确保大位移井稳定性的分析、实践及控制措施

编译:宋占胜 (大庆油田第五采油厂工程技术大队)

审校:何继锋 (大庆油田第五采油厂工程技术大队)

确保大位移井稳定性的分析、实践及控制措施

编译:宋占胜 (大庆油田第五采油厂工程技术大队)

审校:何继锋 (大庆油田第五采油厂工程技术大队)

大位移钻井 (ERD)的钻进长度变得更具有挑战性时,井壁稳定性保障技术 (无论是在前期准备阶段还是实施阶段)也以同步的速度在向前发展。在与地层成高角度钻进过程中井眼周围岩石崩落的理论认识和预测能力上的新进展,解决了在复杂地质条件下遇到的问题。钻进过程中把新的理论认识结合到了实时诊断和监测措施之中,为在复杂地质条件下钻进大位移裸眼井的稳定性提供了技术保障。

大位移井 井壁稳定性 预测能力

1 简介

大约10年前,由于在大位移井8.5 in(1 in=25.4 mm)井段连续发生严重的稳定性问题,阿拉斯加 North Slope的Niakuk油田大位移钻井技术被搁置。通过对这些问题的调查研究,突出了井眼稳定性预测、钻井液优化、液压传递、岩屑携带、操作实践和随钻压力测量工具使用等因素共同作用的重要性。大位移井的垂直深度和水平进尺已经有了稳步的进展。目前正在考虑用水平分支超过4 000 ft(1 ft=30.48 cm)、垂深小于1000 ft的大位移井从现有的油藏延伸到外围零星油气藏,或者应用在环境保护问题比较敏感的北极地区从陆上开发区块开发海上油田。目前对与地层成高角度钻进过程中井眼稳定性问题有了新的认积和预测能力。

2 大位移井的井壁不稳定问题

与常规高角度井钻进过程相比,在钻大位移井时需要考虑的因素更多,更难以掌握,并且还要采取额外的保障措施。随着大位移井井眼轨迹的延伸,海底深度和地面高程有可能发生明显变化。在这些实例中对孔隙压力、破裂压力梯度和地层应力仅进行简单的测定是不够的。为了准确地估测出孔隙压力和破裂压力梯度,必须考虑水深变化量。当大位移井要通过海底陡坡钻遇海底油气藏时,在钻井设计过程中要考虑的一个重要方面是大位移井长的切线段存在低的破裂压力梯度。

海底陡坡自由面的存在,将会使近表面的破裂压力梯度值降低到比盆地油气藏期望的破裂压力梯度值还要低。如果在钻井设计阶段没有考虑到该效应,那么将引起顶部井眼段的循环滤失。在该问题的重要性方面,应力状态的2 D或3 D有限元的预测可以证明。

大位移钻井的钻进通道穿越断层是比较常见的现象。在大位移钻井设计过程中应该考虑到断层区域存在滤失和不稳定性的问题。从钻井远景来看,由于断面将沿着井眼轨迹方向暴露很长的一段距离,所以钻进过程中,穿越不明角度的主断层将会面临很高的滤失和不稳定性风险。

为了在穿越隔层后依然能保持预定的井眼尺寸,在大位移钻井过程中,井眼段穿越上覆岩层的长度将要大于钻同等深度的直井穿越上覆岩层的长度。与常规井相比,大位移钻井过程中裸井眼暴露在钻井过程、钻井液中的时间会更长。这一情况的结果是增加了许多时变性效应的敏感性。当连接钻杆或钻杆接触井壁时,将会使更长的井眼段地层暴露在多个压力波动之下。

人们认识到裸露的地层和水基钻井液之间潜在的化学/机械作用。然而,对于大位移井钻进过程来说,在没有达到动态平衡之前,设计使用合成的油基钻井液依然会发生不利的渗透现象。水相间存在的潜在的电势会产生渗透流,不同相之间的接触不需要存在电势就会产生渗透流。

