合理的井底壓差設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析

摘 要

摘要：鉆井施工中，合理的井底壓差可以達(dá)到提速增效和保護(hù)儲(chǔ)層的目的。為此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、巖石破碎學(xué)理論研究了不同壓差下井底應(yīng)力場(chǎng)分布及巖石變形狀況。結(jié)果表明，與正壓
摘要：鉆井施工中，合理的井底壓差可以達(dá)到提速增效和保護(hù)儲(chǔ)層的目的。為此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、巖石破碎學(xué)理論研究了不同壓差下井底應(yīng)力場(chǎng)分布及巖石變形狀況。結(jié)果表明，與正壓差相比，在負(fù)壓差鉆井條件下更利于井底巖石破碎，提高機(jī)械鉆速。但井底壓差不能無(wú)限制地降低，需要結(jié)合具體井位的地質(zhì)和工程特征，在保證不發(fā)生溢流和井壁垮塌的前提下，將井底壓差設(shè)計(jì)在一個(gè)合理的范圍值內(nèi)：在滲透性地層鉆井時(shí)，靜液柱壓力小于地層孔隙壓力時(shí)，地層流體將流入井筒，這時(shí)設(shè)計(jì)的最低液柱壓力應(yīng)略高于地層孔隙壓力(約0.02MPa)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，井底壓差在合理的范圍內(nèi)越小時(shí)，機(jī)械鉆速越高。
關(guān)鍵詞：井底壓差；機(jī)械鉆速；井底應(yīng)力；巖石力學(xué)；破巖效率；井壁穩(wěn)定
    鉆井施工中，合理的井底壓差可以達(dá)到提速增效和保護(hù)儲(chǔ)層的目的。這兩大優(yōu)點(diǎn)中，“提速增效”主要體現(xiàn)在大段非儲(chǔ)層井段的應(yīng)用、通過(guò)提高機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭壽命，還通過(guò)克服井漏，減少壓差粘附卡鉆來(lái)達(dá)到提速、增效、降低成本的目的。“保護(hù)儲(chǔ)層”，在勘探鉆井中有利于發(fā)現(xiàn)油氣層，評(píng)價(jià)油氣層；在開(kāi)發(fā)鉆井中有利于提高單井產(chǎn)量，提高最終采收率。
1 壓差對(duì)巖石及鉆井效率的影響
    關(guān)于降低液柱壓力或減少過(guò)平衡壓差提速的機(jī)理，早在20世紀(jì)50年代開(kāi)始從事室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究去揭示其內(nèi)在規(guī)律，所有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的統(tǒng)一結(jié)論是：對(duì)所有巖石類型，減少過(guò)平衡壓差或者液柱壓力，都可以大幅度地提高鉆速。其原因歸結(jié)于兩方面：①增加井底壓差會(huì)使巖石的抗破碎強(qiáng)度和塑性增加，導(dǎo)致鉆頭的破碎效率下降；②壓差越大對(duì)井底巖屑產(chǎn)生壓持效應(yīng)越顯著，清除巖屑效率越差，增加了鉆頭重復(fù)切削的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致鉆速下降[1]。
1.1 井底巖石的破碎強(qiáng)度
    巖石的破碎強(qiáng)度是隨圍壓的變化而改變的。巖石強(qiáng)度極限隨著圍壓的增大而增大，只是不同巖石種類有不同的增長(zhǎng)速率。鉆井過(guò)程中，鉆井液密度越大，井底液柱壓力就越大，巖石的破碎強(qiáng)度就越大，地層就越難破碎；反之相反。因此，在鉆井中盡可能減少井底壓力有利于降低巖石強(qiáng)度、提高鉆速。而降低井底液柱壓力的極限狀態(tài)就是氣體鉆井。
1.2 巖石的塑脆性
    在鉆井過(guò)程中鉆頭牙齒對(duì)巖石的沖壓作用，希望得到的是脆性破壞，不希望只是得到一個(gè)壓入的塑性坑，而沒(méi)有體積破壞。巖石塑脆性也不是同有不變的，是隨著圍壓的增大而增大[2](圖1)。這種增加不是隨圍壓的連續(xù)變化，而存在一個(gè)明顯的塑脆性轉(zhuǎn)化點(diǎn)：當(dāng)圍壓低于此點(diǎn)，巖石成脆性；當(dāng)圍壓高于此點(diǎn)，巖石呈塑性。鉆井時(shí)最好能將液柱壓力降低到塑脆性轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下，使巖石呈脆性破碎，則可較大幅度提高鉆速。

