气体钻水平井井壁稳定性分析新方法

朱澄清 肖国益 李皋 朱化蜀

（1.中国石油化工股份有限公司西南油气分公司，成都610016；2.中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院，德阳618000；3.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500）

气体钻水平井井壁稳定性分析新方法

朱澄清1肖国益2李皋3朱化蜀2

（1.中国石油化工股份有限公司西南油气分公司，成都610016；2.中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院，德阳618000；3.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500）

与常规钻井液钻井相比，气体钻井技术在提高机械钻速、保护油气层等方面有着无可比拟的优势，其中井壁稳定是气体钻井过程中最为突出的问题。目前对于气体钻水平井没有一套合理的井壁稳定分析方法，给现场钻井带来很多困难。在直井井壁稳定分析理论模型的基础上，通过应力转换，确定水平井段围岩应力，结合测井数据去水化校正，建立气体钻水平井井壁稳定计算模型，形成了一套完整的气体钻水平井壁稳定分析方法。将该方法应用于川西地区气体钻水平井井壁稳定分析，理论分析与工程实际结果吻合，验证了该方法的可行性。

气体钻水平井；井壁稳定；应力转换；去水化校正

目前气体钻水平井技术在我国应用较广。由于气体取代了常规钻井液作为循环介质，循环产生的井底压力很小，对于井壁的支撑作用非常小，井壁变得更加不稳定，容易发生垮塌失稳。不同于常规液体钻井，气体钻井不会对近井壁岩石应力分布和岩石强度产生影响，岩石表现为原始岩石力学参数。现有气体钻水平井井壁稳定分析未能考虑水平井眼条件下井壁应力的真实分布，没有根据测井数据得到气体钻井下的真实岩石力学参数，因此不能对现场水平井段稳定进行有效准确的分析，为气体钻进带来安全隐患。本文从力学角度出发，通过应力转换，确定了井壁应力分析和判断准则，结合测井数据气体钻井去水化校正方法，建立了水平井段在气体循环条件下的坍塌压力计算模型，形成了一套与现场紧密结合的气体条件下水平段钻进井壁稳定分析新方法。

1 气体钻井井壁稳定评价基本理论

1.1 应力转换分析

在水平井中，由于井眼方向偏离垂直方向，所以原始垂直方向、水平方向的地应力不再与井眼方向垂直了，因此需要进行坐标变换。通常认为原始地应力的三个主应力方向分别沿着垂直方向和水平方向。在受三向原始地应力σV、σh1、σh2作用下的地层中钻一个井斜角为α，方位角为β（井斜方位与最大水平地应力之间的最小夹角）的井眼。经过计算，得出转换后的实际应力分量为：

分析井段某个平面受力情况（图1），该平面与井眼轴线垂直，四周受均匀的剪切应力τxy，上下两边受均匀的压应力σy，左右受均匀的压应力σx。中间孔内受均匀的压力pw作用，前后面受均匀压力σz和均匀剪应力τxz、τyz。由于、σz、τxz、τyz是常量，所以该问题可按照解带圆孔无穷大平面应变问题处理。

图1 水平井井眼截面受力图

叠加计算上述应力引起的应力分布，结合钻井液渗流效应，气体钻井过程中，井筒内无钻井液液柱，水平井壁（r=R）岩石的应力分布：

式中：α—Biot系数；p—钻井液柱压力。

其中，水平井井壁上的三个主应力为：

1.2 判断准则

目前确定岩石剪切破坏时常采用两个准则：

（1）Mohr-Coulombr判断准则

在纯气体钻井过程中，主要为纯力学井壁失稳，采用库伦—摩尔准则判断分析纯气体钻井剪切垮塌失稳：

式中：C、φ—岩石内聚力、内摩擦角。

（2）Drucker-Prager判断准则

库仑-摩尔准则只考虑最大和最小主应力的作用，而Drucker-Prager准则计入中间主应力的影响。

2 水平井气体钻井井壁稳定评价方法

2.1 气体钻井测井资料去水化校正

由于气体钻井无法开展自然伽马、密度和声波时差测井，只能借助常规测井数据开展气体钻井井壁稳定性评价。但由于水基泥浆浸泡作用，常规钻井测井数据无法真实反映井下岩石原始信息。因此，在开展井壁稳定性评价之前，需要除去泥浆浸泡对常规测井数据的影响。去水化校正方法包括理论模拟方法与室内实验方法。

