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化学工程与装备 2023 年 第 5 期 144 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 5 月 基于岩石力学参数的渤海油田A区块井壁稳定研究 基于岩石力学参数的渤海油田A区块井壁稳定研究 冯 晟，宋峙潮，王 沛，郑 勋，郑 卓（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300451）摘 要：摘 要：渤海油田中深部地层岩性条件及油藏环境复杂，井壁易出现失稳破坏的现象，对钻井作业的安全和经济造成了不利影响，其中 A 区块井壁失稳问题尤为突出。但该区块深部地层地质条件复杂，地质力学参数（地应力）及岩石力学参数（泊松比、弹性模量等）难以进行准确的量化，常规三压力预测模型不适用于该区块中深部地层的压力预测，需要有针对性地进行研究分析。本文采集了 A 区块地质资料，开展了岩石力学室内实验，基于岩石力学参数对该区块进行了井壁稳定分析，对降低渤海油田 A 区块作业风险具有重要意义。关键词：关键词：岩石力学参数；井壁失稳；地应力；孔隙压力 引 言 引 言 随着钻井技术的提高和钻井新工具的研发应用，深层海洋油气开发已成为国家油气发展的重要战略方向，渤海油田开发的主要层系随之转变为中深层的东营组、沙河街组，未来的趋势将是 4000m 以深的中生界层系。与浅层钻井相比，渤海油田中深部地层岩性条件及油藏环境复杂，井壁易出现失稳破坏的现象，对钻井作业的安全和经济造成了不利影响，其中 A 区块的地质风险尤为突出。其中东营组泥岩段局部含灰质较重，具有脆硬的层理性特征，与常规胶结性较好的泥岩相比，灰质夹层造成的泥岩各向异性会提高井壁坍塌的风险，增加次生事故（卡钻、井眼报废等）发生的概率，延长钻进周期；沙河街组地层中火成岩发育，钻遇该地层常会发生裂缝性漏失，在钻井过程中井底 ECD 较高介于漏失压力与破裂压力之间，导致钻井液循环时渗漏进入地层中，停泵接立柱等 ECD 下降工况下，又从地层回吐返回井筒中，此类呼吸效应会进一步扩大火成岩地层的裂缝开度及孔洞直径，导致漏失现象逐渐严重1-3。在海洋石油钻井费用高昂的背景下，井壁失稳对钻井作业的成本及安全控制造成了严重影响，针对渤海油田 A 区块中深部地层地质情况复杂，井壁失稳风险高的问题，本文采集了 A 区块地质资料，开展了岩石力学室内实验，基于岩石力学参数对该区块进行了井壁稳定分析，对降低渤海油田 A区块作业风险具有重要意义45。1 A 区块井壁稳定性研究难点 1 A 区块井壁稳定性研究难点 钻开前的原始地层仅受地应力的作用，钻开地层后井壁围岩应力场重新分布，同时受钻井液液柱压力和原始地应力。钻井液侵入到井壁围岩，或地层流体侵入到井眼内均会引起井壁围岩孔隙压力重新分布，进而影响有效应力重新分布，导致井壁围岩发生变形。从岩石力学的角度上讲，井壁破坏类型一般分为剪切破坏和拉伸破坏，常用于判断井壁剪切破坏的力学强度准则有很多，例如 Mohr-Coulomb 准则、Mogi-Coulomb 准则、HoekBrown 准则、Drucker-Plager 准则等，判断井壁拉伸破坏主要是比较围岩抗拉强度与井周拉应力，其中剪切破坏会导致井眼坍塌，拉伸破坏会导致地层破裂6-8。当钻井液密度过低时，泥岩井壁围岩易发生塑性流动或大变形沿弱结构面（层理、节理、裂缝等）剪切滑动，导致井眼坍塌；当钻井液密度过高时，钻井液柱形成的拉应力可能会超过岩石抗拉强度，导致井壁破裂。井壁失稳会提高钻井作业的成本及风险，因此对井壁稳定性的分析至关重要910。但 A 区块深部地层地质条件复杂，地质力学参数（地应力）及岩石力学参数（泊松比、弹性模量等）难以进行准确的量化，常规三压力预测模型不适用于该区块中深部地层的压力预测，需要有针对性地进行研究分析。