深水高温高压井测试期间井壁稳定性分析方法研究 张玉亭 周建良 何玉发 许亮斌 袁俊亮 中海油研究总院 摘 要： 随着我国海洋油气勘探开发逐步迈向深水, 常规浅水测试工程设计技术方法在深水领域的局限性逐渐暴露出来, 文章分析了目前深水测试作业常用的井壁稳定性分析方法, 对比了深水测试作业与钻完井作业井眼稳定性分析的区别, 分析推荐了适用于深水测试作业的井壁稳定性分析方法及相关参数确定方法, 并研究了深水高温高压环境对测试期间井壁稳定性的影响, 取得了一定的认识关键词： 测试工程; 井壁稳定性分析; 深水; 高温高压; 规律分析; 作者简介：张玉亭 (1986, 11-) , 男, 汉族, 完井工程师, 主要从事深水完井工程技术研究以及岩石力学在石油工程中的应用研究基金：国家重点基础研究发展计划 (“973”计划) 课题“深水油气井完井与测试优化方法” (编号:2015CB251205) 资助1 简介随着荔湾 3-1 和陵水 17-2 等一系列重大油气项目的实施, 我国逐步加快了南海深水空白区块的油气勘探开发步伐然而, 南海西部深水高温高压油气藏条件对我国当前的海洋深水钻完井测试工程技术体系提出了重大的技术挑战。
测试期间的井壁稳定性分析主要服务于测试期间完井方式的选择, 如井壁稳定性分析认为测试期间井壁有可能垮塌, 则必须采取具有井壁支撑功能的完井方式, 如独立筛管完井或者砾石充填完井等我国海上测试作业期间的井壁稳定性分析一般沿用开发井完井的地层出砂预测分析方法, 如现场观测法、经验法、数值计算法和实验法等其中, 经验公式法最为常用, 我国南海东部和西部绝大多数浅水和深水测试井在测试工程设计阶段都采用了经验公式法中的单轴抗压强度法 (也是目前我国海上油气田完井设计中的常用方法) 作为测试期间的井壁稳定性分析方法, 如式 (1) 所示[1]式中, △Ρ-临界出砂生产压差, MPa;L-经验系数, 无量纲;UCS-岩石单轴抗压强度, MPa单轴抗压强度法是 Shell 公司根据大量已钻井数据总结得到的经验公式, 对于附近有大量邻井存在的区域, 应用效果良好该方法成功应用的关键在于经验系数的准确设定, 然而, 我国深水油气勘探开发刚刚起步, 深水井的钻井数量极其有限, 南海绝大部分深水区域都没有进行过钻井作业[2], 在这些区域应用单轴抗压强度法就会存在无邻井信息确定和校核经验系数的问题另外, 单轴抗压强度法是针对地层出砂问题提出的经验公式方法, 主要目标地层为砂岩地层, 对于碳酸盐岩地层的适用性还有待进一步验证, 我国南海流花 4-1 和流花11-1 三井区就存在一些礁灰岩储层。
2 适用于测试工况的井壁稳定性分析方法测试作业是在钻井作业结束之后针对储层储量和产能而开展的测试工作, 主要是通过控制地层流体放喷求得所需信息和数据本文针对从未开发的偏远区块开发分析对比了探井钻井、评价井测试以及生产井完井期间井壁稳定性分析研究可利用数据以及根据工况特点需要考虑因素的不同, 如表 1 所示, 认为目前测试期间井壁稳定性分析常用的单轴抗压强度法就会存在无邻井信息确定和校核经验系数校验方面的问题, 并推荐了如下的测试期间井壁稳定性分析方法分析表 1 发现, 由于测试期间流体的流动方向为由地层流向井筒, 因此, 测试期间井筒发生破坏的形式主要应为剪切破坏, 本文推荐测试期间井壁稳定性分析方法采用库伦摩尔剪切破坏模型, 如式 (2) 所示式中:σ 1-最大主应力, MPa;σ 3-最小主应力, MPa;C-岩石固有剪切强度, MPa;φ-内摩擦角该模型在钻井井壁稳定和完井出砂预测方面已经得到了广泛的应用, 成功应用的关键因素有两个: (1) 井壁围岩应力状态分析; (2) 模型参数选择下面详细介绍上述两项内容的确定方法2.1 井壁围岩应力状态关于井壁围岩应力状态的计算已经相当成熟, 有很多研究成果, 其中, 任意井斜角方位角下的井壁围岩应力状态如式 (3) 所示[3]:其中, 表 1 深水偏远区块探井钻井、评价井测试以及生产井完井期间井壁稳定性分析研究对比 下载原表 式中, σ V-上覆岩层压力, MPa;σ H-最大水平主应力, MPa;σ h-最小水平主应力, MPa;Pp-地层孔隙压力, MPa;P i-井底液柱压力, MPa;α-有效应力系数;ψ-井斜角 (与垂向的夹角) ;Ω-相对于最大水平地应力的井斜方位角;θ-井周角;μ-岩石泊松比;Ε-岩石弹性模量, MPa;δ-渗流附加应力系数, 井壁上有渗流为 1, 无渗流为 0;f-孔隙度。
主应力状态可由式 (4) 得到2.2 模型参数选择由于测试作业前一般都已取得了大量的探井数据资料, 因此可充分利用实钻资料精确确定式 (2) 和 (3) 中的各类参数1) 利用钻井期间的地层漏失试验 (LOT 测试) 或者地层完整性测试 (FIT) 数据得到较为准确的地应力数据 (σ H, σ h) [3], 利用测井资料 (密度测井和声波测井数据) 可得到深水条件下的上覆岩层压力 (σ V) [4] (2) 利用钻井期间的关井立管压力可以求得地层孔隙压力 (P p) (3) 利用钻井取心可以通过室内岩石力学实验, 得到岩石的力学参数 (E、U、φ 和 C) , 进而可得到地层有效应力系数 α (4) 结合测井数据, 可实现整个储层段的各类参数求取 (5) 根据钻井资料, 可得到目标井眼实际的井斜角 ψ 和方位角 Ω因此, 测试期间井眼的井壁稳定性分析的一般步骤为:首先, 收集目标井的钻井数据、测井资料以及岩石力学实验数据;然后, 利用式 (3) 和 (4) 求取井壁处的主应力状态;最后, 将主应力数据代入式 (2) , 判断特定工况下井壁是否发生破坏, 同时, 也可求得井壁失稳的临界生产压差。
