深水钻井安全钻井液密度窗口计算模型的建立与应用＊——以西非AKPO深水油田为例

蔚宝华 闫传梁 邓金根 周建良 刘书杰 邢希金 谭 强

（1.中国石油大学（北京）； 2.中海油研究总院）

AKPO油田位于尼日利亚OML130区块，油田距尼日利亚海岸线约200 km，所处海域水深在1150～1750 m。该油田为挤压形成的背斜构造，构造内正断层发育，最大水平主应力方向约为N60°E。

深水钻井平均日费在100万美元以上，减少钻井复杂情况、提高钻井效率是提高深水油气田开发经济效益的关键，而我国的深水油气田开发尚处于起步阶段，对深水钻井液密度的确定也没有专门的计算模型。笔者针对AKPO油田的钻井情况和深水地质特征开展了井壁稳定性研究，建立了深水井壁稳定性分析模型，并在该油田钻井实践中得到了验证，对类似深水油田井壁稳定性分析具有借鉴意义。

1 深水井壁稳定性分析的难点

国外在20世纪90年代掀起了深水油气开发的热 潮，Martin Traugott［1］、Richin Chhajlani［2］、Rocha［3］等学者对深水井壁稳定性的研究做出了很多有益的探索。尽管深水地层与陆地和浅水地层相比在地层性质方面有其特殊性，但在井壁稳定性研究方法上是基本相同的，都要先确定井眼周围应力状态和地层的变形破坏规律，然后根据合适的破坏准则判断井壁是否稳定。

虽然研究方法基本相同，但深水地层条件更加复杂，井壁稳定性分析的难度也会更大，主要表现在以下方面：

（1）由于深水区域上覆岩层相当一部分被海水替代，上覆岩层压力与陆地相比偏低，导致地层破裂压力较低，使得地层孔隙压力和破裂压力之间的窗口很窄，因此，提高安全钻井液密度窗口的预测精度尤为重要；

（2）泥面以下1000 m以内的深水浅部地层压实时间短，仍处于固结成岩阶段，地层渗透率高，强度低，表现出塑性趋势，坍塌压力较高，破裂压力值极低，极易发生井眼缩径和井下漏失，因此，建立反映深水浅层井眼周围应力状态的坍塌压力和破裂压力计算模型非常重要；

（3）深水浅层沉积层可能存在浅层气、浅层水，易发生井涌、井喷。

由于浅层气、浅层水在AKPO油田很少钻遇，所以前2个问题对于评估AKPO油田井壁稳定性更加重要。

2 深水钻井安全钻井液密度窗口计算模型的建立

2.1 深水浅层安全钻井液密度窗口计算模型的建立

深水浅部地层处于固结成岩阶段，塑性强，井壁附近处于弹塑性状态，用传统的多孔弹性理论进行井壁稳定性分析显然是不合适的，必须对井眼周围塑性状态进行研究。

为了准确评估深水浅层井眼破裂压力，国外学者进行了大量的研究。1997年，Lee［4］等人研究了水深对破裂压力的影响，发现深水井壁破裂压力和上覆岩层压力较为接近，但未给出专门的计算模型。深水浅部地层强度很低，在进行破裂压力计算时，其抗拉强度可以忽略。E.Kaarstad［5］（2006）基于挪威的深水钻井实践提出了用于计算深水浅层破裂压力的弹塑性模型，即

式（1）中：pf为地层破裂压力；σH和σh分别为最大、最小水平主应力；pp为地层孔隙压力；py为塑性附加应力。

在AKPO油田，浅部地层很少经历构造运动，两水平主应力之间基本相等，主要由上覆岩层的自重产生；浅部地层压力为静水压力，不存在异常高压，对破裂压力影响不大。根据E.Kaarstad等人研究，深水浅层的塑性附加应力py与上覆岩层压力有关，故公式（1）可简化为

式（2）中：σob为上覆岩层压力；const为常数，与油田地质特征有关，各油田间具有差异。

笔者对AKPO油田浅部地层的地漏实验数据和上覆岩层压力进行了计算分析，结果如图1所示，得到AKPO油田的const值约为1。也就是说，对于AKPO油田浅部地层，式（2）可简化为

