过断层井段井壁稳定性分析*

林 海 许 杰 幸雪松 范白涛 邓金根 张羽臣 王桂萍 王晓鹏

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300451; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249)

过断层井段井壁稳定性分析*

林 海1许 杰1幸雪松1范白涛1邓金根2张羽臣1王桂萍1王晓鹏1

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300451; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249)

考虑断层周围地层非均质性和各向异性，根据弱面强度准则，分析了地层各向异性对地应力的影响，探讨了井壁坍塌压力随断层走向及倾角的变化规律，建立了过断层的坍塌压力计算模型，开展了不同性质断层构造坍塌压力分析，结果表明：随着Eh/Ev、vv/vh值的增大，水平最大应力、水平最小应力增加，过断层应考虑地层各向异性对地应力的影响；不同的断层类型、断层走向及倾角所对应的坍塌压力存在差异性，且不存在单调递增或递减的井斜方位，安全区域和危险区域交替出现；井眼轨迹设计应考虑断层类型及弱面结构，选择合理的钻入角钻穿断层。将本文预测模型用于渤海油田A井取得了良好工程效果，井眼扩大率基本小于10%。本文研究结果对过断层时钻井安全具有指导意义，可为井眼轨迹设计提供理论参考。

过断层井段；地应力；横观各向同性；坍塌压力；井壁稳定性

由于受到多期构造运动和晚期改造作用的影响，渤海海域断层发育，以正断层和走滑断层为主[1-2]。地层岩石沿断层破裂面发生位移，断层软弱面(带)的存在使其周围岩石力学性质存在明显差异[3-4]，会表现出强烈的非均质性、各向异性，岩石宏观强度显著下降，在断层、剪切带、不整合面等附近的局部应力与区域应力不同。因此，地应力的大小与方向、断层周围弱结构面的方位与倾角等是渤海海域过断层井段井眼轨迹设计及井壁稳定性研究中应考虑的重要因素[5]。

钻井作业中钻遇断层时常发生复杂情况，断层附近岩石受断层面滑移、拖曳、摩擦的影响形成破碎带，起下钻常出现阻卡现象，岩石碎块间的裂缝具有渗透性， 钻井液进入易发生井下漏失。地应力是决定区域稳定性和岩体稳定性的重要因素，井壁稳定性主要取决于围岩岩性、结构特性、地应力[6]。笔者通过研究断层对区域地应力影响，探讨不同断层构造条件下井壁坍塌压力随断层区域弱面产状变化的规律，重点分析过断层区域井壁稳定性，确定不同断层类型下定向井钻井的最佳钻入方式和安全钻井液密度，预防井壁坍塌等井壁失稳问题。

1 过断层地应力计算模型

1.1 断层周围的应力方位

渤海海域构造运动强烈，断层附近地应力方位的分布复杂，表现为与区域地应力方位不一致，且与断层呈一定夹角，而远离断层区块的主应力方位与区域主应力一致。

非渗透性断层将地层分成2个部分，其附近水平地应力方位的偏转角度可通过下式计算[7]：

(1)

其中

(2)

(3)

1.2 过断层地应力的计算

地层岩石的物理特性、力学特性、地层压力等方面的差别造成地应力分布存在差异性。常规地应力定量计算基本基于均质各向同性模型，但过断层地应力的计算应考虑地层非均质性和各向异性。Thiercelin在各向同性地应力模型的基础上考虑了地层各向异性，提出了横观各向同性地层地应力计算模型为[8]

(4)

式(4)中：σv为上覆岩层压力，MPa；Eh、Ev分别为横向地层弹性模量和垂向地层弹性模量，GPa；vh、vv分别为横向泊松比和垂向泊松比，无量纲；pp为孔隙压力，MPa；为渗流系数，通常取0；εH、εh分别为水平最大构造应变、水平最小构造应变，无量纲；其余参数含义同前。

假设井深2 500 m，取σv=55 MPa，pp=26 MPa，Ev=12 GPa，vh=0.125，α=0.8，εH=0.000 4,εh=0.000 2,分别改变Eh/Ev与vv/vh值，研究地层各向异性对地应力的影响，结果如图1、2所示。

从图1、2可看出，随着Eh/Ev及vv/vh值的增大，水平应力增加。vv/vh=1、Eh/Ev=3时的值大致是各向同性地层(Eh/Ev=1)条件下的σH/σh值的3倍，即平均增加约200%；Eh/Ev=1、vv/vh=3时的σH、σh值比各向同性地层(vv/vh=1)条件下的σH、σh值分别增加约123%和97%，因此过断层时须考虑地层各向异性对地应力的影响。

图1 地层各向异性对水平最大地应力的影响Fig.1 The influence of formation anisotropy on horizontal maximum stress