1.3 井底巖石的應(yīng)力狀態(tài)
    巖層在原始埋藏狀態(tài)下，有原始地應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)構(gòu)造平緩地帶，最大主應(yīng)力σ1為上覆巖層的壓力，兩個(gè)水平主應(yīng)力σ2、σ3常為最大主應(yīng)力的30%至50%。當(dāng)?shù)貙颖唤议_(kāi)導(dǎo)致地應(yīng)力分布發(fā)生變化，如果井筒內(nèi)鉆井液密度較高，則二次應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力(σ1)仍是垂向。如果采用鉆井液密度較低，當(dāng)液柱壓力低到一定程度時(shí)，σ1、σ2、σ3的方向就會(huì)發(fā)生變化：最大主應(yīng)力(σ1)會(huì)成為水平方向，垂向液柱壓力或?yàn)?sigma;2或?yàn)?sigma;3，這種應(yīng)力場(chǎng)是有利于井底表面破碎的。如果采用氣體鉆井，液柱壓力幾乎為零，垂向應(yīng)力一定是亂(而且?guī)缀鯙榱?，σ1、σ2為水平主應(yīng)力，這種情況是有利于井底表面破碎的[1]。
   用ANSYS有限元軟件模擬了井深3000m鉆井液鉆井和氣體鉆井的地層地應(yīng)力(規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))，從圖2、3可以看出，氣體鉆井時(shí)井底巖石應(yīng)力值比鉆井液鉆井時(shí)井底巖石的應(yīng)力值要小很多，比如圖3中氣體鉆井時(shí)井底巖石的應(yīng)力最小值只有8.756MPa，而鉆井液鉆井時(shí)，井底巖石的應(yīng)力最小值約22.94MPa。根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的氣體鉆井時(shí)井底巖石是處于低應(yīng)力狀態(tài)，此條件下的巖石的強(qiáng)度和塑性均比較小，比較容易破壞。從圖4、5分析垂直于井底方向的應(yīng)力，鉆井液鉆井時(shí)井底為壓應(yīng)力，氣體鉆井時(shí)，井底巖石受到沿井眼軸向向上的拉應(yīng)力，井底中心的拉應(yīng)力大小為14.28MPa，逐漸向外圍擴(kuò)大，井壁處的拉應(yīng)力為0.647MPa。這拉應(yīng)力有“拉斷巖石，使井底巖石跳離井底”的趨勢(shì)。

1.4 地層孔隙壓力對(duì)破巖效率的影響
    無(wú)論是滲透性地層，還是非滲透性地層，負(fù)壓差有利孔隙壓力的釋放，都有利于破碎裂紋擴(kuò)展和井底凈化[3]。
對(duì)滲透性地層，地層內(nèi)飽和的流體可以流動(dòng)(圖6)。負(fù)壓差條件下向外流動(dòng)的流體將破碎巖屑浮起，推離井底，避免了重復(fù)破碎和產(chǎn)生更多的微粒。在正壓差條件下，正壓差下向地層內(nèi)的滲流失水，首先將巖屑?jí)涸诰?，之后迅速形成淺層濾餅，不但將巖屑緊緊壓在井底，造成巖屑的二次破碎，而且造成液柱壓力與孔隙壓力之差值集中作用于井底薄層，形成該層的集中應(yīng)力。
 

飽和有束約流體的極低滲透巖石，如泥頁(yè)巖，表現(xiàn)為不滲透特性，但仍然有孔隙壓力，只是在較小的壓差作用下孔隙流體不可流動(dòng)，呈束縛態(tài)。此時(shí)負(fù)壓差條件下的孔隙壓力相當(dāng)于多孔介質(zhì)巖石內(nèi)部的內(nèi)張力，這個(gè)內(nèi)張力促使壓入齒周?chē)芽p的產(chǎn)生和擴(kuò)展，促使破碎的巖屑崩離井底。而在正壓差條件下，則正壓差作用在井底，使巖石骨架受壓縮，既不利于壓入齒周?chē)芽p的產(chǎn)生和擴(kuò)展，也不利于破碎的巖屑脫離井底。
1.5 消除了固相微粒對(duì)鉆速的影響
    在正壓差情況下，由于巖屑重復(fù)破碎和礦物的水相分散，鉆井液中微米級(jí)固相微粒很多。這些高濃度的固相微粒是在瞬時(shí)失水推動(dòng)下迅速造成井底表面堵塞、成餅的重要原因，轉(zhuǎn)變了地層的滲透性。負(fù)壓差下，消除了這些因素對(duì)微粒固相對(duì)機(jī)械鉆速的影響[4]。
1.6 沖擊破碎方式
    負(fù)壓差下鉆頭對(duì)井底沖擊更頻繁，在沖擊載荷下，雖然巖石的破碎強(qiáng)度有所增加，使巖石不易破碎，但同時(shí)沖擊載荷使巖石的脆性大大增加，從而有利于破碎。將沖擊速度適當(dāng)提高，巖石破碎強(qiáng)度增加不多，但其脆性大幅度增加，從而總體有利于提高破碎效率。
1.7 延長(zhǎng)鉆頭壽命
Teale(1965)提出機(jī)械比能概念，Pessier和Fear(1992)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)論證了該理論的可行性，其定義為從井底地層上切除單位體積巖石所需做的功。
 
