GMI地应力分析及钻井优化设计

1、GMIGMI地应力分析技术地应力分析技术及其在钻井优化设计中的应用及其在钻井优化设计中的应用 游俊游俊GNT国际公司国际公司 地应力建模技术是地应力建模技术是GMIGMI公司在斯坦福大学研究的基础上发展起来的、公司在斯坦福大学研究的基础上发展起来的、建立地应力模型并用于优化钻井设计、预测裂缝、预防套损、预防出砂建立地应力模型并用于优化钻井设计、预测裂缝、预防套损、预防出砂等系列技术。等系列技术。 GNT GNT公司十年来一直致力于引进先进、实用的技术；引进公司十年来一直致力于引进先进、实用的技术；引进GMIGMI技术，技术，为加强中国地应力研究作出贡献。为加强中国地应力研究作出贡献。概述概述G

2、MI 公司简介公司简介概述概述GMI 公司全球项目分布公司全球项目分布Wellbore StabilityFracture PermeabilityFault SealPore PressureSand Production GMI SFIB GMI MohrFracsGMI Imager成像测井交互分析软件，成像测井交互分析软件，确定天然裂缝和断层的分确定天然裂缝和断层的分布、方向和形态。布、方向和形态。交互钻井设计软件，优化泥浆比重、钻井方交互钻井设计软件，优化泥浆比重、钻井方向和套管系列，以防止井壁垮塌和泥浆漏失。向和套管系列，以防止井壁垮塌和泥浆漏失。确定斜井的地应力，优化确定斜井的地

3、应力，优化设计井轨迹，井壁稳定性设计井轨迹，井壁稳定性评价。评价。识别控制储层内流体流动的临界应力识别控制储层内流体流动的临界应力的断层和裂缝。的断层和裂缝。GMI 的软件产品的软件产品GMI WellCheckGMI Caliper快速分析快速分析4臂或臂或6臂井径资料，臂井径资料，确定应力引起的井壁垮塌的方确定应力引起的井壁垮塌的方向和程度。向和程度。概述概述GMI PressCheck利用测井资料计算上覆地层压力、孔利用测井资料计算上覆地层压力、孔隙压力、岩石强度、孔隙度等。隙压力、岩石强度、孔隙度等。从资料分析到钻井优化设计、储层开发从资料分析到钻井优化设计、储层开发GMI 钻井设计和

4、井壁稳定性分析流程钻井设计和井壁稳定性分析流程概述概述GMI Imager 对储层地应力模型的描述应对储层地应力模型的描述应包括下列详细信息包括下列详细信息 应力的方向应力的方向 应力的大小应力的大小 孔隙压力孔隙压力 岩石机械力学性质岩石机械力学性质其他应考虑的因素：泥浆的化学性质、薄弱地其他应考虑的因素：泥浆的化学性质、薄弱地层、裂缝、地热等的影响层、裂缝、地热等的影响建立地应力模型建立地应力模型Pp最大主应力垂直应力最小主应力孔隙压力C0建立地应力模型建立地应力模型垂直应力垂直应力Sv：密度测井积分密度测井积分孔隙压力孔隙压力Pp：实测（实测（RFT、DST、PWD) 用声波、电阻率测井

5、求取用声波、电阻率测井求取 用地震速度求取用地震速度求取最小主应力最小主应力SHmin：破裂压力试验、泥浆漏失等破裂压力试验、泥浆漏失等最大主应力最大主应力SHmax：分析井筒垮塌、偶极子声波、分析井筒垮塌、偶极子声波、 构造运动分析构造运动分析岩石机械性质：岩石机械性质：岩芯试验、测井、岩屑、井垮塌分析岩芯试验、测井、岩屑、井垮塌分析（方向和大小）（方向和大小）Overburden from integrated bulk density or pseudo-density from sonicVertical Stress Sv or Overburden 建立地应力模型建立地应力模型Lo

6、g-basedPore PressureSeismic-based建立地应力模型建立地应力模型Least Principal Stress (Shmin) from XLOT(after Gaarenstroom et al., 1993)volume建立地应力模型建立地应力模型Sand IntervalShale IntervalUCSUCS建立地应力模型建立地应力模型Rock Mechanical PropertiesBreakoutsTensile cracksPpPmSHmaxThe mechanical interaction of the borehole in a given l

7、ithologywith the current stress field governs borehole failure hence,borehole stability. Stress magnitudes Rock strength Stress orientationNBreakout azimuth:qBreakout width/failure severity:建立地应力模型建立地应力模型Max. Horizontal StressBreakoutTensilecrackImportant: This failure is often notcatastrophic and d

