【文章內容簡介】 時的臨界井眼液柱壓力，地層坍塌壓力是指井眼發(fā)生剪切圖14 地層三項壓力預測圖破壞時的臨界井眼液柱壓力。三項地層壓力預測技術適用于原始地層壓力預測。在鉆井作業(yè)中，由于忽略或不適當?shù)牡貙訅毫υu價引起的井下復雜事故所造成的損失是巨大的，一是延長了鉆井周期，二是增加了處理事故的材料損失。據(jù)美國的某些學者調查估計，全世界每年因井眼失穩(wěn)帶來的鉆井問題所造成的損失達20億美元，其中個別單井的損失超過了25萬美元，統(tǒng)計大慶油田19982001年探井、開發(fā)井等事故見表15。目前，大慶外圍地區(qū)探井和開發(fā)井等鉆井設計中還無法做到鉆井前提供完整的地層三個壓力剖面，特別是地層坍塌壓力既沒有成熟的鉆前預測技術也沒有鉆后檢測手段，尚處于經驗判斷階段。這就使得鉆井作業(yè)在鉆井液密度等參數(shù)選取方面存在一定的盲目性，在鉆井施工中井漏、噴、塌、卡的復雜情況時有發(fā)生（如大6084和大5886這兩口井井塌報廢損失就達100萬元以上）。不僅延長了鉆井周期，而且要浪費大量的人力物力來處理復雜事故；同時大大增加了泥漿浸泡油氣層的時間，給油氣層帶來進一步的傷害。1）研究地層三項壓力預測技術可以提高鉆井液密度設計精度，有利于保護油氣層和進一步提高固井質量。三項壓力是鉆井液密度設計的基礎和依據(jù)，三項壓力的預測水平直接影響著鉆井液設計精度。根據(jù)地層三項壓力的大小及相互關系確定合理的鉆井液密度并采取相應的防護措施是鉆井過程中保護油氣層技術的關鍵。同時也是提高固井質量，保證鉆井施工安全（不井噴、不井漏、不井塌）的根本保證。2）研究地層三項壓力的預測技術是提高鉆井設計水平， 表15 19982001年探井、開發(fā)井等事故統(tǒng)計 序號井號設計密度（g/cm3）事故類型損失時間（h）備注1龍12208固井井漏、油層漏封、原鉆機修井1202肇4824固井井漏、油層漏封、原鉆機修井1683肇2620固井井漏、油層漏封、原鉆機修井1684大5868下套管循環(huán)井漏，拔套管導致報廢封井57624天5永11046起鉆卡鉆1066龍621起鉆卡鉆1457龍10610起鉆卡鉆100041天8龍10811起鉆卡鉆729龍12811起鉆卡鉆59624天10龍14205起鉆卡鉆21611樹4443起鉆卡鉆3012大142井塌報廢原井眼100842天13大3894氣浸井塌井漏9614大5886氣浸井塌井漏井涌報廢，補打表層57624天15大6084多次井噴、井涌、井塌、井漏、卡鉆，報廢鉆具()，封井184877天16龍11002水浸38417大74401218古642井漏（提前完鉆井）7219大4092卡鉆套銑16820大54斜78起鉆卡鉆7221龍140斜07起鉆卡鉆，報廢鉆具()，封井107244天22龍146斜105井塌134456天23大7668井噴井塌井漏，側鉆79233天24大7660氣浸、井涌、井漏7225大7666井漏、氣浸9626大7658氣浸4827新11882氣浸、井涌、卡鉆、嚴重井塌，報廢封井，移井位120050天28敖28467井涌1029肇44251水浸井塌卡鉆、油層漏封93639天初步統(tǒng)計損失費用1780萬元，平均每年損失費用445萬元（以上）， 損失時間541天19小時（13003小時）。