窄密度窗口钻穿岩层的方法.doc

窄密度窗口中钻穿岩层的方法SPE 94769摘要一般说来，造成井壁稳定性的主要问题是页岩。个别关键的钻井模式通常由深水或浅水覆盖组成。典型的超深水油气田在巴西。此种模式的特点是较高的孔隙流压，较低的压力梯度和较窄的压力密度窗口。为了在这些条件下钻井，有必要制定一定的方法来增大泥浆密度窗口。在本文中，我们论证了通过简单地改变钻井液流压和含盐浓度来增大泥浆密度窗口的可行性。为了评估井壁周围塑性区域的大小，我们根据钻井液流压、含盐浓度以及岩层曝露在钻井液中的时间建立了一个强大的计算机软件程序。泥浆密度的最终宽度将取决于设计所能允许的底层损害区域的大小。前言由于钻井技术的发展，在过去的十年里，井壁稳定性问题在石油工业中备受关注。此外，众所周知，井壁稳定性问题主要在页岩地层中遇见，因为页岩在全国范围内代表了3/4的层积岩。为了获得更多的页岩与钻井液间复杂关系的相互作用的认识，并推论出其不稳定规律，已经有几个相关研究相继发展起来。这些研究包括室内试验，理论推导和现场运用几个部分。页岩在钻进过程中的性能状态是一个复杂的现象，它受到机械的、液力的、化学的以及温度梯度的影响。尽管大量的研究已经计算出了这些数据，然而页岩的性能状态任然没有被纳入日常的钻井实践之中。室内实验表明页岩表现出渗透膜的性状，即当接触溶液溶解度不同时，他们之间的孔隙流体便会产生渗透压力。因此，为了改善井壁稳定性，页岩的此种性能被广泛学习。另一方面，由于页岩与钻井液间的力学作用，特别是化学效应。数学模型的发展已经能够定量孔隙压力和井壁周围应力分布。最初，简单的数学模型的提出，表明渗透压力增加井筒周围应力分布和弹性模量。然而，这种模型使得评价井壁稳定性过于简单化，因为他们不能吻合质量守恒方程，并且也不能作为一种完美的离子隔离膜。页岩就表现出较弱的渗透性。此外，由于页岩井壁稳定性的瞬变特性，提出了包含化学效应的毕奥模型。有些基于热力学理论，其他的则基于流体动力学理论。最近的一个分级到最小级别结果的模型显示出了重要规律。基于稳定性考虑，把较低的垮塌压力以及较高的破裂压力作为定义为安全密度窗口的重要依据。为了避免尽量减少钻井过程中的不稳定问题，泥浆压力必须保持在这种安全密度窗口之内。传统的确定垮塌压力和破裂压力的方法手段是进行对井壁稳定性的分析。安全泥浆压力是通过比较计算应力与岩石强度（抗压和抗拉强度）的关系来确定的。但是在钻穿薄弱地层的时候，这一情况将会压缩泥浆密度窗口。这种情况常见于深水钻井情况中，其发生漏失的风险也很高。因此，应当尽可能地用低密度的泥浆来钻井。此外，在某些条件下，最初的井壁损害并不意味着实际的问题，但是应当保证受到损害的区域应该在控制范围之内。井壁垮塌与钻进行为井壁垮塌是一种压裂破坏，在应力集中、钻井影响、超过岩石强度和屈服点的情况下时有发生。这种现象就是所谓的产生的突发情况。在较高的泥浆压力或者较低的泥浆压力情况下，井壁垮塌现象都有可能发生。在第一种情况下造成垮塌的风险是非常高的。正因如此，便不提倡采用提高钻井液密压力的方法来经验附近高产区。因此，这唯一的控制井壁垮塌发生的安全方法是降低钻井液压力。地下孔隙（比如隧道和钻孔）周围失效区的影响在过去备受关注。该结论是允许适量垮塌是可以提高井壁稳定性的（超过30%），这使得垮塌区域面积得到了控制。