8、oes not adverselyaffect drilling.This well is failing simultaneously in compression and in tension!BreakoutEWNS建立地应力模型建立地应力模型Max. Horizontal StressReverse FaultingS.S.N.F.Strike-Slip FaultingNormal FaultingTimor SeaSHmax Consistent with the Observations建立地应力模型建立地应力模型Max. Horizontal Stress地应力模型应力大小GM

9、I-SFIB软件建立地应力模型软件建立地应力模型ShminSv SHmax建立地应力模型建立地应力模型地应力模型地应力模型应力方向应力方向GMI-SFIB软件建立地应力模型软件建立地应力模型建立地应力模型建立地应力模型扩径和扩径和垮塌垮塌卡钻卡钻地应力模型的校验地应力模型的校验井壁稳定性/注水/裂缝渗透性孔隙压力预测/井壁稳定性/裂缝渗透性地层形变断层封堵/孔隙压力预测勘探阶段勘探阶段评价阶段评价阶段开发阶段开发阶段生产阶段生产阶段闭坑阶段闭坑阶段地应力模型是油田最优化的基础地应力模型是油田最优化的基础地应力模型地应力模型生产压降引起 地层形变/套损地应力模型在油田各阶段的应用时间 Produ

10、ction地应力模型的应用地应力模型的应用地应力研究的适用条件：地应力研究的适用条件： 大斜度井大斜度井 大地构造活动区大地构造活动区 储层有生产压降储层有生产压降地应力建模在井壁稳定性分析中的应用YJ油田钻井问题钻井过程中事故频繁，如卡钻、掉钻具、井涌溢流、井漏、侧钻等Y3井钻井总结可能为岩石塑性变形引起缩径最大水平主应力最大水平主应力地层孔隙压力地层孔隙压力最小水平主应力最小水平主应力垂向主应力垂向主应力地应力建模表明：1、现地应力为走滑类型ShminSv孔隙压力2、钻井泥浆密度主要参考是孔隙压力3、井壁稳定性评估表明，全段垮塌严重Y3井易垮塌井段分析井易垮塌井段分析油田设计的套管程序及泥

11、浆体系油田设计的套管程序及泥浆体系井筒垮塌程度预测井筒垮塌程度预测 从预测的垮塌情况来看，原方案设计井垮塌情况比较严重，需要对钻井设计做部分的调整。注：（直井垮塌跨度不超过直井垮塌跨度不超过9090度，而度，而水平井段则垮塌宽度尽量控制在水平井段则垮塌宽度尽量控制在3030度度以内）以内）正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析目的层欠平衡钻井井壁稳定性分析目的层欠平衡钻井井壁稳定性分析泥浆密度泥浆密度套管系列优化套管系列优化钻井轨迹优化钻井轨迹优化正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析目的层段上部岩石强度分布（目的层段上部岩石强度分布（Y3Y3）储层砂岩下限：70MPa均值：

12、110 MPa 层间泥岩下限：60 MPa均值： 77 MPa正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析目的层段欠平衡钻井分析思路目的层段欠平衡钻井分析思路目的层段储层的岩石强度范围在目的层段储层的岩石强度范围在6060MPaMPa到到160MPa160MPa之间之间泥岩下限：泥岩下限：60MPa60MPa含油砂岩下限：含油砂岩下限：70MPa70MPa含油砂岩均值：含油砂岩均值：110MPa110MPa目的层段地层孔隙压力为目的层段地层孔隙压力为1.861.86，分别分析不同泥浆密度（井底压力），分别分析不同泥浆密度（井底压力）下砂岩和层间泥岩的垮塌情况下砂岩和层间泥岩的垮塌情况1.85

13、 1.85 SGSG1.75 SG 1.75 SG 1.65 SG1.65 SG正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析假设1：水平段钻遇弱强度砂岩岩石强度 70 MPa弱强度砂岩 (70 MPa)正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析BHP 1.85 sgBHP 1.75 sgBHP 1.65 sg不会出现井壁垮塌井壁垮塌近90度1.65 SG的井底压力会造成整个井壁坍塌预测70 MPa砂岩储层不同泥浆密度下的井壁垮塌正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析BHP 1.85 sgBHP 1.75 sgBHP 1.65 sgX-1HX-1HX-1H不会出现井壁垮塌井壁垮塌近

14、90度井筒全部坍塌预测70 MPa砂岩储层不同钻井轨迹的井壁垮塌正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析设计井可以控制的井壁垮塌：直井：垮塌宽度= 90水平井：垮塌宽度=30井底坍塌压力小于地层孔隙压力(Pp1.86 sg) ，所有方向的钻井轨迹都可以进行欠平衡钻井井底坍塌压力预测70 MPa砂岩储层泥浆密度设计正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析假设2：水平段钻遇高强度砂岩岩石强度 110 MPa高强度砂岩 (110 MPa)正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析BHP 1.85 sgBHP 1.75 sgBHP 1.65 sg不会出现井壁垮塌1.65 SG的井底压力