滿足油田開發(fā)對鉆井技術不斷發(fā)展的需要。隨著大慶地區(qū)鉆探領域向著外圍和深層的不斷擴展，特別是將鉆水平井、欠平衡井等特殊鉆井工藝技術作為油田經濟有效開發(fā)和提高采收率的有效途徑，對特殊工藝井鉆井設計水平的要求也越來越高。作為水平井、欠平衡井井壁穩(wěn)定性設計重要依據(jù)的地層坍塌壓力的預測尚處于定性的經驗判斷階段。無法滿足鉆井技術發(fā)展的要求，因此研究適應大慶地區(qū)地質特點的地層三個壓力預測技術，提高鉆井設計水平，滿足油田開發(fā)對保護油氣層、提高固井質量和鉆井工程的需要是亟待解決的課題。目前大慶外圍地區(qū)的地層孔隙壓力和破裂壓力資料是通過鉆井后進行RFT、長源距聲波、巖石密度等測試的手段獲得，檢測費用高,數(shù)量上受到限制；地層坍塌壓力尚沒有測試手段和預測技術。目前國內外有多種地層孔隙壓力確定方法，其中國內常用的有：地震層速度法 dc指數(shù)法聲波時差法 Gp=Go[(GoGn)(ΔTn/ΔTs)c]RFT實測法。地層破裂壓力確定方法國外最常用的有以下幾種：Eaton法Stephen法 Anderson法國內的有聲波法黃榮樽法地層坍塌壓力是低密度鉆井的一項重要技術指標，圍繞坍塌壓力的預測國內外也展開了多年的研究。國外從1940年開始有人從巖石破裂機理入手，依據(jù)井眼穩(wěn)定和失穩(wěn)理論來解決井眼坍塌、縮徑和破裂問題，并在理論分析和模擬試驗方面進行了大量研究。近二十年來在預測、分析方法上取得了較大進展，尤其是1983年成立了國際巖石力學學會之后，對井壁力學穩(wěn)定的研究和應用進入了一個新時期 。我國華北油田鉆井工藝研究所和二連公司合作，從1989年開始針對二連地區(qū)井塌問題開展了這方面的研究，在二連烏里雅斯太新探區(qū)，以地層坍塌壓力作為鉆井液密度設計和使用的下限，純鉆時效提高、復雜時效下降、井徑擴大率降低，收到了較好效果?？傊煌吞锔鶕?jù)各自油田的地質特點，最終實現(xiàn)探井、開發(fā)井等的三項壓力由鉆后檢測向鉆前預測、由定性分析向定量預測的根本轉變。三項壓力的預測技術是以地質學、巖石力學等理論為基礎，通過研究某一地區(qū)地層巖石的物理性質、化學性質、力學性質以及構造應力情況，利用測井、鉆井、測試資料，研究地層的巖石泊松比等參數(shù)，建立地層三項壓力預測模型，實現(xiàn)利用常規(guī)的完井電測資料預測某一地區(qū)或某一井點的地層三項壓力。九十年代初期，國內外許多研究機構獨立開發(fā)出了井壁穩(wěn)定分析軟件，用于計算地層的坍塌壓力和破裂壓力。此階段的研究成果對深化認識井壁穩(wěn)定的本質起到了積極作用，但是在定量確定鉆井液密度方面收效不大。主要原因如下：（1）地應力是工程擾動之前賦存于地層內部的初始應力，目前還沒有理想的方法確定深部地層不同層位地應力的大小。各種地應力計算模型的計算結果與實際值之間不可避免地存在誤差。（2）由于鉆井鉆遇地層種類繁多，其力學響應各異，用某種力學模型進行計算同樣會產生誤差。（3）水基鉆井液與泥頁巖之間發(fā)生非常復雜的物理化學作用，產生水化應力、降低地層強度，會影響地層坍塌壓力的計算結果?？梢?