高壓氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析

摘 要

摘要：在利用氣體鉆井技術(shù)揭開高壓氣層的初期，由于低密度氣體在井底產(chǎn)生的壓力很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣層的孔隙壓力，高壓氣層的氣體在壓力勢差作用下由地層向井眼高速流動，導(dǎo)致高壓產(chǎn)氣層
摘要：在利用氣體鉆井技術(shù)揭開高壓氣層的初期，由于低密度氣體在井底產(chǎn)生的壓力很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣層的孔隙壓力，高壓氣層的氣體在壓力勢差作用下由地層向井眼高速流動，導(dǎo)致高壓產(chǎn)氣層段井壁穩(wěn)定性下降，易引起井下復(fù)雜事故。通過分析高壓氣層高速產(chǎn)氣影響氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的作用機(jī)理，建立了一套高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的評價方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高壓氣層高速產(chǎn)氣過程中，一方面導(dǎo)致產(chǎn)氣層近井壁地帶的孔隙壓力降低，形成一個壓降漏斗，作用在井壁表面巖石上的有效應(yīng)力增加，有利于氣層的井壁穩(wěn)定；另一方面由于產(chǎn)層孔道迂回曲折，高壓氣體在快速流出地層時，在近井壁地帶會產(chǎn)生一個附加徑向應(yīng)力，降低了井底氣體對井壁巖石的有效支撐作用，不利于氣層的井壁穩(wěn)定。綜合分析正、反兩方面的影響因素后發(fā)現(xiàn)：高壓產(chǎn)氣層被氣體鉆井揭開瞬間，氣層井壁表面巖石穩(wěn)定性最差；隨后，井壁表面巖石孔隙壓力降低，井壁穩(wěn)定性變好；隨著產(chǎn)氣層暴露時間的增加，氣層深部位置點(diǎn)高壓氣體開始流動，井壁穩(wěn)定性先變差后變好。
關(guān)鍵詞：氣體鉆井；高壓氣層；井壁穩(wěn)定性；評價方法；孔隙壓力；拖曳力
    在氣體鉆井過程中，循環(huán)介質(zhì)為低密度干燥氣體，氣體在井底產(chǎn)生的壓力很小，在1MPa左右，遠(yuǎn)小于地層孔隙壓力。當(dāng)利用氣體鉆井揭開高壓產(chǎn)氣層時，氣體在壓力勢差作用下由地層高速流入井眼內(nèi)，導(dǎo)致高壓產(chǎn)氣層段井壁穩(wěn)定性下降，井壁垮塌失穩(wěn)。四川盆地川西新場氣田利用氣體鉆井技術(shù)鉆探侏羅系沙溪廟組地層時，鉆遇高壓產(chǎn)氣層，地層短時間大量產(chǎn)氣后，井下發(fā)生惡性埋鉆事故，結(jié)合現(xiàn)場測井資料證實(shí)為產(chǎn)氣層段垮塌失穩(wěn)造成井下埋鉆事故[1～7]。因此，開展高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性研究，可以為產(chǎn)層段氣體鉆井的順利實(shí)施提供技術(shù)保障。
1 高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理
    在利用氣體鉆井揭開高壓產(chǎn)氣層時，地層中的高壓氣體在壓力勢差作用下由地層快速流入井眼內(nèi)，一方面導(dǎo)致高壓產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力降低，形成一個壓降漏斗，越是靠近井壁表面地層孔隙壓力越小，那么作用在巖石上的有效應(yīng)力越大；另一方面，產(chǎn)氣層的孔道迂回曲折，高壓氣體快速流出地層過程中，在近井壁地帶產(chǎn)生一個將井壁表面巖石推向井眼的附加徑向應(yīng)力，減弱了井筒內(nèi)氣體對井壁的有效支撐作用。總之，高壓氣層高速產(chǎn)氣導(dǎo)致作用在近井壁地帶巖石上的有效應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響高壓產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性。
1.1 高壓產(chǎn)氣層孔隙壓力變化及其對井壁穩(wěn)定性的影響
    高壓產(chǎn)氣層被氣體鉆井揭開后，高壓氣體在壓力勢差作用下流出產(chǎn)層，導(dǎo)致近井壁地帶孔隙壓力減小，可利用多孔介質(zhì)線性單相滲流基本方程評價地層孔隙壓力分布情況。
 
式中φ表示地層孔隙度，%；μ表示氣體黏度，mPa·s；C表示氣體壓縮系數(shù)，MPa-1；K表示地層滲透率，mD；，rw表示井眼半徑，m；pw表示井底壓力，MPa；p0表示原始地層孔隙壓力，MPa。
    結(jié)合邊界條件和初始條件，由式(1)便可得到高壓氣層被氣體鉆井揭開后，產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力分布情況，如圖1所示。
 