15、会造成约70度的井壁垮塌不会出现井壁垮塌预测110 MPa砂岩储层不同泥浆密度下的井壁垮塌正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析BHP 1.85 sgBHP 1.75 sgBHP 1.65 sg不会出现井壁垮塌约70度的井壁垮塌不会出现井壁垮塌预测110 MPa砂岩储层不同钻井轨迹的井壁垮塌正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析设计井可以控制的井壁垮塌：直井：垮塌宽度= 90水平井：垮塌宽度=30井底坍塌压力小于地层孔隙压力(Pp1.86 sg) ，所有方向的钻井轨迹都可以进行欠平衡钻井井底坍塌压力预测110 MPa砂岩储层泥浆密度设计正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性

16、分析假设3：水平段钻遇层间泥岩层间泥岩岩石强度 60 MPa层间泥岩 (60 MPa)正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析BHP 1.85 sgBHP 1.75 sgBHP 1.65 sg井壁垮塌宽度约60度井壁垮塌宽度近处110度1.65 SG的井底压力会造成整个井壁坍塌预测60 Mpa层间泥岩不同泥浆密度下的井壁垮塌正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析BHP 1.85 sgBHP 1.75 sgBHP 1.65 sg井壁垮塌宽度约60度井壁垮塌宽度近110度整个井壁坍塌预测60 Mpa层间泥岩不同钻井轨迹的井壁垮塌正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析60 MP

17、a70 MPa110 MPa地层孔隙压力 (1.86 SG)垮塌宽度 (wBO)wBO60wBO110wBO 180正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析油田设计的套管系列油田设计的套管系列无泥浆窗井壁坍塌利用用户设计的泥浆密度预测垮塌宽度用户设计的用户设计的套管系列及套管系列及泥浆密度表泥浆密度表1、设计主要依据孔隙压力；2、目的层计划欠平衡钻井；井壁稳定性评估井壁稳定性评估本井坍塌压力远大于地层孔隙本井坍塌压力远大于地层孔隙压力，仅考虑地层压力因素进压力，仅考虑地层压力因素进行钻井设计和施工的风险很高行钻井设计和施工的风险很高正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析GMI建议

18、的套管系列泥浆窗变宽井筒垮塌在安全范围内利用GMI建议的泥浆密度预测垮塌宽度GMI 套管系列及套管系列及泥浆密度建议套管（inch）用户（m）用户（sg）GMI（m）GMI（sg）20501.10-1.15501.0-1.101615001.10-1.1515001.5-1.69.645001.15-1.2854001.65-1.72758481.45-1.6058481.77-1.924.573461.55-1.6073461.70-2.10正钻的正钻的X井井壁稳定性分析井井壁稳定性分析X X井自井自20072007年年5 5月月2222日日8:008:00开钻，现已经经钻至开钻，现已经经钻

19、至井深井深56825682m m（TVD5667.03mTVD5667.03m）总体上钻井较顺利总体上钻井较顺利1 1、上部地层、上部地层50035005003500m m井井段钻井划眼；段钻井划眼；2、 2007年年12月月22下钻下钻至至5668m遇阻而卡钻遇阻而卡钻,当当前状态为处理卡钻事故。前状态为处理卡钻事故。短起下，短起下，循环划眼循环划眼X井井史图井井史图卡钻卡钻X井实钻跟踪评价井实钻跟踪评价 实钻泥浆密度与坍塌压力比较实钻泥浆密度与坍塌压力比较井 段孔隙压力坍塌压力设计泥浆密度实际泥浆密度50033001.031.201.151.651.151.301.101.25330053

20、001.201.301.251.651.281.601.251.75530056821.301.751.651.931.451.601.751.845453m卡钻、断钻具卡钻、断钻具5448m卡钻、断钻具卡钻、断钻具5746m卡钻、断钻具卡钻、断钻具51005230m卡钻严重卡钻严重5003300m，垮塌宽度达垮塌宽度达120度左右，由于钻井过程度左右，由于钻井过程中及时短起下、划眼、通井，中及时短起下、划眼、通井，有效地避免了可能的复杂情有效地避免了可能的复杂情况发生。况发生。X井实钻跟踪评价井实钻跟踪评价卡钻原因分析卡钻原因分析1 1、造斜井段钻遇弱强度泥岩、造斜井段钻遇弱强度泥岩 造斜井