，要形成實用的地層三項壓力預測技術，必須想辦法克服上述三個技術難點。從目前的技術水平看，用正面思維方法很難解決這些難題。實際上這些技術難題不僅僅存在于石油工程領域。也同樣存在于其它領域巖石力學工程之中。如隧道施工，也同樣存在鉆遇地層復雜，地應力難于確定的困難。為了指導隧道施工，奧地利巖石力學學家最先提出了反分析法指導隧道施工的理論，一般稱謂新奧法。即根據(jù)從當前工程中采集的信息推斷將要施工地層的力學響應，依次推薦最佳的施工方案。對鉆井施工的現(xiàn)場進行分析也不難看出：井眼不穩(wěn)定具有明顯的表象。根據(jù)這些現(xiàn)象可以判斷井眼的穩(wěn)定程度。據(jù)此反算地層的力學參數(shù)，在進一步指導將來的鉆井施工。為此于九十年代中后期提出了自適應井壁穩(wěn)定分析技術，用于預測地層的三項壓力。 反分析法壓力預測技術利用測井資料雖然可以得出地層的彈性參數(shù)和強度參數(shù)，但是很難準確求出地層原位強度和原地應力。這主要是由于水基泥漿對地層強度的影響很大。室內研究表明水基泥漿可使泥頁巖地層的強度降低50%。因此，確定地層在原位條件下的強度是井眼穩(wěn)定力學分析的關鍵之一。目前把反分析法的基本原理應用到井壁穩(wěn)定分析中，用于確定地層的原位強度。具體做法如下：先利用測井資料確定出地層的彈性參數(shù)（彈性模量、泊松比），在通過破裂壓力試驗求取地層的構造應力系數(shù)，然后根據(jù)不同地層的彈性參數(shù)和構造應力系數(shù)求出不同層位地應力的大小，最后以一定井眼擴大率作為臨界剪切破壞的條件，利用反分析方法求出地層的原位強度系數(shù)。這樣根據(jù)實際井眼的穩(wěn)定性情況，就能夠求出計算地層坍塌壓力和破裂壓力所需的各類參數(shù)，從而預測出三個壓力剖面。 地層三項壓力預測技術 井壁穩(wěn)定力學理論 井壁穩(wěn)定力學研究概述從巖石力學角度看，井壁穩(wěn)定與否取決于井眼圍巖的應力大小與地層強度的比較上。若井眼圍巖的應力小于地層強度，井眼是穩(wěn)定的；若井眼圍巖的應力大于地層強度，井壁將產生破壞，導致井下復雜。井眼圍巖的應力大小與井眼液柱壓力有關，若鉆井液密度降低，井眼圍巖應力就升高，當井壁應力超過巖石的抗剪強度時，就要發(fā)生剪切破壞（表現(xiàn)掉塊）；相反，若鉆井液密度過高，在井壁處就會出現(xiàn)拉應力，當拉伸應力大于巖石的抗拉強度時，就要發(fā)生拉伸破壞（表現(xiàn)為井漏）。因此，要保持井眼穩(wěn)定，鉆井液密度應保持在一個合理的范圍內。影響這一合理鉆井液密度范圍的主要因素有：原地應力狀態(tài)、地層孔隙壓力、地層強度參數(shù)、鉆井液類型與理化性能、井斜角、方位角等。系統(tǒng)的井壁穩(wěn)定力學研究是近十幾年的事情，通過理論研究明確了上述影響因素對地層坍塌壓力和破裂壓力的影響規(guī)律。但是如何把上述理論轉換為應用技術，定量確定地層的三項壓力剖面（特別是如何提高預測精度）是最近幾年研究人員探索的焦點。本部分首先建立一般井眼的力學模型，分析井眼圍巖應力分布規(guī)律；然后根據(jù)庫侖摩爾準則和最大拉應力理論推導地層坍塌壓力和破裂壓力的表達式。 