裂压力的确定

给定一个初始pi值，算出θ角；计算出σ1、σ2和σr值；比较σ1、σ2和σr的大小，令其最小值等于σmin，并根据井壁是否渗透代入（3）中看是否满足，如果不满足，则改变pi值重复上述计算，直至得到满足为止，这个pi值即为地层破裂压力值。

当井内钻井液液柱压力过低时，井壁很可能发生坍塌破坏（地层坍塌压力） ；当井内钻井液液柱压力过大时，井壁可能发生拉伸破坏（地层破裂压力）[3]。因此，可以得出保持井壁稳定的钻井液密度窗口范围[4]，上限为破裂压力，下限为坍塌压力。

2 井壁稳定实例分析

根据前面建立的模型，应用Visual Basic 6.0语言编制了定向井井壁稳定分析软件，选取该区块X1井某储层（1832m）为研究对象，对该油田定向井井壁稳定进行了分析，根据研究地层的岩性特点，考虑了渗透对地层漏失的影响[5]。

由前面的井壁坍塌压力和地层破裂压力的计算模型可知，地层岩石的力学参数（内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比等）和地应力是计算井壁坍塌压力和地层破裂压力的基础[6]。

根据岩心实验建立力学参数模型，计算岩石力学特征参数：

（1）岩石的泊松比和弹性模型

根据弹力理论，利用纵横波速度计算泊松比和弹性模量：

式中：E―弹性模量（Mpa）；μ―泊松比；ρ－地层密度；Vp－纵波速度；Vs－横波速度；

岩石内聚力（C）的确定

根据Coats等人的研究结果推出了内聚力（C）的计算模型：

式中：k－调整粘聚力系数

岩石的单轴强度

（4）内摩擦角

由三轴抗压强度实验，可得到不同围压下试样的破坏强度，用Mohr-Coulomb准则对实验数据进行回归，可得到试样的内摩擦角和粘聚力。

式中:c—粘聚力；φ—内摩擦角；σ1—最大主应力；σ3—最小主应力。

（5）主地应力的确定

主地应力的大小是随地层性质变化的，它主要来源于上覆岩层压力和构造运动产生的构造力[7]，在对于不同井深及不同力学性质的地层，建立分层地应力计算模型:

式中：ω1，ω2——构造应力系数；

σH，σh，σv——水平最大、最小地应力和上覆压力；

Pp——孔隙压力；μ——地层泊松比；

α——有效应力系数。

根据上述力学参数和地应力计算模型，得到涠三段地层计算参数值为：上覆岩层压力σv=49.14MPa，最大水平地应力σH=45.48MPa，最小水平地应力σ v=3 2.8 9 M P a，孔隙压力Pp=32.89MPa。依据岩心实验得到其它计算参数：泊松比μ=0.2909，粘聚力C=0.9576，内摩擦角Φ=36.07°，抗拉强度St=1.36MPa。

X1井位于凹陷断裂带中段，某油组顶面深度构造图如图2，依据该图给出的断层走向，水平最大地应力方位应在N125°～140°E之间。

图2 某海上油田水平地应力方位示意图

利用井壁崩落椭圆法对研究区块地应力方位进行了分析，根据井壁崩落椭圆统计结果，确定水平最大地应力方位为：N135°E，如图3所示。

图3 某海上油田最大水平主地应力方位示意图

计算得出的坍塌压力破裂压力随井斜角方位角的变化关系图如图4所示。

图4 地层定向井坍塌压力（a）和破裂压力（b）随井斜方位角变化规律图

由图4计算结果可以看出某层段地层坍塌压力随方位角变化，在最大水平主地应力方向为1.26～1.32g/cm3，整体高于最小水平主地应力方向的1.16～1.26g/cm3。即最大水平主应力方位地层坍塌压力较高，属于高风险方位；在相同方位角下，随井斜变化，坍塌压力也不同。以最小水平主应力方位为例，在井斜角从0°～90°的变化过程中，坍塌压力先降低后增加，变化范围在1.16～1.26g/cm3之间。在约60°的时候坍塌压力降低到最低点1.16g/cm3，此时井壁稳定性最好。

上述研究结果显示研究区块最小水平主应力方位安全钻井密度窗口最大，为最佳钻井方位。现场定向井钻井施工表明：从井下复杂情况比例和事故率上看，沿最佳钻井方位角钻进的定向井井下坍塌和漏失等复杂情况和时效明显降低，成功解决了定向井中砂岩储层段井壁失稳问题。

X4h井为该油田继X1等5口探井之后的水平开发井，以稳斜角87.62°钻穿某层段储层，根据前面的计算结果，推荐水平段泥浆密度为1.21～1.28g/cm3，实钻显示，未发生复杂情况。

3 结束语

通过泥浆产生的井筒压力来维持砂岩地层水平段井眼的井壁稳定，是一个行之有效的方法。关键在于如何确定准确的安全钻井泥浆密度窗口来保持井壁稳定。

定向井井壁稳定受地层岩石物性，地应力场分布，井眼轨迹井斜角、方位角等因素的影响。

当方位角一定时，随着井斜角的增加，总体上坍塌压力要升高，即水平井的坍塌压力要比直井情况下高一些，因此钻直井较斜井井壁稳定性强。总体上破裂压力随着井斜角的增加逐渐增大；沿着最大主应力方位，破裂压力随着井斜角的增加逐渐降低。

定向钻井中存在最佳钻入角，当沿最佳钻入角钻进时，安全钻井泥浆密度窗口最大，井壁稳定性最好。在三个应力满足上覆岩层的垂向应力最大时，最小水平主地应力的方位为最佳钻入方位。