2 基于岩石力学参数的渤海油田 A 区块井壁稳定研究 2 基于岩石力学参数的渤海油田 A 区块井壁稳定研究 2.1 岩心与资料收集 针对研究内容，收集渤海油田 A 区块的地质、钻井、测井、录井及地层压力 DST 实测数据等相关资料，统计分析钻井复杂情况，收集 A 区块储盖层岩心（包括单三轴压缩实验和水化浸泡泥浆所必需的岩心）。根据地质资料显示，东营组为泥岩+含砾中砂岩互层，泥岩为深灰色，质纯，性软，岩屑呈团块状；含砾细砂岩为浅灰色，成分以石英为主，少量燧石及火成岩砾石，砾径最大 4mm，泥质胶结，疏松。沙河街组为泥岩+灰质粉砂岩+泥灰岩+细砂岩互层，泥岩为绿灰色，质较纯，性中硬，微含灰质，岩屑呈块状；灰质粉砂岩为灰白色，胶结致密；泥灰岩为灰白色，较致密；细砂岩为浅灰色，成分以石英为主，少量长石及暗色矿物，细粒为主，部分粉粒，偶见石英砾，泥质胶结，疏松。深部地层钻进过程中使用钻井液体系以聚合物类为主，根据复杂情况统计分析发现，倒划眼过程中容易发生憋抬钻具现象，循环有泥团及掉块，起下钻遇阻严重。为解决上述问题，对 A 区块进行岩心取样，取样计划表见表 1。DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.083 冯 晟：基于岩石力学参数的渤海油田 A 区块井壁稳定研究 145 表 1 实验所需岩心 表 1 实验所需岩心 井名 地层 岩心数量(2550mm 岩心塞）用途 东营组泥岩 4(单三轴各 1 块，泡泥浆 2 块)A1 井 沙河街组砂岩 4(单三轴各 1 块，泡泥浆 2 块)2.2 岩石力学参数研究 2.2.1 室内实验 利用 ACM 水系岩石力学测试系统，根据 A 区块地层实际情况，模拟井下温压条件，测定储盖层岩石的力学参数（静态弹性模量、泊松比），强度参数（粘聚力、内摩擦角、单三轴抗压强度、单轴抗拉强度、泡泥浆后单轴抗压强度）等一系列岩石力学参数。图 1 岩石力学参数实验设备 图 1 岩石力学参数实验设备 根据岩石力学实验结果分析发现：A 区块地层粘聚力介于 1.42-10.92MPa 之间，其中东营组地层粘聚力1.42-5.83MPa，沙河街组地层粘聚力 3.31-10.92MPa；地层内摩擦角介于 31.24-37.01；单轴抗压强度介于10.22-35.81MPa 之间，其中东营组地层单轴抗压强度10.22-21.47MPa，沙河街组地层单轴抗压强度9.51-35.81MPa。调研国内外文献，结合室内实验结果，优选了适用于 A区块的岩石力学参数预测模型，利用各类测井数据建立包括强度参数在内的岩石力学参数纵向剖面，分析纵向分布规律。整体分析过程中采用后阶段的实验结果与前阶段建立的模型对比，以验证模型的可靠性，随时优化模型参数。2.2.2 孔隙压力纵向分布规律预测 整理分析地层测井数据、地震数据，根据收集到的 DST地层压力实测值，结合区域地质构造和生烃演化等资料，研究 A 区块地层超压形成机制，是属于不平衡压实等加载型异常高压还是属于生烃作用等卸载型异常高压。根据声波时差、密度、GR、深浅电阻率等测井响应，对比实测地层压力，发现 A 区块属于地层欠压实作用导致的高压。基于地层承压理论，建立孔隙压力预测模型（Eaton 法）。利用正常趋势线与实际测井趋势线预测地层孔隙压力，并对模型参数进一步优化，建立了适用于 A 区块的地层压力预测模型。图 2 Eaton 法预测地层孔隙压力 图 2 Eaton 法预测地层孔隙压力 2.2.3 地应力纵向分布规律预测 通过室内 Kaiser 效应实验，利用 ACM 水系岩石力学测试系统测得同一岩心与岩心轴线正交水平面内彼此相隔 45三个方向的Kaiser点应力和岩心轴线方向的Kaiser点应力。若是直井岩心，根据弹性力学理论就可确定地应力的三个主应力大小水平最大、最小地应力和上覆岩层压力。