大港滩海大位移井井壁稳定技术研究

邹灵战 汪海阁 张红军 程荣超 卓鲁斌

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195）

大港滩海大位移井井壁稳定技术研究

邹灵战 汪海阁 张红军 程荣超 卓鲁斌

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195）

大港油田主要采用大位移井开发滩海油气资源。在2008年埕海二区大位移井钻井中遭遇了严重的井壁坍塌，单井平均事故复杂时效达22%，严重影响大位移井的安全。通过对油页岩层理弱面强度测定、斜井井壁应力分析、井眼轨迹对坍塌压力和破裂压力的影响分析、井壁稳定的力学和化学对策的研究，指导井眼轨迹优化设计、安全泥浆密度窗口确定及钻井液性能改进，现场应用效果显著。

大位移井；井壁稳定；油页岩

大港油田通过在滩海建立人工岛，采用大位移井、水平井钻井开发埕海一区、埕海二区油田。在2008年钻井中遇到严重的井壁坍塌问题，完钻的7口大位移井中有3口井因井壁坍塌造成卡钻事故、侧钻，其中张海21-21L井侧钻5次，张海13-25L侧钻3次。发生井壁失稳的地层为东营组和沙河街，发生井段的井斜角全部大于40°，2008年单井平均事故复杂时效高达22%，严重影响了滩海油田的开发。

大位移井发生井壁失稳的类似情况在国外也遭遇过，1999年美国阿拉斯加Niakuk油田大位移井连续发生严重的井壁失稳问题,大位移钻井被搁置［1］。BP公司的研究表明大位移井井壁稳定与地应力方向、井眼轨迹、泥岩层理弱面密切相关，并推荐了针对性措施［2］。

本研究针对这些技术难点，把地质、钻井和测井资料、岩心室内试验、力学分析结合在一起，建立一套系统评估的方法，实现对大位移钻井井壁稳定性的评估，为井眼轨迹优化设计、安全钻井泥浆密度窗口确定、钻井液性能改进提供依据。

1 研究方法和成果

（1）失稳地层的强度特性研究

岩石的破坏条件一般用摩尔-库仑条件，强度参数可以通过室内强度试验来测定，通常有单轴抗压强度、围压下的三轴抗压强度以及抗拉强度试验，得到强度参数黏聚力和内摩擦角的大小［3］。

式中:σ1—最大主应力，MPa;σ3—围压，MPa;c—黏聚力，MPa;φ－内摩擦角。

油页岩的层理很发育，层理面即为强度弱面，弱面上强度参数黏聚力和内摩擦角通常比岩石的低很多，弱面强度是弱面法线与最大主应力夹角的函数。通过改变层理面与水平面的角度取心，做单轴或三轴抗压强度测试，建立弱面强度-层理面角度的特性关系，弱面的破坏准则为［3］：

式中:σ1—弱面上最大主应力，MPa;σ3—围压，MPa;cj—弱面的黏聚力，MPa;φj—弱面的内摩擦角；β—弱面法线与最大主应力的夹角。

海二区沙河街油页岩地层的岩心见图1，层理非常发育，为了研究层理面强度参数，沿着层理面与水平面成60°角度取心，做室内三轴抗压强度测定试验，结果见图2。

图1 沙河街地层岩心

图2 油页岩层理面强度特性曲线

依据试验数据，确定了油页岩层理面的内摩擦角28°，低于正常情况（42°），层理面黏聚力 7MPa，是正常情况的1/2，据此做出层理面强度特性曲线见图2。在井斜角达到35°以后层理面开始影响井壁稳定，大井斜条件下井壁岩石层理面法线与井壁应力之间夹角处于不利范围内，强度是正常情况下的将近1/3，剪切破坏将会发生在层理弱面上。另外，浸泡清水7d的强度降低将近50%，反映了水化作用的影响。

（2）斜井应力分析

斜井条件下井壁应力的计算与直井不同，需要对三个主应力的坐标系进行两次坐标变换，计算得到斜井的井壁应力。

（3）两个判断准则

大位移井井壁发生剪切破坏（坍塌）的判断准则：

大位移井发生井壁拉张破坏（破裂）的判断准则：

式中：σθ—井壁切向应力，MPa；σr—井壁径向应力，MPa；C—黏聚力，MPa；φ—内摩擦角，（°）；T—岩石抗拉强度，MPa。

层理弱面特征明显的沙河街油页岩地层，则需要考虑弱面法线与井壁切向应力之间的夹角，采用弱面破坏的准则来判断，见式（5）。

（4）沙河街油页岩地层井壁稳定的力学评估

油页岩地层层理特征很明显，大位移井情况下层理面法线与井壁切向应力方向夹角在弱面强度不利的角度范围内，更容易发生沿着层理面的剪切破坏，大斜度井情况下坍塌压力最高达到1.55MPa，破裂压力将降低到1.8MPa，因此在油页岩地层更容易发生严重的井壁坍塌。观察沙河街油页岩地层井壁坍塌返出的掉块，能够发现剪切破坏主要发生在层理面上，与分析结果吻合。

