压敏储层深水平井井壁稳定性研究＊

陈颖超，闫建钊，孙 冰，高书香，杜永琳

（承德石油高等专科学校，河北承德067000）

井壁稳定是指石油钻井形成的井眼在钻井过程中保持规则的尺寸与形状，深层钻井过程中最大限度地维持井壁稳定是国际石油工程界极富挑战性的难题［1］．压敏储层深水平井钻进的主要难点就是井涌、井漏、井塌以及井涌井漏同层等窄密度窗口条件下井壁失稳问题．钻井过程中地层岩性的多变性、压力系统的复杂性、地质构造不同所造成的井壁不稳定性等造成井下复杂情况，使钻井作业暂时中断，不能顺利进行，增大复杂时效．因此，本文建立了地应力模型、坍塌、破裂模型为出发点，预测深水平井井壁稳定，指导压敏储层钻井作业．

1 压敏储层地应力分析

从力学角度来说，若井壁围岩受力小于岩石力学强度，则井壁稳定，否则将产生剪切或拉伸破坏，因此有必要深入细致描绘井壁围岩受力状态，在此基础上建立坍塌和破裂模型，预测安全泥浆密度窗口，指导钻井设计和施工，本文主要基于线—弹性理论［2］推导斜井井壁围岩受力分布状态，然后研究地应力场与井下复杂的相关性．

表1 地应力计算模型

通过表1中四种不同的地应力计算模型对比．考虑到塔中I号气田地质构造运动比较平缓，构造运动在水平地应力形成中不占主要作用，此时的应力大小符合：σV＞σH＞σh．本文采用黄氏模型计算地应力的大小，与其它几种地应力计算模型相比，该模型考虑了构造应力的影响．

图1 地应力和井壁围岩受力关系示意图

式中符号：R——井眼坐标，m；r——极坐标下地层中某点到井轴的距离，m；σr，σθ，σz，τrθ，τθz，τrz——柱坐标中的应力分量，MPa．

2 岩石强度破坏准则

2．1 井壁坍塌模型优选［4］

根据摩尔－库伦准则计算地层坍塌压力，岩石破坏时剪切面上的剪应力τ必须克服剪切面上的摩擦阻力σNt gφ和岩石的内聚力τ0，即

考虑线性修正和地层孔隙压力后的坍塌压力模型为：由于这个预测模型没有考虑泊松比和垂向压力影响，可根据油田现场经验公式检验坍塌压力：

2．2 井壁破裂模型优选［5］

由于碳酸盐储层其独特的孔隙空间结构、底孔、非均质性等因素给预测地层破裂压力带来了复杂性，预测其破裂压力有一个经验模型：

式中：C1＝1表示非裂缝地层或孔隙地层，否则C1＝0；C2＝1表示压力施工时计算的地层破裂压力，C2＝0表示用于钻井中为防止钻井液密度过大压漏地层而要忽略地层抗张强度时计算的地层自然破裂压力．

以给定的目标层位研究对象，预测地层压力和地层破裂压力，如果大延伸水平井的环空压秏当量密度确定，则大延伸水平井套管的最大下入深度为：

3 实例分析

中古12－6 H井系塔中一口以良里塔格气藏为目的层的最深水平井，完钻井深达5 695 m．该井属φ444．5 mm钻头开眼，以φ152．4 mm井眼尺寸完钻的四开结构井．井身结构基本参数见表2和表3．

表2 中古12－6 H井身基本数据

根据前述建立的裸眼井壁坍塌和破裂模型，计算出破裂压力和坍塌压力随井深的变化曲线（见图2）．

图2 中古12－6H井壁稳定分析示意图

表3 中古12－6 H测井数据

该井的5 345～5 350 m、5 385～5 387 m、5 397～5 400 m井段，坍塌压力和地层压力非常接近，极易漏失；若泥浆密度过大，很有可能造成严重井漏，由于是裂缝性储层，孔隙连通，漏失后可能会产生井喷．针对这种情况，应该采取控压钻井或者欠平衡钻井方式．

4 结论

1）塔中I区块储层，压力敏感，地层压力和坍塌压力非常接近，极易造成井下复杂事故；

2）对于碳酸岩盐压力敏感储层，要从储层岩石力学特性和地应力分布，结合井眼轨迹参数，确定地层安全密度窗口，分析井壁稳定性；

3）针对压力敏感储层井壁不稳定特征，在钻井方式上应该选用控压钻井或欠平衡钻井方式．

［1］雷正义．砂泥岩地层井壁力学稳定性研究及软件编制［D］．成都：西南石油大学，2004．

［2］苏义脑，徐鸣雨．钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展［M］．石油工业出版社，2005．

［3］高德利，陈勉，谈谈定向井井壁稳定问题［J］，石油钻采工艺，1997，19（l）：1－4．

［4］Seott DTho mson LA．A Global Algorith m for Pore Pressure Prediction［J］．SPE 25674，1993．

［5］Johansick C A，Friesen D B，Dawson R．Torque and drag in directional wells－prediction and measurement［R］．SPE15463，1987．

［6］刘之的，夏宏泉，张元泽，等，碳酸盐岩地层坍塌压力测井预测研究［J］．天然气工业，2004，（1）：57－59．