图2 地层各向异性对水平最小地应力的影响Fig.2 The influence of formation anisotropy on horizontal minimum stress

2 过断层坍塌压力计算模型

2.1 模型建立

如图3所示，选取直角坐标系(1，2，3)，各坐标轴分别与σH、σh、σv方向一致，以直角坐标系(1，2，3)中的3轴为中心轴，根据右手法则旋转角，转化为(x1,y1,z1)坐标系;然后以坐标系(x1,y1,z1)中的y1为中心轴，根据右手法则旋转角，转化为斜井眼坐标系(x,y,z)。通过在地应力坐标系(1，2，3)和斜井眼坐标系(x,y,z)之间进行坐标转换，可以得到地层主应力在斜井眼坐标系下应力的分析，进而得到斜井眼井周岩石应力计算公式为

图3 斜井井周应力转换示意图Fig.3 Coordinate transformation sketch of directional well

(5)

(6)

式(5)、(6)中：σij为井眼应力分量，MPa；i、j分别表示x、y、z方向；α、β分别为井斜角、井斜方位角，(°)；θ为井周角，(°)；ω0为水平最大地应力与大地正北方向的夹角(北转西为正)，(°)；ω1为井眼轴线在水平面投影与正北方向的夹角，(°)；β=ω0-ω1。

各向异性地层的本构方程可表示为

{ε}=[A][σ]

(7)

式(7)中：[A]为柔度矩阵。

把过断层的地层看成横观各向同性地层，其应变分量和应力之间的本构方程表达式为[9]

(8)

断层弱面发育地层沿弱面发生剪切破坏，其表达式为[10-11]

(9)

把过断层的井壁稳定问题看成平面应变问题，对应的平衡方程、井壁应力边界条件、几何方程分别为

σij,j+fi=0

(10)

σr=pw

(11)

(12)

-αppδij

(13)

2.2 不同断层构造下坍塌压力分析

Anderson依据3个主地应力σv、σH、σh的相对大小，把断层性质分为3类[11]：正断层，3个主地应力的相对大小为σv>σH>σh；逆断层，3个主地应力的相对大小为σH>σh>σv；走滑断层，3个主地应力的相对大小为σH>σv>σh。假设井深3 000 m，计算参数如表1所示，不同类型断层构造下坍塌压力风险分布如图4～6所示。

由图4可以看出，对于正断层控制区域，水平最大地应力方位的坍塌压力高于水平最小地应力方位的坍塌压力，断层走向与水平最大地应力近乎一致时沿着近水平最小地应力方位钻井较为安全。在σh方位钻进，断层倾角60°时井斜角在50°～65°范围内钻井不安全，因此该方位的小斜度或大井斜(水平井)最为安全；在σH方位钻进，断层倾角45°～75°且断层走向与水平最大地应力夹角45°范围内坍塌压力较高，坍塌失稳风险大，因此该方位直井较为安全。

由图5可以看出，对于逆断层控制区域，水平最小地应力方位的坍塌压力高于水平最大地应力方位的坍塌压力，断层走向与水平最小地应力方位近乎一致时沿着水平最大地应力方位钻井较为安全。在σH方位钻进，断层倾角低于30°时井斜角小于30°钻井不安全，因此该方位中等井斜角以上钻井最优；在σh方位钻进，断层倾角30°～75°且断层走向与水平最小地应力夹角70°范围内坍塌压力较高，坍塌失稳风险大，该方位直井或者水平井较为安全。

由图6可以看出，对于走滑断层控制区域，断层倾角低于40°时水平最大地应力方位的坍塌压力高于水平最小地应力方位的坍塌压力，断层走向与水平最大地应力近乎一致时沿着近水平最小地应力方位钻井较为安全。在断层倾角30°～60°且断层走向任意方位钻进时，对应的坍塌压力都较高；在σh方位钻进，井斜角在30°～60°范围内钻井不安全，该方位的小斜度或大井斜(水平井)最为安全；在σH方位钻进，井斜角在15°～60°范围内坍塌失稳风险大，该方位水平井较为安全。

表1 不同断层构造下坍塌压力计算参数Table 1 Calculation parameters of collapse pressure under different fault styles