    從圖1可以看出，高壓氣層一旦被氣體鉆井揭開后，近井壁地帶孔隙壓力分布發(fā)生明顯變化。井壁表面巖石孔隙壓力與井筒內(nèi)壓力相等，隨著距井壁表面距離的增加，孔隙壓力逐漸增加，直至恢復(fù)原始地層孔隙壓力。
    高壓氣層孔隙壓力的變化引起作用在巖石骨架上的有效應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響產(chǎn)氣層近井壁地帶井壁穩(wěn)定性發(fā)生改變。圖2給出了孔隙壓力變化對高壓產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性的影響，圖2中井壁穩(wěn)定性值越小表明井壁越穩(wěn)定；反之，井壁穩(wěn)定性較差。
 

    從圖2可以看出，高壓產(chǎn)氣層孔隙壓力的變化對地層井壁穩(wěn)定性的影響十分明顯。從圖2可以看出，與原始地層相比較(即地層不產(chǎn)氣，地層孔隙壓力分布保持原始狀態(tài))，高壓氣層產(chǎn)氣后，近井壁地帶孔隙壓力降低，作用在巖石骨架上的有效應(yīng)力增加，但井壁穩(wěn)定性變好。因此，高壓氣層產(chǎn)氣引起地層孔隙壓力降低有利于產(chǎn)氣層的井壁穩(wěn)定。
1.2 高壓氣體高速流動對地層有效應(yīng)力分布和井壁穩(wěn)定性的影響
在高壓氣層產(chǎn)氣過程中，除了引起地層孔隙壓力分布發(fā)生變化以外，高壓氣體高速流出地層時，對井壁表面巖石產(chǎn)生一個附加徑向應(yīng)力，該附加應(yīng)力將井壁表面巖石向井眼內(nèi)“拖曳”，引起產(chǎn)氣層井壁垮塌掉塊。這種附加作用力也稱為“拖曳力”，拖曳力的產(chǎn)生主要是由流體壓差引起的，在單位滲流面積上，巖石的孔隙面積為φ(即孔隙度)，則單位長度上流體對巖石施加的摩擦拖曳力為：
 
式(2)又可表示為：
    dF=-dpφ    (3)
    由式(3)可以看出，高壓氣體高速流動產(chǎn)生的附加拖曳力與高壓產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力梯度變化相關(guān)。結(jié)合前面得到的高壓氣層產(chǎn)氣過程中孔隙壓力分布情況，便可得到高壓氣層產(chǎn)氣過程中拖曳力變化情況，如圖3所示。
 

從圖3可以看出，在高壓氣層被揭開前，地層孔隙壓力保持原始狀態(tài)，無高壓氣體流動，拖曳力為零。當(dāng)高壓氣層被揭開瞬間，高壓氣體快速沖出地層，在井壁表面產(chǎn)生的拖曳力最大，隨著距井壁表面距離的增加，拖曳力逐漸減弱。隨著產(chǎn)氣層裸露時間的增加，作用在井壁表面上的拖曳力減小。從圖3還可看出，拖曳力的變化曲線上存在一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)左邊，隨著時間的增加，拖曳力逐漸減弱，而在該點(diǎn)右邊，拖曳力則逐漸增加。
    圖4給出了高壓氣體高速流動對產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性的影響關(guān)系。
 

    從圖4可以看出，高壓氣體高速流動會導(dǎo)致產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性降低。在氣層被揭開瞬間，高速流動氣體在井壁表面產(chǎn)生的“拖曳力”最大，對產(chǎn)層井壁穩(wěn)定性影響最大，此時產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性最差。隨著產(chǎn)層暴露時間的增加，進(jìn)井壁地帶孔隙壓力逐漸減小，產(chǎn)生的拖曳力逐漸減小，那么，對井壁穩(wěn)定性的影響減弱。
1.3 高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性綜合分析
    由前面的分析可知，高壓產(chǎn)氣層產(chǎn)氣過程中，一方面引起近井壁地帶孔隙壓力減小，有利于井壁穩(wěn)定；另一方面高壓氣體高速流動產(chǎn)生附加“徑向拖曳力”，不利于井壁穩(wěn)定。那么，綜合考慮正、反兩方面的影響因素，高壓產(chǎn)氣層產(chǎn)氣過程中井壁穩(wěn)定性究竟怎樣變化呢？
考慮高壓氣層孔隙壓力變化和拖曳力的影響，高壓產(chǎn)氣層近井壁地帶有效應(yīng)力分布可表示為：
 
式中σ′r、σ′θ、σ′z和τrθ分別表示徑向、周向、垂向的有效應(yīng)力和剪切力，MPa；σw表示上覆地層壓力，MPa；σh1、σh2分別表示兩個水平方向主地應(yīng)力，MPa；α表示有效應(yīng)力系數(shù)，無量綱；μ表示巖右靜態(tài)泊松比；θ表示圓周角，(°)；p(r)表示距井壁表面處孔隙壓力，MPa；f(r)表示距井壁表面處拖曳力，MPa。
   由公式(4)～(7)計算得到高壓氣層產(chǎn)氣過程中井眼周圍地層有效應(yīng)力分布情況，結(jié)合庫侖-摩爾準(zhǔn)則便可得到產(chǎn)氣層產(chǎn)氣過程中近井壁地帶井壁穩(wěn)定性分布情況，如圖5所示。
 