图 3 凯赛尔方法实测地应力 图 3 凯赛尔方法实测地应力 假如未能取得足量岩心，应结合现场 LOT 试验的完整压力曲线，确定单点水平最小地应力大小，并依据破裂压力计算模型，求取水平最大地应力，最终确定该区域的构造应力系数，计算公式如式 1。（1）146 冯 晟：基于岩石力学参数的渤海油田 A 区块井壁稳定研究 石油大学(北京)黄荣樽所建立的“六五模型”适用于构造比较平缓的地区，认为水平主应力主要来自上覆岩层压力，另一部分源自地质构造力，与渤海油田 A 区块地质情况较为吻合。结合 A 区块实际测井资料分析主应力纵向分布规律，该区块上覆岩压梯度为 0.0198MPa/m，最大水平地应力梯度 0.0179MPa/m，最小水平地应力梯度 0.0144MPa/m；最大水平地应力方向 N65-70E。2.3 井壁稳定分析应用 根据前期对 A 区块地层压力、地应力大小方位以及地层强度的分析结果，依据多孔介质线弹性理论和地应力坐标变换矩阵，分析井周应力状态，坍塌压力及破裂压力云图如图4 所示。图 4a 地层坍塌压力云图 图 4b 地层破裂压力云图 图 4a 地层坍塌压力云图 图 4b 地层破裂压力云图 结合预钻井井眼轨迹，计算坍塌压力、破裂压力剖面，确定钻井安全泥浆密度窗口：地层坍塌压力当量密度介于1.16-1.31g/cm3之间，沿最大地应力方向钻进时，地层坍塌压力当量密度为 1.31g/cm3；破裂压力当量密度介于 1.57-2.76g/cm3之间，沿最大地应力方向钻进，地层破裂压力当量密度 1.57g/cm3。3 结 论 3 结 论（1）与浅层钻井相比，渤海油田中深部地层岩性条件及油藏环境复杂，井壁易出现失稳破坏的现象，对钻井作业的安全和经济造成了不利影响，其中 A 区块的地质风险尤为突出。其中东营组泥岩段局部含灰质较重，灰质夹层造成的泥岩各向异性会提高井壁坍塌的风险；沙河街组地层中火成岩发育，钻遇该地层常会发生裂缝性漏失。（2）判断井壁拉伸破坏主要是比较围岩抗拉强度与井周拉应力，其中剪切破坏会导致井眼坍塌，拉伸破坏会导致地层破裂。但渤海油田 A 区块深部地层地质条件复杂，地质力学参数（地应力）及岩石力学参数（泊松比、弹性模量等）难以进行准确的量化，常规三压力预测模型不适用于该区块中深部地层的压力预测。（3）岩石力学参数：A 区块地层粘聚力为 1.42-10.92 MPa；地层内摩擦角为 31.24-37.01；单轴抗压强度为10.22-35.81MPa。主应力纵向分布规律：上覆岩压梯度为0.0198MPa/m，最大水平地应力梯度 0.0179MPa/m，最小水平地应力梯度 0.0144MPa/m；最大水平地应力方向 N65-70E。结合上述实验结果，分析地层坍塌压力当量密度为1.16-1.31g/cm3；破裂压力当量密度为 1.57-2.76 g/cm3。参考文献 参考文献 1 杨虎,陈昊,李宜霖,等.钻井井壁力学失稳评价的强度准则优选与应用J.新疆石油天然气,2022,18(03):1-5.2 聂岚,刘其明,李衡.川西南资阳东峰场区块须家河组地层井壁稳定性J.天然气技术与经济,2022,16(04):49-53+59.3 刘宇.多弱面页岩地层井壁稳定研究D.东北石油大学,2022.4 李红,于忠涛,陈波,等.渤中 A3 井井壁稳定技术研究J.海洋石油,2022,42(01):70-74.5 金军斌,欧彪,张杜杰,等.深部裂缝性碳酸盐岩储层井壁稳定技术研究现状及展望J.长江大学学报(自然科学版),2021,18(06):47-54.6 马天寿,张赟,邱艺,等.基于可靠度理论的斜井井壁失稳风险评价方法J.石油学报,2021,42(11):1486-1498.7 胡勇科,马骁,马海云.深探井井壁稳定关键技术分析J.石油工业技术监督,2021,37(10):20-24.