21、段地层岩性为清水河组至西山窑顶部地层砂泥岩互层；泥岩岩石强度弱，平均77MPa,最小只有41MPa,地层稳定性差，极易坍塌。5350m5512m5539m5600m5200m造斜造斜52005682m井筒垮塌宽度详井筒垮塌宽度详图图超过允许的井筒垮塌宽度超过允许的井筒垮塌宽度接近允许的井筒垮塌宽度接近允许的井筒垮塌宽度井深井深5682m井斜角达井斜角达58度，造斜钻具度，造斜钻具对地层稳定性影响较大，操作需更加对地层稳定性影响较大，操作需更加谨慎谨慎X井实钻跟踪评价井实钻跟踪评价q 最大水平主应力由垂深最大水平主应力由垂深5370m的的3.60SG降至垂深降至垂深5600m的的2.7SG，由强

22、地应力状态快速变弱由强地应力状态快速变弱q 地层孔隙压力变化也非常明显，地层孔隙压力变化也非常明显，由由1.3迅速升到迅速升到1.852 2、地应力复杂，变化快、地应力复杂，变化快X井实钻跟踪评价井实钻跟踪评价卡钻原因分析卡钻原因分析实钻泥浆密度与坍塌压力比较井深(m)地层坍塌压力实际泥浆密度55841.921.8277MPa1.821.923 3、实钻泥浆密度过低、实钻泥浆密度过低X井实钻跟踪评价井实钻跟踪评价卡钻原因分析卡钻原因分析 起钻前：只进行了四个小时的循环划，可能井底岩屑冲刷不充分； 下钻过程中：没有进行划眼循环作业；4 4、钻井工程原因、钻井工程原因X井实钻跟踪评价井实钻跟踪评价

23、卡钻原因分析卡钻原因分析1.1. 若解卡后侧钻若解卡后侧钻, ,钻井泥浆密度加重至钻井泥浆密度加重至1.801.802.002.00g/cmg/cm3 3, ,因为该层段地因为该层段地层坍塌压力为层坍塌压力为1.80 1.80 g/cmg/cm3 3左右，地层孔隙压力为左右，地层孔隙压力为1.75 1.75 g/cmg/cm3 3，破裂压破裂压力为力为2.10 2.10 g/cmg/cm3 3；2.2. 泥浆窗的最终确定除了考虑井壁稳定性外，也要兼顾油层保护；泥浆窗的最终确定除了考虑井壁稳定性外，也要兼顾油层保护；3.3. 结合配制防垮泥浆体系；结合配制防垮泥浆体系；4.4. 钻井过程中加强循

24、环划眼作业，保持井筒畅通。钻井过程中加强循环划眼作业，保持井筒畅通。下一步措施建议下一步措施建议X井实钻跟踪评价井实钻跟踪评价出砂预防出砂预防任务：任务： 确定最大无砂生产压差确定最大无砂生产压差 确定最大无砂压降确定最大无砂压降 选择射孔储层段选择射孔储层段 从几何形态、相态、方位方面优从几何形态、相态、方位方面优化射孔化射孔地应力模型的应用地应力模型的应用 出砂预防出砂预防资料需求主应力主应力孔隙压力、压降史孔隙压力、压降史三轴向试验校正三轴向试验校正 选择性的三轴向试验选择性的三轴向试验 简化单轴向试验简化单轴向试验 基于测井的岩石强度分析基于测井的岩石强度分析地应力模型的应用地应力模型

25、的应用 出砂预防出砂预防ts1s2s3Friction (m)s1s2s3s1s2s3tFriction (m)Friction (m)SHEAR STRESSEFFECTIVE NORMNAL STRESSSHEAR STRESStSHEAR STRESSEFFECTIVE NORMNAL STRESS传统想法传统想法自然界非常少见自然界非常少见裂缝渗透性机理裂缝渗透性机理Map view of fractures水导的水导的, 临界应力临界应力(断层重复滑动保留了渗透性)非水导的非水导的; 稳定的断层Mohr-Coulomb Criterion地应力模型的应用地应力模型的应用 裂缝渗透性与断层封堵分析裂缝渗透性与断层封堵分析 增加产量增加产量 指导压裂作业指导压裂作业 避免与套损有避免与套损有关的钻井费用关的钻井费用地应力模型的应用地应力模型的应用 裂缝渗透性与断层封堵分析裂缝渗透性与断层封堵分析储层能量损耗引起的变化孔隙度孔隙度渗透率渗透率有效应力有效应力ShminPore PressureNormal FaultingInitial ConditionsNormal Faults activate断层重新活动断层重新活动地