    從圖5可以看出，當(dāng)產(chǎn)氣層被揭開瞬間，井壁表面巖石孔隙壓力保持原始狀態(tài)，井壁表面巖石孔隙壓力與井眼內(nèi)壓力差異最大，作用在井壁表面巖石上的“拖曳力”最大，此時井壁表面巖石穩(wěn)定性最差，高于原始地層井壁表面巖石穩(wěn)定性。高壓氣層瞬間產(chǎn)氣后，導(dǎo)致井壁表面巖石孔隙壓力降低，與井眼內(nèi)壓力持平，“拖曳力”消失，井壁表面巖石孔隙壓力的降低導(dǎo)致井眼表面巖石穩(wěn)定性變好，低于原始地層井壁穩(wěn)定性。隨著時間的增加，由于氣體的流出，壓力的傳遞，產(chǎn)氣層深部位置點(diǎn)孔隙壓力發(fā)生變化，進(jìn)而引起地層深部氣體在壓力勢差作用下流出地層，一方面導(dǎo)致孔隙壓力減小，另一方面產(chǎn)生“拖曳力”。地層深部每個位置點(diǎn)由于前一個位置點(diǎn)的孔隙壓力降低，高壓氣體欲動未動時，先產(chǎn)生“拖曳力”引起該位置點(diǎn)井壁穩(wěn)定性變差，然后孔隙壓力降低，井壁穩(wěn)定性變好。
    川西地區(qū)新場氣田利用空氣鉆井技術(shù)鉆探沙溪廟組地層時，鉆遇產(chǎn)氣層段，產(chǎn)氣層短時間產(chǎn)氣后引起井下遇阻卡鉆事故，隨后被迫轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井。利用前面建立的高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性評價方法分析了新場氣體沙溪廟組產(chǎn)氣層段不產(chǎn)氣和產(chǎn)氣瞬間兩種情況下的坍塌密度變化情況，如圖6所示。

    從圖6可以看出，高壓氣層在產(chǎn)氣前后坍塌密度有著明顯的變化，考慮地層瞬間產(chǎn)氣影響的地層坍塌密度要明顯高于地層不產(chǎn)氣時的地層坍塌密度，這也說明地層瞬間產(chǎn)氣會導(dǎo)致產(chǎn)氣層井壁穩(wěn)定性下降，在評價分析高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定時需要考慮地層產(chǎn)氣對井壁穩(wěn)定性的影響。
3 結(jié)論與認(rèn)識
    通過對氣體鉆井高壓氣層高速產(chǎn)氣過程中井壁穩(wěn)定性綜合評價分析，并結(jié)合現(xiàn)場高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井實(shí)鉆情況，可以得出以下結(jié)論與認(rèn)識：
    1) 在評價高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井壁穩(wěn)定性時，需要考慮高壓氣層高速產(chǎn)氣對氣層近井壁地帶有效應(yīng)力分布和井壁穩(wěn)定性的影響。
    2) 高壓氣層被氣體鉆井揭開后，高壓氣體在壓力勢差作用下高速流出地層，一方面導(dǎo)致產(chǎn)氣層近井壁地帶孔隙壓力降低，另一方面高速流動氣體通過地層孔道時，產(chǎn)生一個附加徑向拖曳力。
    3) 高壓氣層近井壁地帶孔隙壓力的降低有利于氣層井壁穩(wěn)定，而徑向拖曳力則不利于氣層井壁穩(wěn)定。
    4) 高壓氣層被氣體鉆井揭開瞬間，氣層井壁穩(wěn)定性最差，高于原始地層井壁穩(wěn)定性，隨后孔隙壓力降低，井壁穩(wěn)定性變好。
    5) 為了避免高壓產(chǎn)氣層氣體鉆井井下復(fù)雜事故的發(fā)生，可以采取適當(dāng)措施方法，諸如當(dāng)利用氣體鉆井揭開高壓產(chǎn)氣層時，應(yīng)盡量降低鉆速或停止鉆進(jìn)，利用產(chǎn)氣層的孔道連通性，使鉆頭前方地層氣體得以釋放，降低孔隙壓力，增加井壁穩(wěn)定性，接著充分循環(huán)、沖洗井底巖屑，然后再繼續(xù)鉆進(jìn)。
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(本文作者：劉厚彬1 孟英峰1 萬尚賢2 李皋1 蔣祖軍3 呂濱4 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)；2.川慶鉆探工程有限公司；3.中國石化西南油氣分公司；4.中國石油遼河油田公司勘探開發(fā)研究院儲量室)