除了夸大泥浆密度窗口外，在井壁垮塌控制模式下还能够产生额外的优势：1、提高机械钻进速度；2、降低地层压裂风险；3、降低储层损害风险。为了改善钻井过程中对井壁垮塌的管理，某些方法提出了一些定量井壁附近损害区域大小的方法。其中的一个方法便是通过运用塑性区域应力分布情况来评估井壁周围弹性区域半径。然而，此种方法仅能用于井壁附近各项应力均相同的钻井情况中。另一种方法是评估井壁坍塌区域的孔径角。然而，他们都不能定量地求出产区的大小。井塌控制方法如上文所述，可以通过钻进中超出的地层破裂压力来扩大泥浆密度窗口。为了更好地控制压差，把评估井眼附近区域的大小作为判断钻井压力的方法是非常重要的，如图一所示。起初，用几何元素网组来评估井眼附近区域大小，如图二所示。然而，岩石的损害准则在每一个拐角处可得到证实。在本文，运用了莫尔库伦损害准则。定义方程一中所示的一个产量因素用于确定已经达到的损害点：YF1.如果所有给定元素的拐点都满足标准，可通过插值法来取得元区域，最后通过计算各元素的区域便可以取得总的区域面积。YF=（已知剪切应力）（剪切强度） （1）只要确定了垮塌区域，按照以下步骤操作便可以得到扩大的泥浆密度窗口：1、 将井筒压力假定为零；2、 之后从0直至180，依次确定哪些点满足损害准则；3、 如果YF1不成立，则低泥浆密度时的垮塌压力为Plc=0；4、 如果YF1至少发生一次，则PlcPw，然后计算并重复第三步；5、 如果YF=1，则Plc=Pw；6、 在pw条件下计算损害区域Ay；7、 如果AyAs,则重复第六步；8、 最后，当Ay=As成立时，用收敛法计算Piw与P i-1w之间的压力Pw；注意此方法适用于任何模型（弹性、孔隙或塑弹性）以及任何损害准则来计算井壁附近应力。由于文中采用的是推导法，所以计算求出的区域只是一个近似值。钻井过程中页岩的性能起因于钻前岩石中压力和孔隙压力的重新分布的井眼周围压力状态是非常重要的，因为大的偏差会造成井筒附近的损害。因为井眼损害发生在低有效应力的情况下，所以确保岩石中孔隙压力于控制之中是非常必要的。这可以通过控制钻井液渗透率或孔隙压力的扩散来实现。如果页岩是低渗透岩石，就少有钻井流体浸透，因此，对于孔隙压力扩散来说，有必要使用高压流体（如油基钻井液）或使用高含盐浓度的水基钻井液。因此，让钻井液与岩石孔隙流体充分混合，以使依赖于时间变化的孔隙压力得以充分扩散。过平衡条件下，孔隙压力扩散将从井眼到岩层，孔隙压力增加，而有效应力降低。在此情况下，在钻井结束的早期，安全泥浆密度将随着时间推移变得不再安全，甚至在非渗透条件下钻井时，如果应力偏移产生，由于孔隙性的影响，这里将不会有剩余压力产生。由此可知，孔隙性在钻穿岩层的过程中扮演了非常重要的角色。此外，页岩的低渗透性能使得其扩散过程比平流过程更快。因为通常钻井液的含盐浓度以及岩石的温度是不一样的，他们将额外地增加钻井液和岩石的附加力，这一点是非常重要的。因此，井筒附近的孔隙压力改变时综合了机械的、水力的、化学的以及温度函数。前两个势能被视为孔隙弹性理论的范围。为了结合后两种因素，一些研究便应运而生。然而，没有一个理论把化学和温度的影响都结合起来。本文介绍了一种分析化学效应的与孔隙影响的方法。尽管温度对于页岩中井眼的稳定性影响很大，但是这方面将在以后讨论。它将结合热化学孔隙公式来研究页岩的稳定性。化学孔隙方程接下来，我们先提出控制方程来模拟孔隙压力和化学能在井筒周围的分析情况。