根据 Andrew K.Wojtanowicz［6］等人的研究，在深水浅部地层，井筒被压裂时只能形成水平缝而无法形成垂直缝，这与公式（3）是非常吻合的。

图1 西非AKPO深水油田浅层破裂压力与上覆岩层压力关系

对于深水浅部地层，利用弹性模型计算的井壁坍塌压力相对比较保守，因为即使井壁周围出现一定面积的塑性区，也能维持稳定，为此需要计算不同钻井液密度下的井眼周围地层塑性区面积。AKPO油田浅层水平主应力近似相等，防止井壁坍塌的钻井液液柱压力pt可以通过下式计算：

2.2 深水深层安全钻井液密度窗口计算模型的建立

深水深部地层处于成岩后的压实阶段，井眼周围地层一般处于弹性状态，可利用多孔弹性理论进行井壁稳定性分析，井壁坍塌压力的计算模型为

式（5）中：M 为安全系数；σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；α为有效应力系数；pp为地层孔隙压力。

井壁破裂压力的计算模型为

式（6）中：Q＝β－3γ，为构造应力系数；pp为地层孔隙压力；St为地层抗拉强度；σv为上覆地层压力；μ为泊松比。

2.3 深水地层井下漏失压力计算模型的建立

钻井过程中的井下漏失问题与地层性质密切相关，地层性质不同，漏失的机理不同，漏失压力的计算方法不同。为准确确定井下漏失压力，需要根据钻井工程中的井漏现象确认漏失机理，进而优选漏失压力计算模型。笔者对AKPO油田已钻井的钻井情况进行了总结分析，发现钻井液漏失现象非常普遍，漏失皆发生在钻进或起钻过程中，瞬时漏失量较高但随后能够自然降低，加入封堵材料后漏失速率明显降低，总漏失量较低。结合各井的过井地震剖面，对漏失情况进行分析发现，该油田已钻各井的漏失都发生在断层附近。

AKPO油田地层正断层发育，部分断层封闭性差，裂缝面导流能力强，容易造成瞬时快速渗透性漏失。因此，在钻遇断层破碎带或其它裂缝性地层时，应以最小水平主应力作为钻井液密度的上限，并增强钻井液的封堵性，以防止钻井液侵入裂缝而造成漏失。漏失压力计算公式如下：

3 实例分析

A井是AKPO油田的一口探井，所处海域水深约1375 m，井深4158 m。利用公式（5）～（7）对该井的安全钻井液密度窗口进行了计算，结果见图2。

图2 西非AKPO深水油田A井安全钻井液密度窗口

从计算结果可以看出：坍塌压力的计算值与实用钻井液密度相符合，破裂压力、漏失压力与现场测量值相符合，说明本文提出的计算模型是合理的。

应该注意：该油田裂缝较发育，应尽量保持钻井液液柱压力小于漏失压力，并增强钻井液的封堵性，以免发生漏失；另外，该油田安全钻井液密度窗口较窄，在合理选择钻井液密度的基础上应注意优化钻井工艺，以免起下钻时的激动压力造成井壁失稳。

4 结束语

根据AKPO深水油田地层特性，基于塑性力学、多孔弹性力学建立了深水地层钻井液密度窗口计算模型。AKPO深水油田A井钻井实践表明本文建立的钻井液密度窗口计算模型较为合理，可为类似深水油田钻井提供借鉴。

［1］ TRAUGOTT M.Pore pressure and fracture pressure determinations in deepwater［C］.Deepwater Technology Supplement to World Oil，1997.

［2］ CHHAJLANI R，ZHENG Z Q .Utilization of geomechanics for medusa field development，deepwater gulf of Mexico［C］.SPE 77779，2002.

［3］ ROCHA L A S，FALCÃO J L，GONCALVES C J C ，et al.Fracture pressure gradient in deepwater［C］.SPE 88011，2004.

［4］ LEE S，REILLY J，LOWE R，et al.Accurate pore pressure and fracture pressure predictions using seismic velocities：an aid to deep water exploration and drilling design［C］.World Oil，Deep Water Special Supplement，1998：68－70.

［5］ KAARSTAD E，AADNOY B S.Fracture model for general offshore applications［C］.SPE 101178，2006.

［6］ WOJTANOWICZ A K，BOURGOYNE A T，ZHOU Desheng，et al.Strength and fracture gradients for shallow marine sediments［R］.Louisiana State University，2000.