图4 过正断层井壁失稳风险图Fig.4 Risk map of wellbore stability through normal fault

图5 过逆断层井壁失稳风险图Fig.5 Risk map of wellbore stability through reverse fault

图6 过走滑断层井壁失稳风险图Fig.6 Risk map of wellbore stability through strike-slip fault

3 应用实例

渤海油田受正断层控制的A井预测在井深1 830 m、垂深1 680 m钻遇断层，断层走向为N85°E。邻井在钻穿断层井段出现井壁掉块而频繁卡钻，后期现场采取了提高钻井液密度等措施，但断层区域又出现漏失。利用本文研究成果对A井的安全钻井液密度窗口进行了重新设计。根据该区域邻井测井资料，计算得到同垂深处A井的地层参数如下：σv=36 MPa，σH=28 MPa，σh=20 MPa，pp=16.98 MPa，Eh=24 GPa，Ev=12 GPa，vh=0.125，vv=0.25，水平最大地应力方位N75°E。A井井眼轨迹钻穿断层时，井斜角为57.02°～61.93°，井斜方位角为54.83°～58.88°。采用本文各向异性模型对A井过断层坍塌压力进行分析，依据相关参数得到该井过断层时的坍塌压力随井斜-方位变化图，如图7所示。

图7 A井坍塌压力随井斜-方位变化图Fig.7 Diagram of collapse pressure of Well A changing with hole deviation and azimuth

从图7可以看出，在井斜方位角与断层走向夹角30°以内、近水平最大主应力方位及井斜角在57°～61°时，A井坍塌压力值为1.35～1.40 g/cm3。A 井钻遇断层最初钻井液密度设计值较低，为1.22～1.30 g/cm3，井壁坍塌可能性大。依据本文强度准则，计算A井过断层井段的安全钻井液密度窗口如图8所示。

图8 A井过断层安全钻井液密度窗口Fig.8 Safe drilling fluid density window of Well A through normal fault

根据图8结果，为保证钻穿断层时既不发生井壁坍塌又不出现复杂井漏，A井过断层时钻井液密度设定为1.40 g/cm3，现场严格控制密度值，最终安全钻穿断层。A井最终完井电测结果与邻井进行对比，如图9所示。由图9可以看出，A井经过断层井段的井眼扩大率不严重，井眼扩大率基本小于10%，最大井眼扩大率15.16%；而邻井B井和C井的井眼扩大率普遍在15.00%～33.05%，最大井眼扩大率为45.00%，说明本文提出的模型取得了良好的工程应用效果。

图9 A井及邻井电测井径曲线图Fig.9 Electric logging caliper curves of Well A and adjacent wells

4 结论

1) 地层弹性模量、泊松比的各向异性对地应力值有较大影响，对过区域断层地应力分析应考虑地层各向异性。

2) 不同断层对应的坍塌失稳风险分布存在差异，应根据断层的走向、倾角以及弱面结构的存在范围，同时考虑井斜角和井斜方位角合理确定钻井液密度，找到最佳的钻进方案，尽量避开钻穿该断层危险区域。

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(编辑：孙丰成)

Study on wellbore stability of well sections through a fault

LIN Hai1XU Jie1XING Xuesong1FAN Baitao1DENG Jingen2ZHANG Yuchen1WANG Guiping1WANG Xiaopeng1

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300451,China; 2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Taking into account formation heterogeneity and anisotropy around a fault, and based on the weak surface strength criterion, the influence of the formation anisotropy on in-situ stresses was analyzed, and the changing pattern of the borehole collapse pressure with the fault strike and dipping angle was discussed.Furthermore a model for calculating the collapsing pressure through faults was established and the collapsing pressure analyzed.The results show that maximum and minimum horizontal stresses increase with the increasing values ofEh/Evandvv/vh, so the influence of formation anisotropy on in-situ stresses should be considered when the hole section cuts through a fault.Collapse pressures corresponding to different fault types, fault strikes or dip angles are different, and there is no inclination azimuth where collapse probability is monotonically increasing or decreasing; safe area and dangerous area occur alternately.Fault types and the weak surface structure should be considered in well trajectory designs, with the fault being drilled through at the reasonable angle.The prediction model developed here was applied to Well A in Bohai oilfield, achieving sound engineering effects, with the hole enlargement being generally less than 10%.The results of this paper have a guiding significance for drilling safety through faults, which can provide theoretical reference for designing wellbore trajectories.

well section through fault; in-situ stress; transverse isotropy; collapse pressure; wellbore stability

*中海石油(中国)有限公司综合科研项目“多元热流体、蒸汽吞吐和SAGD先导试验关键技术研究(编号：YXKY-2013-TJ-01)”部分研究成果。

林海，男，助理工程师，2014年毕业于中国石油大学(北京)油气井工程专业，获硕士学位，现主要从事岩石力学与井壁稳定方面的研究工作。地址：天津市塘沽区海川路2121号渤海石油管理局B座(邮编：300451)。E-mail：linhai2007021317@sina.com。

1673-1506(2017)01-0110-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.017

林海,许杰,幸雪松，等.过断层井段井壁稳定性分析[J].中国海上油气，2017,29(1)：110-115.LIN Hai,XU Jie,XING Xuesong,et al.Study on wellbore stability of well sections through a fault[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):110-115.

TE21

A

2016-02-19 改回日期：2016-05-01