（1）理论模拟法。基于泥页岩微组构、微组分分布情况，结合扩散双电层理论和范德华理论，建立描述泥页岩水化作用及其对声波测井数据影响的理论模型。泥页岩水化膨胀应变、水化作用对泥页岩地层静态弹性模量、静态泊松比的影响分别可表示为：

nj、nm—单位体积内Pc类黏土片和蒙脱石黏土片含有晶片个数；

ai—Pc类黏土片或黏土晶片法线方向与i方向之间夹角；

pjai(M，ai)—单位体积M内Pc类黏土片或晶片法线方向与Pc方向夹角为ai的概率；

Fj(h0

j)—水化作用前后相邻j类黏土片或黏土晶片之间双电层斥力。

由动静态弹性模量、泊松比转换关系式便可得到用于描述水化作用对泥页岩动态弹性模量和泊松比影响的数学模型，进而得到原始泥页岩地层动态弹性模量和泊松比，根据波动力学理论便可得到原始地层波速。

式中：Ed、ΔEd—水化后动态弹性模量和水化作用引起动态弹性模量改变量；

μd、Δμd—水化后动态泊松比和水化作用引起的动态泊松比改变量；

ρhd、ρ1、ρ2—分为原始、水化后地层密度和钻井滤液密度，g/cm3。

（2）实验方法。现场实践发现钻井液侵入对地层声波时差影响较大。通过模拟钻井液环境及地下温度和压力，对比干岩心及钻井液浸泡后的岩心声波速度，寻找两者间关系，从而对现场测井数据进行适当修正。

图2 岩心纵波速度对比分析图

2.2 气体钻水平井不同失稳类型井壁稳定性分析

在气体钻井过程中，与常规水基泥浆相比，干燥气体自身密度很低，在井底产生的压力很小，且与地层之间不存在物理化学耦合作用。因此气体钻井井壁失稳类型与常规钻井有着明显的区别。

（1）剪切垮塌失稳。造成井壁剪切坍塌失稳的主要原因是由于井内压力太低，近井壁岩石所受剪切应力超过自身强度而产生剪切破坏。对于井壁剪切坍塌失稳判断分析主要采用库仑摩尔准则。对于气体钻井而言，环空内气体密度近似为0，井壁的稳定性主要取决于地层岩石内聚力的临界值，直井模型计算得到气体钻井岩石内聚力临界值表示为：

针对气体钻水平井，结合之前推导应力转换公式，转换计算求出气体钻水平井下岩石内聚力。当地层岩石自身内聚力高于气体钻井内聚力临界值时，表示井壁稳定；否则，井壁将出现垮塌失稳。

（2）地层沿软弱面滑动失稳。对于含有软弱面（层理或微裂缝）的地层，当软弱面与最大主应力之间夹角在一定范围内，地层将沿着软弱面出现垮塌掉块。软弱面破坏准则表示为：

式中：Cw—软弱面内聚力，MPa； μw—软弱面内摩擦系数，μw=tan(φw)；φw—软弱面内摩擦角，（°）；β—软弱面的法向与σ1之间的夹角，（°）。

弱面产生滑动失稳的条件是φw＜β＜90°，条件之外地层发生岩石本体破坏。

（3）地层产气条件下井壁稳定评价方法。对于渗透性高压产气砂岩层段，需考虑高压气体冲出地层时对近井壁岩石的冲击作用力。因为流-固耦合理论主要针对产气层段长时间产气过后，不采用流-固耦合理论，考虑产气层段孔隙压力及岩石的应力应变对井壁进行稳定性分析。利用产气条件下的井壁表面岩石坍塌密度计算公式：