3 模型验证及应用利用本文推荐测试期间井壁稳定分析方法, 采用荔湾 3-1 深水气田某井的相关作业和科研资料, 计算了荔湾 3-1 气田某井的临界出砂生产压差, 并与中国石油大学 (北京) 利用全尺寸岩心取得的室内实测数据[1]进行了对比, 如表 2 所示与室内试验结果对比发现, 由于有可靠的实钻数据和岩石力学实验数据的支持, 该方法计算结果精度在 10%以内, 与文献[1]中经过室内实验校正得到的结果比较接近, 完全能够满足工程需要但是, 与文献[1]中的实验方法相比, 使用本文推荐的方法不需要进行全尺寸岩心实验, 能够节省大量实验时间和费用表 2 临界出砂生产压差计算实例对比 下载原表 4 深水高温高压环境的影响深水高温高压环境对测试作业期间的井壁稳定性分析的影响主要表现在以下几方面:(1) 水深与陆上和浅水 (水深小于 300m) 地层相比, 深水环境下 (水深 300m以上) 浅部地层成岩作用较差, 而且一般没有密度测井数据, 因此, 在计算储层上覆岩层压力时, 深水浅部地层的密度计算与浅水和陆地存在一定区别, 谭强等提出了深水条件下的上覆岩层压力计算方法[4], 应用效果较好, 建议予以采用。
2) 高温温度对于岩石的强度和力学特性参数是有一定影响的, 吴忠等开展了砂岩在高温状态下的力学特征实验研究[5], 实验数据显示, 在 25-200℃的实验温度范围内, 室内实验测得的砂岩岩样的弹性模量随实验温度的升高而降低, 降幅在 25%以内;变形模量随实验温度的升高而略有降低, 降幅在 5%以内;单轴抗压强度随实验温度的升高而降低, 降幅在 5%以内, 如图 1 和 2 所示图 1 高温下砂岩单轴抗压强度与温度的关系[5] 下载原图图 2 高温下砂岩弹性模量、变形模量与温度的关系[5] 下载原图结合岩石弹性力学参数之间的相互关系, 本文模拟常规疏松砂岩岩石力学特性, 研究了储层段井壁失稳时临界生产压差随温度的变化规律, 如图 3 所示由图 3 可知, 在其他地层条件不变的情况下, 在 25-200℃范围内, 储层井壁失稳时的临界生产压差随温度的升高而降低, 降幅在 20%左右, 不可忽略对于高温储层, 由于测试期间, 流体由地层流入井筒, 因此, 可认为储层段的井壁处温度为地层温度, 储层处于高温状态, 考虑到储层岩石力学特性的区域差异, 因此, 建议在进行室内岩心力学性质研究的时候, 开展高温条件下的室内岩心实验, 或者开展室温条件下的岩心实验, 然后将所得数据转化为高温下的岩石力学参数。
3) 高压高压指的是高地层孔隙压力, 本文模拟常规疏松砂岩岩石力学特性, 研究了地层孔隙压力对储层段井壁失稳时临界生产压差的影响, 如图 4 所示发现在其他地层条件不变的情况下, 储层井壁失稳时的临界生产压差随地层孔隙压力的升高而升高, 说明高的地层孔隙压力有利于测试期间的井壁稳定图 3 临界生产压差随温度的变化 下载原图5 结束语(1) 本文分析了目前海上测试期间井壁稳定性分析方法的特点, 并指出了其在偏远深水区块应用的局限性结合深水测试期间的工况特点以及可用数据, 推荐了深水测试作业期间井壁稳定性分析方法, 给出了具体参数的确定方法, 并用实例验证了其适用性 (2) 分析了地层高温对测试期间井壁稳定性的影响, 发现地层温度越高, 相同条件下, 临界生产压差越低, 且降幅较大, 因此, 对于高温测试井的井壁稳定性分析推荐采用高温条件下的岩石力学特征参数 (3) 分析了高压对测试期间井壁稳定性的影响, 发现在其他地层条件不变的情况下, 临界生产压差随地层孔隙压力的升高而升高, 说明高的地层孔隙压力有利于测试期间的井壁稳定图 4 临界生产压差随地层孔隙压力的变化 下载原图参考文献[1]赵彩庭, 邓金根, 王利华.砂岩气藏出砂临界压差预测方法[J].长江大学学报 (自然科学版) , 2011, 8 (6) :44-46. [2]钟广见, 曾繁彩, 冯常茂.深水油气勘探发展趋势及南海北部勘探现状[J].矿床地质, 2010, 29:1063-1064. [3]陈勉, 金衍, 张广清.石油工程岩石力学[M].北京:科学出版社, 2008:58-61, 70-71. [4]谭强, 蔚宝华, 等.深水油气田钻井安全密度窗口计算方法[J].石油与天然气学报, 2012, 34 (10) :98-100. [5]吴忠, 秦本东, 等.煤层顶板砂岩高温状态下力学特征试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24 (11) :1863-1867. 。