时变性效应的增强将会发生如图1所示的井壁不稳定问题。在北海一个大位移井深度方向上进行了对比测试,在钻井过程中和钻后不同时间段内进行了方位密度成像测试。高密度值部位用深棕色标识;测试成像显示裸眼井破裂部分密度值较低,用浅黄色标识;裸眼井严重扩张段用白色标识。图1所示的裸眼井的状态用随钻测井工具测试时还是良好的。在第一次开钻的几个小时后进行了第二次随钻测井。在第一次开钻后8 h的测井成像上可以看出微小的破裂。随着钻进的继续,井眼的状况开始随着时间的增加而变坏。钻杆的机械问题也延后了这个井眼段的完钻时间。在扩眼的5天和9天期间,分别进行了随钻测井测试,发现在第一次开钻后,被测试段井眼的状况不断地变坏。这一段在倒划眼之后被放弃,最后这口井进行了侧钻。

图1 北海大位移钻井方位密度测井成像显示的时延非稳定性

3 井壁稳定性预测

进行高角度钻井时,额外引起失败的机理占据着主导的作用。在非均质性岩石中接连不断地发生不稳定性问题。传统的预测井壁稳定性的方法都假设岩石为均质性的 (例如,对岩样施加一个特定方向的载荷,断裂层理面的方向和断裂极限强度与岩石层理面的方向是无关的)。然而,当非均质性的岩石发生破裂时,破裂层理的方向是由岩石层理的方向所决定的,并且极限强度明显降低。目前,已经建立了许多正交非均质性强度数值模型来重现此种效应。

对于阿拉斯加Niakuk油田的易剥裂页岩层,在最不理想的与层理所成角 (θ=60°)时的强度只是垂直层理方向强度的10%～40%。甚至在与层理平行的测试,强度也会降到垂直层理方向强度的40%～90%。

岩石的非均质性、应力集中的强度可能导致破裂在井壁上预料不到的地方发生。如果在垂直于层理方向上的强度足够大,井眼侧壁地层的破裂将会受到抑制 (图2)。如果地层应力非常小,在井眼上侧将会发生破裂 (由于重力的作用,在4点和8点钟位置破裂的物体可以保持不变形)形成一个方形破裂的形状。在井眼2、4、8和10点钟位置的岩石解离会引起岩石脱层,导致如图2所示的顶层崩落失败。由于顶层崩落取决于地层的强度和硬度,如果薄层非常薄,那么褶皱不稳定性导致的顶层崩落会更加严重。

图2 井眼平行于层理的厚壁圆柱体形Jurassic Draupne页岩测试时平行层理方向的井壁岩石崩落机理的电子显微镜扫描图片

3.1 页岩崩落的正交各向异性强度和单层脆弱面模型

PierreⅠ页岩强度的变化幅度与其他页岩不同。在以一个相对较小的层理角度对比PierreⅠ页岩与其他页岩时,会发现直到层理角接近45°时PierreⅠ页岩几乎一直保持恒定的强度,此时的强度(45°角)只有正交或水平方向的60%左右。

层理强度变化不是各向异性的,而是沿着特定不连续层理方向上的失效所提供的等强度的组合。此种失败模式可以用单层层理脆弱程度模型来描述。脆弱层理区别于整体岩石的主要特征是具有莫尔失效的属性 (内聚力和摩擦角)。

3.2 井壁稳定性

在假设正交各向异性强度或单层层理脆弱程度的条件下,可以对井壁稳定性进行预测。当井眼轨迹与平行层理方向间的夹角小于30°时,无论在什么条件下都需要对井壁稳定性进行预测。经验表明横断面越垂直于层理越不容易发生额外的不稳定,即使存在弱的层理时也不易发生井眼不稳定。然而在复杂的地质陡峭倾斜床基条件下,即使是只有些许斜度的井都会被钻成平行于层理方向的井。

在正交各向异性强度模型和单层层理脆弱程度模型中,可以采用数值方法和分析方法。考虑正交各向异性强度时,层理变化可以进行经验性定义(如用实验数据曲线回归分析法)或分析性解释。

4 实时技术

对井壁稳定性预测的关键信息是那些用来校正或预测未知参数值的井眼质量指标,特别是最大水平应力的数值和方向。通常可利用的井眼质量信息一般都在井眼成像测井数据中。引起井壁不稳定问题的崩塌宽度可以直接从影像中通过地层状态数据的回归分析方法得出。