图3 沙河街油页岩地层大斜度井坍塌压力与破裂压力

2 大位移井井壁失稳原因与对策

（1）大位移井井壁失稳原因

力学原因：埕海二区储层垂深达到2 800m，大斜度井的应力集中比直井更大，尤其在水平最大主应力方位，井壁应力最为集中,而且沙河街油页岩的层理特征明显，大斜度钻井时泥岩层理弱面的法线与井壁应力之间夹角处于不利范围内，井斜角达到60°以后，层理弱面强度处于最低范围，单轴强度20MPa，因此更容易发生剪切破坏，井壁破坏区的范围更大。2008年所钻的张海13-25L井、张海21-21L井的井眼轨迹靠近最大水平主应力的方位，大井斜条件下坍塌压力高达1.55MPa，而钻井液密度是按照直井三压力来设计的，现场钻井液密度在1.20～1.28g/cm3的范围，因此远不能平衡东营组和沙河街地层的坍塌压力，这是发生井壁失稳的力学原因。

化学原因：对沙河街油页岩岩心浸泡清水后试验测定，强度降低达到30%～50%，在直井条件下水化作用导致强度从60MPa下降到30MPa，坍塌压力升高到1.25MPa，因此在直井和小井斜条件下可以通过适当提高钻井液密度，只要达到1.25g/cm3即可抵消化学作用，井壁依然保持稳定。但在大井斜条件下层理弱面的强度处于不利的角度范围内，坍塌压力已经高达1.40～1.55MPa，井壁稳定本来处于脆弱的力学平衡状态，如果水化作用使层理面强度降低50%，则坍塌压力将会提高到1.80MPa，超出安全泥浆密度窗口的上限破裂压力，是不允许的，此时化学作用打破了力学平衡，导致井壁不断周期性坍塌。因此大斜度条件下必须强调钻井液的失水、封堵、抑制性，优良的钻井液性能成为力学平衡建立的前提。

（2）保证井壁稳定对策

力学平衡对策：2009—2011年后续大位移井优化井眼轨迹方位避开水平最大主应力方位（近似东西方向），尽量靠近水平最小主应力方位（近似南北方向），并结合井眼轨迹确定合理的钻井液密度，保障力学的稳定性，大位移井的安全泥浆密度窗口见图4，在井斜角45°以后的大斜度井段钻井液密度从1.19g/cm3提高到1.45g/cm3，平衡坍塌压力。在力学稳定的基础上，降低钻井液的失水、优选钻井液封堵材料提高封堵能力，大斜度井段降低API失水，井斜角45°后，API失水从10mL降低到3.6mL，见图5。这些措施保障了大位移井在钻井和完井阶段井壁稳定。

图4 结合地应力和井眼轨迹的安全泥浆密度窗口

图5 现场钻井液密度和API失水性能曲线

3 现场应用效果

经过2008、2009年的技术攻关，后续大位移井钻井的事故复杂时效从2008年的22%降低到2011年的1.8%（见图6）钻井安全得到有效保障，建成了包括2-1、2-2等人工岛，滩海油田实现了20×104t产能目标，经济和社会效益显著。

图6 埕海二区大位移井事故复杂时效逐年对比

[1]Dowson S L,Willson S M.An Intergrated Solution of Extended-Reach Drilling Problems in the Niakuk Field,Alaska:Part I-Wellbore Stability Assessment[J].SPE 56563.

[2]Stephen M，Willson,Stepthen T，et al.Assuring Stability inExtended-Reach Wells—Analyses,Practices,and Mitigations[J].SPE/IADC 105405.

[3]郑颖人，沈珠江，龚晓南.岩土塑性力学原理[M].北京:中国建筑出版社，2002：64-70.

[4]金衍，陈勉，刘贡慧,等.大位移井的井壁稳定力学分析[J].地质力学学报,1999，5(1)：4-11.

[5]邓金根,蔚宝华,邹灵战,等.南海西江大位移井井壁稳定性评估研究[J].石油钻采工艺，2003，25(6)：1-3.

The Bore-hole Stability Technique in Dagang Nearshore Oilfield

ZOU Lingzhan WANG Haige ZHANG Hongjun CHENG Rongchao ZHUO Lubin
(Drilling Engineering Research Institute,PetroChina,Beijing 100195)

In Dagang oilfield,ERW well is the main drilling mode.In 2008,ERW drill encountered severe well bore instability,resulting in drilling complex and failure which account for average 22 percent drilling time,which greatly impacted on the efficiency of drilling.A suit of techniques is summarized,including pore-pressure prediction,in-situ stress determination,rock tri-axial strength test,character of strength on bedding plane,side wall stress analysis,effect of well trajectory on collapse pressure and bursting pressure.The research gives advice to optimize the well trajectory,safe mud density window,property of drilling fluid,the favorable achievements has been obtained.

extended reach well；borehole stability；oil shale

TE283

A

1673-1980(2012)05-0080-03

2012-05-08

“长江学者和创新团队发展计划”项目(IRT0411)；全国百篇优秀博士论文基金项目(200349)

邹灵战(1972-)，男，河南南阳人，博士，研究方向为钻井提速，井壁稳定。