钻井液安全密度窗口预测软件编制及应用

陈德飞　孟祥娟　周 玉　彭永洪　文 亮

(中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院， 新疆 库尔勒 841000)



钻井液安全密度窗口预测软件编制及应用

陈德飞孟祥娟周 玉彭永洪文 亮

(中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院， 新疆 库尔勒 841000)

摘要：基于井壁稳定力学模型，结合Mohr-Coulomb准则建立了井壁坍塌压力、破裂压力计算模型，编制了“钻井液安全密度窗口预测”应用软件。该软件可利用测井资料对岩石力学参数、地应力以及地层三压力剖面进行计算，并能预测垂直与水平钻进时的钻井液安全密度窗口，能够有效指导现场施工。

关键词：井壁稳定； 钻井液密度； 测井评价； 安全窗口； 软件编制

石油与天然气钻探过程中，井壁失稳是普遍现象。井壁失稳引起的地层坍塌与破裂不仅对钻井安全造成重大的影响，对井身结构及油气资源的开采也造成严重影响[1-5]。钻井液安全密度的确定对于现场合理调配钻井液，保证钻进的顺利进行具有重要的指导意义。若在钻前能准确预测井壁坍塌与破裂压力所对应的钻井液安全密度，就能保证现场顺利钻进。为此，基于Mohr-Coulomb准则编制了钻井液安全密度窗口预测应用软件，利用测井数据可对地层岩石力学参数、地应力以及地层三压力剖面进行计算，并可用于预测垂直与水平钻进时的钻井液安全密度窗口，最后结合国内某油田X区块的现场测井数据进行验证。该成果能为室内钻井设计提供理论指导。

1理论模型建立

钻井过程中，地层原有的应力平衡将被打破，井筒附近的地层应力将在一定范围内发生变化，并对井壁稳定性产生影响。图1为定向井井眼位置与地应力关系图。图中，σH为最大地应力，σh为最小地应力，σv为垂向应力，α为井斜角，β为方位角。

由直角坐标系转换为柱坐标系，在柱坐标系中应力的分布如式(1)所示[6-10]。

实际井眼中，井眼长度远大于井眼直径。研究时假定与井眼轴向垂直的平面符合平面应变。经过应力叠加可得到定向井在井壁(r=rw)的有效应力，如式(2)所示。

(1)

图1　定向井井眼位置与地应力关系图

(2)

式中：pi—— 原始地层压力，MPa；

η—— 比奥特系数，η≤1；

pp—— 地层孔隙压力，MPa。

钻井过程中，当井眼为水平井眼时，井斜角为90°，式(1)经简化后可得：

σxx=σv

σyy=σHsin2β+σhcos2β

σxy=0

(3)

根据式(1)可得水平井井壁上的应力分布为：

σr=pi-ηpp

σθ=σxx+σyy-2(σxx-σyy)cos2θ-pi-ηpp

σz=σzz-2(σxx-σyy)cos2θ-ηpp

(4)

根据Mohr-Coulomb准则，结合井壁四周地应力分布可得到坍塌压力pb为：

(5)

式中：pb—— 坍塌压力，MPa；

σc—— 岩石抗压强度，MPa；

φ—— 内摩擦角，(°)。

钻井过程中，当井眼为垂直井眼时，井斜角为0°，方位角为0°，可得井壁周围的应力分布为：

σr=pi-ηpp

σθ=σH+σh-2(σH-σh)cos2θ-pi-ηpp

σz=σv-2ν(σH-σh)cos2θ-ηpp

(6)

钻井过程中，当井眼内的液柱压力低于坍塌应力时，井壁周围的岩石将发生剪切破坏。根据Mohr-Coulomb准则，结合井壁四周地应力的分布可得到坍塌压力pb为：

(7)

K=cot(45°-φ)

式中：C——内聚力，MPa。

钻进过程中，当钻井液液柱压力达到一定值，超过储层岩石的抗拉强度时，井壁将发生拉伸破坏，漏失钻井液，损害储层，造成严重的经济损失。

井壁破裂压力为：

pf=3σh-σH-αpp+St

(8)