井眼圍巖應力分布規(guī)律為了不失一般性，以斜井眼為例進行分析。對于井深為，井斜角為，方位角為的任意斜井眼，受到上覆巖層壓力、 最大水平主應力HHHHHK、最小水平主應力的作用，井眼液柱壓力為，地層孔隙壓力為，同時假設地層為均質、同性、線彈性體，其力學模型如圖15所示。井眼軸線圖15 斜井井眼力學模型其應力分布規(guī)律如下：（61）式中：、、為原地應力分量在坐標系下的分量，；_井眼液柱壓力，； _井眼半徑，；_地層的徑向坐標，；_圓周角。圖16是井眼圍巖應力分量徑向應力、切向應力和軸向應力隨井軸距離的變化規(guī)律。可以看出：在井壁上剪應力最高，隨著離開井軸距離的增加，剪應力明顯降低。當在3倍井眼半徑以外，應力分量逐漸趨于原地應力，即井眼的應力影響區(qū)很小。這樣，井壁上的應力即為井眼圍巖的最大應力。井壁任一點的應力狀態(tài)為：圖16 應力分量隨井軸距離的變化規(guī)律 （62）上式可以從看出：井壁上任一點的應力狀態(tài)不僅與鉆井液密度有關，而且與井圖17 井壁應力分量隨圓周角的變化規(guī)律壁上的具體位置有關，即與圓周角有關，如圖17所示。 強度破壞準則巖石的破壞通?？煞譃榇嘈云茐暮脱有云茐膬煞N，前者是指巖石變形很小就出現(xiàn)斷裂，后者是指巖石達到相當程度的變形最后導致破裂。巖石之所以能產生脆性破壞或延性破壞，除了受到應力及應變狀態(tài)影響外，也受到溫度、圍壓、應變速率等因素的控制。但目前大多數(shù)巖石破壞準則認為巖石的破壞僅僅與應力和應變狀態(tài)有關。在單向應力狀態(tài)下，巖石破壞可以直接通過巖石力學實驗獲得。例如采用破壞時的最大應力作為破壞判據(jù)。但在一般情況下，巖石處于三向應力狀態(tài)，而巖石的破壞往往與三個主應力大小及其相互間的比值有關，因此必須尋求一種能適用于各種應力狀態(tài)的破壞準則。a) 剪切破壞準則強度破壞準則是判定井壁是否破壞的臨界條件。在本研究中，我們選擇了庫侖摩爾準則作為剪切破壞的強度判據(jù)。這個準則認為巖石沿某一平面發(fā)生剪切破壞，不僅與該面上剪應力大小有關，而且與該面上的正應力有關。巖石并不沿著最大剪應力作用面產生破壞，而是沿著其剪應力與正應力達到最不利組合的某一面產生破裂。其表達式如下：（63）式中：_井壁上一點的最大主應力，；_井壁上一點的最小主應力，；_有效應力系數(shù)；_地層孔隙壓力，；_內聚力，；_內摩擦系數(shù)。b) 拉伸破壞準則當鉆井液液柱壓力過高時，在井壁處會出現(xiàn)拉應力，當拉應力超過地層的抗拉強度時，就會出現(xiàn)拉伸破壞，發(fā)生井漏。 (64)式中: _井壁上一點的最小主應力，； _地層的抗拉強度。 地層三項壓力計算模型 地層坍塌壓力表達式井眼圍巖的應力大小與井眼內的鉆井液密度有關，隨著鉆井液密度的降低，井眼圍巖的剪應力不斷提高，當超過巖石的抗剪強度時，巖石將發(fā)生剪切破壞。發(fā)生剪切破壞的臨界井眼液柱壓力稱為坍塌壓力，此時的鉆井液密度稱為坍塌壓力當量鉆井液密度，一般情況下簡稱為坍塌壓力。在斜井眼條件下計算坍塌壓力, 首先由(65)式求出井壁上的三個主應力分量：(65)將井壁上任一點的應力狀態(tài)表達式(22)簡化為： (66) 式中： 考慮地層的有效應力效應，有： (67)