式中：φ—地层孔隙度，无量纲。

随着地层孔隙压力的增加，地层坍塌密度随之增加，气体钻井井壁稳定性趋于不稳定。根据研究层段岩石有效应力分布及岩石强度大小，可以得到一个临界孔隙压力值，当孔隙压力低于该临界值时，产气层段井壁稳定；当地层孔隙压力高于临界孔隙压力值时，井壁开始出现垮塌失稳。

3 实例分析

以川西地区地层气体钻井为例，该区块岩性分布复杂，气体钻水平井存在由于井下复杂情况引起地层垮塌。高压产气层段一旦高速产气，若不采取适当措施，很有可能将井壁冲垮，因此，需要对气体钻水平井进行准确的综合井壁稳定分析。川西MP1井在蓬莱镇组三段1 710～1 870.24m实施氮气钻水平井，无明显卡钻遇阻现象。结合现场测井资料，进行去水化校正，建立气体钻水平井井壁稳定模型，考虑井下情况，评价分析气体钻水平井井段井壁稳定性。

从图上可以看出，方位角和井斜角对水平井地层坍塌密度有明显影响，在该层段沿最小水平主应力方向坍塌密度最小，沿最大水平主应力方向坍塌密度最大。根据井斜角分析，直井井壁稳定性最好，水平井井壁稳定性最差。

图3 MP1井1 710～1 870.24m井段坍塌密度与方位角和井斜角之间的关系

MP1井1 710～1 870.24m水平井地层坍塌密度普遍低于0，部分层段坍塌密度略高，在0.3g/cm3左右，气体钻井存在剥落掉块，现场注气量满足井下携岩条件下，可以实施气体钻水平井。

图4 MP1井1 710～1 870.24m坍塌密度分布情况

通过对比分析理论计算结果与现场实钻情况，两者较为吻合，证明了所建立的气体钻水平井井壁稳定性整套方法具有较高的可靠性。

4 结论

（1）从应力转换分析角度出发，建立了水平井井眼稳定数学模型，完善了对于气体钻井测井资料的去水化校正方法，考虑不同情况下的气体钻井失稳情况，形成一套气体钻水平井井壁稳定分析新方法。

（2）通过垂直井到水平井的应力转换计算方式，在垂直井模型的基础上，推导出气体钻水平井的井壁稳定相关理论准则，为水平井井壁稳定研究奠定了理论基础。

（3）利用该方法评价川西地层气体钻水平井，得出井斜角、方位角是影响水平井壁稳定性的重要因素，其中坍塌密度随着井斜角的增大逐渐增大；沿最小水平主应力方向井壁稳定性最好，为气体钻此类水平井提供参考。

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New M ethod of Hole Stability Evaluation of Horizontal Air Drilling

ZHU Chengqing1XIAO Guoyi2LIGao3ZHU Huashu2
（1.SouthwestBranch SINOPEC,Chengdu 610016；2.Engineering Institute of SouthwestBranch SINOPEC, Ddyang 618000；3.State Key Laboratory ofOiland GasReservoirGeology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500）

Compared w ith conventional mud drilling,air drilling technology has incomparable advantages in advancing of ROP and reservoir protection，among which borehole stability is the prom inent issue of air drilling. At present there is no one fitting borehole stability evaluation for air drilling horizontal well,which causes problems for site drilling.On the basis of theoreticalmodel of vertical well stability analysis,this paper has established rock stress of horizontal section and founded calculationmodel of air drilling horizontalwell stability w ith the combination of log data hydration correction,finally formed a integrated setof evaluationmethod for air drilling horizontalwell stability.Thismethod is applied to air drilling horizontalwell in western Sichuan and the theory accordswellw ith the field practice,which proves the feasibility of thismethod.

airdrilling horizontalwell；hole stability；stress transformation；hydration correction

TE243

A

1673-1980（2012）03-0094-05

2012-01-19

国家科技重大专项（2011ZX05022-005）

朱澄清（1965-），男，高级工程师，中国石油化工股份有限公司西南油气分公司副总工程师，研究方向为钻井技术。