方程：使用孔隙线性弹性的化学活性多孔饱和介质的应力和孔隙公式，可以有入校描述：ij=2Geij+(2G)ije/(1-2)-ijP (2)P=-2GB(1+) e/(3-6)+2GB2(1-2)(1+)2/9(-)(1-2) (3)在上述公式中，ij和eij表示总压力和应力张量，e表示容积变量，P表示孔隙压力，ij表示罗内克符号，表示流体的含量增加，还有基本常数：剪切模量G，排驱和非排驱泊松比和，以及Skempton的孔隙泊松效应B，变量是毕奥系数。通过本文中的符号法则来假定拉应力是成立的。溶质和流体通过页岩的运移用以下方程表示：Js = -D(1-)C (4)Jf = -k(P-(RTdC)/Ms)/ (5)这些方程中的专业术语是：=流体密度，D=扩散系数，=反射系数，C=溶质质量分数，k =原渗透率，=动态粘度，R=气体常数，T=温度，Ms =溶质摩尔质量，d=溶质分离因素。这些方程归纳为艾菲克定理和大西定律。此外，方程（4）中溶质通量只受到扩散影响，这种假定是有效的低渗透岩。流场方程：在页岩中完整地描述化学孔隙性过程还必须要考虑平衡方程，机械的平衡状态：ij，j=0 （6）同样需要流体流量和溶质流量的守恒方程：/t+jf = 0 (7)nPC/t+js = 0 (8)联合方程2,4,5,6,7,8,可得出如下方程组：G2i+Gei/(1-2)- 2GB(1+) j/(3-6) = 0 (9)/t = k(2P-(RTd2C)/Ms)/ (10)C/t = D(1-) 2C/n (11) 这套方程组是解决屈服压力、孔隙压力、溶质质量分数的方案。根据线性方程组，该问题被分为了三个问题：（i）孔隙平面应变问题，（ii）弹性单向应力问题和（iii）反平面剪切问题。之后，可以通过叠加获得最终的解决方案。多孔弹性平面应变解决拉普拉斯空间问题，其结果是用Stehfest算法将其转换回时间域。选例为了应用此概念来改变安全窗口的宽度，将倾斜角为14.4度，井深1800米的海洋环境井眼作为参考选例。它的远场应力梯度v=0.015MPa/m，H=h=0.013MPa/m。要达到目的层位，下至3270m垂深就必须穿透100m （从2100到3200m）的压实泥页岩层。此泥岩层不允许泥饼形成，因此，就要求钻井液与岩层孔隙压力进行充分的接触，建立起良好的渗透条件。孔隙压力与上覆压力梯度的渐变情况如图三所示。考虑以下几个情况进行分析：流体穿透条件的弹性模型，现在允许开发所选产区；流体穿透条件的孔隙模型，允许开发所选区域；化学孔隙模型穿透所取区域的控制条件。考虑弹性模型的井壁稳定性结果如图四所示，并注意到以确定的安全密度窗口相当狭窄或者不存在。这些结果表明钻井作业过程中可能存在一些不稳定的情况。为了增大密度窗口，需要对泥浆压力情况进行分析。这个分析可以帮助研究井壁垮塌的发生是否会导致井眼的危险情况。尽管获得的泥浆密度窗口现在看起来比较理想了，但是分析依赖于时间变化的泥浆压力侵入泥岩的情况还是很重要的。随着孔隙压力的增加，需要更高的泥浆密度以确保取值区域与原始状况一致。图八显示的是减小安全泥浆密度窗口一天后的情况。因此，如果泥浆重量不增加，那么取得区域的增长是可以预测的。为了控制产区的开发，有可能利用页岩和钻井液盐度的差异化学反应。