式中SE為比能，MJ/m3；N為轉(zhuǎn)速，r/min；ROP為鉆速m/h；WOB為鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm；T為鉆頭扭矩，kN·m。
    因此，井底壓差越小則巖石脆性越大、強(qiáng)度越低，在鉆頭前方形成了一個(gè)低應(yīng)力區(qū)，有利巖石產(chǎn)生體積性剪切破壞，其機(jī)械比能低，對(duì)鉆頭的損耗要??；正壓差條件下，井底巖石塑性大、強(qiáng)度高，在牙齒前方產(chǎn)生擠壓性剪切破壞，巖石對(duì)牙齒的研磨性強(qiáng)所需的機(jī)械比能高對(duì)鉆頭的磨損要大。實(shí)踐證明與鉆井液鉆井相比，氣體鉆井條件下，牙輪鉆頭的壽命會(huì)增加3～4倍，單只鉆頭進(jìn)尺會(huì)增加8～10倍，鉆同樣井段所用鉆頭數(shù)量會(huì)減少約70%。
2 合理井底壓差設(shè)計(jì)原則
    確定保持井底合適的壓差。因此，在設(shè)計(jì)前需要考慮以下兩方面的因素[5]：①地層流體流入井筒的速度與井底壓差有關(guān)，負(fù)壓差過(guò)大，易造成井噴；②壓差過(guò)大，易造成井壁失穩(wěn)，而產(chǎn)生大量塌塊，掩埋鉆具。
2.1 防止溢流的最小鉆井液密度
在滲透性地層鉆井時(shí)，如果靜液柱壓力小于地層孔隙壓力時(shí)，地層流體將流入井筒。這時(shí)設(shè)計(jì)的最低液柱壓力應(yīng)略高于地層孔隙壓力(約0.02MPa)。因此，防止溢流的最小鉆井液密度為：
 
式中ρm為最小鉆井液密度，g/cm3；pp為地層壓力，MPa；D為井深，m。
2.2 防止井壁坍塌最小液柱壓力
    在鉆井過(guò)程中如果鉆井液的密度過(guò)低也會(huì)導(dǎo)致井壁崩落或者垮塌，密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致井底不能安全的鉆進(jìn)。應(yīng)用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則分析直井和水平井為了維持井壁穩(wěn)定所需的最小液柱壓力[6]。
2.2.1直井井壁穩(wěn)定性分析
    當(dāng)σθ＞σz＞σr時(shí)，這時(shí)所需要的最小液柱壓力為：
 
當(dāng)σz＞σθ＞σr時(shí)，這時(shí)所需要的最小液柱壓力為：
 
2.2.2水平井井壁穩(wěn)定性分析
當(dāng)σθ＞σz＞σr時(shí)，這時(shí)所需要的最小液柱壓力為：
 
當(dāng)σz＞σθ＞σr時(shí)，這時(shí)所需要的最小液柱壓力為：
 
式(3)～(6)中σz、σθ、σr分別為上覆巖層應(yīng)力、周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力，MPa；ph為鉆井液液柱壓力，MPa；β為巖石破壞面與最大主應(yīng)力之間的夾角，(°)；σh為水平應(yīng)力，MPa；σv為垂直應(yīng)力，MPa；pp為地層壓力，MPa；Co為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；υ為巖石泊松比；α為巖石有效應(yīng)力系數(shù)。
   結(jié)合以上分析，可形成如下決策圖(圖7)。
 

   鉆前通過(guò)對(duì)不同鉆井方式下的井壁穩(wěn)定性分析，在保證井壁穩(wěn)定和不發(fā)生井下復(fù)雜情況的前提下盡可能地降低鉆井液密度，使得巖石能在脆性狀態(tài)下破壞。
3 不同壓差下機(jī)械鉆速對(duì)比分析
   窿9井在鉆井過(guò)程中遇到各種井下復(fù)雜事故，該口井采用了氣體、霧化、泡沫以及鉆井液鉆井方式[7]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，井底壓差越小，則機(jī)械鉆速越大(圖8)。因此，鉆前需要認(rèn)真研究該區(qū)塊的地質(zhì)特征以及分析工程難點(diǎn)，評(píng)價(jià)該區(qū)塊的油、氣、水分布特點(diǎn)和井壁穩(wěn)定性效果，然后結(jié)合具體的鉆井方式計(jì)算合理的井底壓差來(lái)達(dá)到提速增效的目標(biāo)。
 

4 結(jié)論
    1) 地層的滲透性和孔隙壓力對(duì)巖石強(qiáng)度影響較大，當(dāng)液柱壓力低于地層壓力時(shí)，井底巖石在負(fù)壓差下處于受拉狀態(tài)，其強(qiáng)度和可鉆性級(jí)值都較低，使得鉆頭破巖效率更高，井底清巖效果更好。
    2) 鉆前通過(guò)對(duì)不同鉆井方式下的井壁穩(wěn)定性分析，在保證井壁穩(wěn)定和不發(fā)生井下復(fù)雜情況的前提下盡可能地降低鉆井液密度，使得巖石能在脆性狀態(tài)下破壞。
    3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，井底壓差在合理的范圍內(nèi)越小時(shí)，機(jī)械鉆速越高。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：楊謀1 孟英峰1 李皋1 李永杰1 魏納1 王廷民1，2 閻凱3 1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)；2.中國(guó)石油塔里木油田公司博士后流動(dòng)站；3.中國(guó)石油塔里木油田公司)