式中：pf—— 破裂压力，MPa；

St——抗拉强度，MPa。

2软件编制

为更方便地输入测井数据并直观地输出各种计算结果，编制了钻井液安全密度窗口预测应用软件。该软件在编制时使用VB语言代码，简单易懂，能够在Windows XPVistaWin7Win8环境下运行，程序使用交互式界面，操作方便，保证了该软件具有较广的适用性。软件结构如图2所示。该软件能够利用测井数据对岩石力学参数、地应力及地层三压力剖面进行计算，并准确预测钻井液安全密度窗口。

该软件主要包括数据载入模块、数值计算模块、计算结果输出模块以及曲线输出模块。数据载入模块主要用于测井数据的导入或手工输入数据(图3)；数值计算模块是整个软件的核心所在，根据已载入的测井数据可对地层的岩石力学参数、孔隙压力、地应力、地层坍塌与破裂压力等进行计算(图4)；计算结果输出模块主要是将前面计算所获得的结果在界面上进行输出或导出至文本；曲线绘制模块主要是将计算出的结果以曲线的形式在界面进行显示(图5)。

3实例计算

搜集国内某油田X区块多口井的测井数据，建立了测井资料数据库，并利用测井资料解释模块进行计算，获得该区块地层中的岩石力学参数分布、地应力分布、三压力剖面以及钻井液安全密度窗口，为室内钻井设计提供理论指导。图6为根据某口井的测井数据，根据软件预测在钻垂直井段时所推荐的安全钻井液密度窗口。

图6　坍塌与破裂压力当量钻井液密度

该区块在前期钻井过程中，由于对钻井液密度预测不准确，在该井段钻进过程中常发生井壁垮塌等井下复杂事故。后期利用钻井液安全密度预测软件，结合邻井测井数据对该区块钻井液安全密度窗口进行预测。按照预测结果进行钻井液密度配置，在实际钻进过程中未发生溢流、卡钻、井漏等复杂事故，证明该软件预测的钻井液密度是安全可靠的。

4结语

基于井壁稳定力学模型，结合Mohr-Coulomb准则建立了井壁坍塌压力、破裂压力计算公式，编制的钻井液安全密度窗口预测应用软件可利用测井资料预测直井、水平井安全密度窗口，研究结果可为室内钻井设计提供理论指导。

参考文献

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[2] 屈平，申瑞臣．煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定[J]．天然气工业，2010，30(10)：64-68．

[3] 李士斌，艾池，刘立军．煤岩力学特性测试与煤层气井水力压裂力学机理研究[J]．石油钻采技术，2000，28(3)：10-13．

[4] 黄醒春，陶连金，曹文贵．岩石力学[M]．北京：高等教育出版社，2005：23-24.

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[10] 金衍，陈勉，柳贡慧，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．

Predication Software Establishment and Application of Safe Drilling Fluid Density Window

CHENDefeiMENGXiangjuanZHOUYuPENGYonghongWENLiang

(Research Institute of Oil and Gas Engineering, Tarim Oilfield Company,PetroChina, Korla Xinjiang 841000, China)

Abstract:The author builds the calculation models of collapse pressure and fracture pressure and establishes the predication software of safe drilling fluid density window on the basis of wellbore stability mechanics model and Mohr-Coulomb criterion. The software can calculate the rock mechanics parameters, is-situ stress and tri-pressure profile based on logging data and it can predict the safe drilling fluid density window of vertical and horizontal drilling, which can guide the on-site construction effectively.

Key words:wellbore stability; drilling fluid density; logging evaluation; safety window; software programming

收稿日期：2015-09-15

基金项目：国家973计划项目“页岩气水平井钻完井关键基础研究”( 2013CB228003)

作者简介：陈德飞(1988 — )，男，四川西充人，硕士，助理工程师，研究方向为采油工程。

中图分类号：TE254;TP319

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)03-0112-04