当这些影像工具用于量化处理时,确保由于工具偏心和井眼粗糙所产生的失真成像得到校正是很重要的。不能像超声波测井成像仪那样直接测量井眼表面,密度测井只能获得地表下很浅距离之内的影像,所以,用方位密度测井放大的地层参数正弦波解释地层倾角时一定要谨慎。

5 实时数据应用

声速是任一实时钻井操作评估技术的关键输入参数。在对孔隙压力、破裂压力梯度和强度进行预测时需要使用声速参数。当用带地层压力、强度、模量等修正参数的声波测井仪测井时,认识到这些修正参数是通过对页岩垂直方向上纵波的测量所得到的,这很重要。所以,当声波测井应用这些修正值进行钻前研究时,对垂直错断的井应该首先选择声波测井。

页岩的特征是各向异性。由于声波的传播速度在平行于层理方向和垂直方向上是不同的,同时二者的强度也不一样。在页岩中,地震波的波速随着层理平面法线和地震波传播方向间的夹角的增大而增加。在平行于层理方向的地震波波速一般要大于垂直方向的波速。所以,当从实时井壁稳定性分析中推算层理性质时,用声波测井技术进行测井时一定要谨慎。

由于岩石的强度对预测钻井液密度的准确程度有较大的影响,因而在高角度井中波速的变化对预测结果的影响是非常明显的。在以往高角度钻井井壁的稳定性分析中,没有考虑波速的各向异性是一个重大的遗漏。如果不是在钻井设计中较早地认识到该效应,那么预测钻井液密度的实质是没有意义的。由于设计海上实时钻井时必须对波速各向异性进行一些修正,所以考虑波速各向异性非常有意义。

6 降低井壁不稳定性的措施

确保高角度井稳定性的最大风险在于钻前对层理脱落的崩落方式的预测。在近似垂直的井眼轨迹中,这种形式的井壁不稳定问题得到一定抑制。只有沿近似平行于层理方向进行钻井时,这种形式的井壁不稳定问题才会变得相当严重。

在没有对易脱落页岩进行钻前稳定性测定的情况下,高角度井的钻进可能会出现问题,前期对井壁不稳定性变化情况的实时监测是非常重要的。虽然实时传送的图像质量没有那些记忆性测井工具所测得的那样好,但图1的例子表明这种实时监测的能力目前还是有的。然而,在智能钻柱高速传输数据方面取得了一定的进展,并且在商业钻井应用中的测试获得了成功。将来,智能钻杆和现有随钻测量工具的组合会使井眼图像实时、高质量地传送到地面成为可能。我们期待井壁的不稳定性监测和诊断技术出现一个阶段性的进步。

6.1 底部钻具总成的设计

为了避免井眼堵塞造成底部钻具总成遇卡,钻具总成的结构应尽可能地简单并且长度尽可能地短。首选的是旋转钻具总成。从机械学的观点来看,如此设计会与采集随钻测井信息进行地质导向和判断不稳定因素位置和种类发生冲突。

6.2 净化井眼

当有大块的破碎落石从井壁上掉下时,井眼的清理工作变得困难。不仅要求钻井液能够把这些坍塌落石携带到地面,而且也需提供足够的泥浆泵排量来清理扩大了的井眼部位。随着钻井的不断实践,随钻压力实时监测仪和其他随钻监测仪 (如扭矩仪器、拉力仪器、振动仪器等)都有了相应的改进,并且已经取得了一定的效果。

6.3 扩眼和上提

在上提时不建议使用原排量进行循环,尤其是在环空中有岩屑和坍塌落石的时候。需要把密封后压力激荡引起的额外井壁塌陷、滤失的风险降到最低。在上提时,直到上提至先前套管鞋位置的整个过程中,都应该避免在井眼中留下大块岩屑而导致只能在短距离内起下钻的现象发生。

6.4 分析和监测坍塌落石

在不稳定的井壁条件下,建议监测发生井壁坍塌的面积,分析其地貌形态、深度数据及可能形成的年代。结合实时监测图像对井壁坍塌进行分析,不仅有助于了解不稳定井壁的发展,而且还有助于选择合适的治理措施。即使没有可用的图像数据,在区分该种模式与常规井壁侧向剪切失败导致的带棱角岩屑时,鉴定与层理不稳定性相关的块状或层状岩屑的产状是很重要的。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.010

资料来源于美国《J PT》2007年7月

2008-12-08)