通过在钻井液中添加适当的溶质，极可能会产生渗透压，减慢泥页岩的压力侵害，在表一中列出的页岩钻井液属性必须体现这些效果。这些属性均可以确定，正如穆尼斯所述。图九显示在钻井结束一天后考虑了化学效应的安全密度窗口。可以观察到，安全密度窗口返回到了一个非常理想的情况。显然，随着时间的推移，化学效应可以起到提高控制泥浆密度窗口的作用。本章小结本文提出了通过泥浆密度来评估井眼周围产区开发情况的方法。该方法允许选取足够的产区，并通过计算来确定泥浆密度。换句话说，安全泥浆密度窗口的扩大需要减小泥浆重量。为了延长在钻穿泥页岩层时运用该方法的优势，在操作中运用了化学孔隙性方案来进行分析。为了论证该方法的可行性还进行了页岩斜井井眼稳定性分析。最初，在渗透条件下，在井眼周围用弹性模型进行了简单的稳定性分析。正如材料所述，泥浆密度窗口非常狭窄。之后，有进行了进一步分析。结果显示降低泥浆压力差至1ppg便可以预测到该破裂将产生15%的压裂区域。这个值被视为最初压裂区域值，并且最终得到了扩大的泥浆密度。因为渗透条件下的弹性模型只代表稳定状态下的压力分布，即结果表示钻井结束后较长时间的情况。因此，为了表示钻井后正确的压力分布，提出了弹性模量方案。钻井后短时间内由于弹性模量的影响导致其产生非常宽的泥浆密度窗口。随着时间的推移，孔隙压力的分布将随着井壁的稳定条件而改变。为了研究这种情况，提出了一种考虑钻井一天后的情况的分析方案。结果表明泥浆密度窗口显著地收窄了。事实上，由于压力侵入泥页岩，为了维持原始的泥浆压力就不得不增大泥浆密度。为了研究包括化学效应在内的因素对井壁稳定性能的影响，提出了化学孔隙模型，并且显示出了显著地成效。在钻井结束一天后，泥浆压力要维持破裂初的压力值就需要一个非常接近的压力值。总的来说，仅通过一方面来考虑泥浆井壁的破裂情况而定义井壁的稳定性是太过于保守的。因此，当在窄密度窗口的环境里钻井时，强烈建议评估井壁附近的破裂区的影响。此外，必须正确地运用泥页岩井眼稳定模型来分析孔隙弹性的影响。再者，联合应用化学效应来进行分析也是一种非常有用的提高井眼稳定性的控制方法。专业术语：YF = 屈服系数 ij = 总应力 eij = 应变张量 e = 体积应变 G = 剪切模量 V = 排驱泊松比 = 克罗克符号 = 毕奥系数 P = 孔隙压力 B = Skempton 系数 = 流体增量 js = 溶质质通量 jf = 流体质通量 D = 溶质扩散系数 = 反射系数 C = 溶质质量分数 K=初始渗透率 = 动粘切 R = 气体常数 T = 温度 ms = 溶质摩尔质量 d = 溶质分离因数 n = 孔隙度类型结果渗透率, k1.0 10-5mD溶质扩散系数, D2.0 10-9 m2/s钻井液溶质浓度, Cm S0.2 (w/w)泥页岩溶质浓度, Cssh0.1 (w/w)反射系数，0.1摩尔溶质质量, M s0.0585 Kg/mol溶质扩散系数, d1.864温度, T80 C表一：化学孔隙弹性参数 图三：孔隙压力和上覆岩 层梯度 图二：网格计算的井眼周围垮塌区域 图一：垮塌区预测井眼压力图四：方案1所得结果：低泥浆压力垮塌曲线（亮绿），高泥浆压力垮塌曲线（粉色），破裂压力线（黑色）图五：产区与钻井液密度、弹性模量及渗透条件的比较图六：方案2所取得结果：低泥浆压力垮塌曲线（亮绿），高泥浆压力垮塌曲线（粉色），破裂压力线（黑色）图七：