深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用

深水地层上覆岩层压力低,井眼破裂压力低,安全钻井液密度窗口窄,易发生井壁失稳,因此,准确评估安全钻井液密度窗口对深水钻井十分必要。深水地层井壁稳定性研究难点在于准确评估上覆岩层压力与建立浅层井眼坍塌压力和破裂压力计算模型,针对国外现有模型中对深水地层密度评估存在偏差的问题,从深水地层特性出发,认为深水浅层和深层处于不同的成岩阶段,应采用不同的模型进行密度评估;针对深、浅层井周应力状态的差异,分别对深水浅层和深水深层的井壁稳定性进行研究,得出了安全钻井液密度窗口计算的分段模型。利用该模型对南海某深水气田的安全钻井液密度窗口进行了评估,评估结果与实钻情况吻合,表明该模型准确、可靠,为深水钻井液密度设计提供了重要依据。     

深水油气田钻井安全密度窗口计算方法

近年来深水油气勘探发展迅速,与陆上及浅海区域的钻井相比,深水上覆岩层压力较低,容易发生漏失。另外,深水浅层泥页岩也容易发生水化坍塌。因此,深水钻井中要求提供更精确的安全密度窗口,以防止发生复杂事故。通过借鉴陆上与浅海地区钻井中的井壁稳定性分析方法,结合深水钻井自身特点,得出了深水钻井安全密度窗口计算方法,其中上覆岩层压力利用密度积分方法计算,孔隙压力可以利用测井数据根据Eaton法进行计算。针对深水浅部地层的特殊性,建立了塑性区半径评价法用于浅部地层坍塌压力计算,并且认为深水钻井中漏失压力等于水平最小主应力,钻井中将漏失压力作为允许使用钻井液密度的上限。根据上述计算方法可以得出深水钻井的安全密度窗口,为钻井工程提供参考。     

深水浅层钻井液安全密度窗口研究

深水浅层钻井液安全密度窗口窄,给深水浅层钻井设计和工程安全带来极大挑战。根据深水浅层地层特征,运用四参数流变模型进行了波动压力计算,在此基础上考虑深水浅层隔水管安全余量和浅层地质灾害安全余量建立了深水浅层钻井液安全密度窗口确定方法。以我国南海莺琼盆地YC1井为例,计算分析了深水浅层钻井液安全密度窗口变化规律,结果表明隔水管安全余量、浅层安全余量对深水浅层钻井液安全密度窗口影响较大。根据上述结果,提出了利用双梯度钻井技术(DGD)解决钻井液安全密度窗口窄的方法,可为深水钻井设计提供参考。     

南海深水钻井井控技术难点及应对措施

深水钻井井控存在着海床不稳定、地层破裂压力低、地层压力窗口窄、以及存在浅层气、浅层水流、气体水合物和海底低温等诸多问题。在对国内外深水井控技术充分调研的基础上,针对南海深水钻井井控特点和难点,结合近年南海深水钻井设计和作业实践经验,详细分析了深水钻井井控存在的地层压力窗口窄、溢流监测困难、压井难度大和压井作业时间长、井控设备复杂、存在水合物风险等问题,研究提出了有针对性的解决方案,并以南海深水井为例介绍了深水井控的具体措施。     

控压钻井井底压力控制方案研究及其应用

窄钻井液密度窗口极易造成漏、喷、塌、卡等钻井复杂情况,尤其是当钻遇窄钻井液密度窗口泥页岩井段时,水化膨胀作用导致安全钻井问题变得更加复杂。安全钻井液密度窗口的准确建立以及井底压力的精确控制,是窄钻井液密度窗口地层安全、快速钻井的关键。为此,研究了一套窄钻井液密度窗口地层安全钻井井底压力精确控制方法。该方法以精细地应力场及泥页岩水化特性研究为基础,通过安全钻井液密度窗口、泥页岩坍塌周期以及钻井液当量循环密度分析,优选合理的安全钻井井底压力;并针对砂岩、泥页岩地层的不同特性,分别制定相应的井底压力控制方案,实现安全钻进。研究成果可用于指导控制压力钻井井底压力控制方案的设计施工。     

南海西部某井区安全钻井液密度窗口的确定

莺歌海盆地深水区地质条件复杂,为典型的高温高压区域,压力预测极为困难,溢流、卡钻甚至上漏下喷等问题时有发生。为解决上述问题,结合L-1井区的实钻情况和独特的地质条件,建立了一套基于地震层速度资料的地层压力预测模型。采取伊顿法计算有测井资料的深部井段的孔隙压力,对于缺少测井资料的浅部地层,则采取基于地震层速度的孔隙压力预测方法。采用邓金根法预测破裂压力,对于坍塌压力则在确定地应力后将其代入库伦摩尔准则可得。确定了L-1井区地层压力剖面从而预测出安全钻井液密度窗口,为合理设计井身结构,精准确定不同井段深度处的钻井液密度值提供科学指导。     

超深水浅层建井关键技术创新与实践

中国南海油气资源丰富,但70 %分布在深水区域。深水钻井实践表明,60 %的钻井事故源自海底以下几百米的未成岩浅层,因此浅层建井是整个深水钻井成功的关键。针对超深水浅层存在海底土力学参数不易获取、浅层地质灾害精确预测困难、井身结构精准设计和作业安全控制不易等难题,从理论模型、室内模拟实验和现场实践等方面开展了研究。根据土体固结理论及声速梯度特征,基于浅层地震剖面数据,创建了深水浅层土体密度、抗剪强度关键参数预测模型。基于超深水模拟实验装置,建立了水下井口实时承载力模型,形成了深水浅层精准井身结构设计方法。基于地震纵波在深水浅部含气或含水地层中产生不同声速响应的特征,建立了含浅层气、浅水流地层纵波速度随水深、地层密度的双参数方程,形成了超深水浅层地质灾害预测模型。基于浅层喷射下表层导管的原理,提出了"表层导管+表层套管"二合一复合钻井作业模式。研究成果成功应用于西太平洋第一口超深水井——荔湾22-1-1井(水深为2 619.35 m)。其中,南海超深水表层导管下入深度达100.1 m,浅层表层导管安装时间仅为2.25 h,保障了荔湾22-1-1井的高效、安全作业。     

南海深水L-1井区地层压力预测技术研究及应用

在深水钻井工程中,准确的地层压力剖面是确定安全钻井液密度窗口必不可少的关键数据。结合南海L-1井区地质情况,基于大量现场数据比对研究,得出最优压力预测模型,并利用测井获取的地层参数资料进行综合分析,对位于莺歌海盆地构造中部的L-1井区进行了地层孔隙压力、破裂压力和井壁坍塌压力的计算分析,得出该井区地层压力剖面图,从而预测出安全钻井液密度窗口。与邻井实测点相比,孔隙压力预测误差小于1.74%,破裂压力预测误差小于15.50%,为工程开发提供了理论支撑。     

白云凹陷深水区井壁稳定性研究及应用

白云凹陷深水区是珠江口盆地重要的储量增长点,但是深水钻井安全钻井液密度窗口窄,钻井风险高,因此准确评估白云凹陷深水区井壁稳定性的规律和特点,对白云凹陷下一步的开发十分必要。针对白云凹陷深水区的钻井情况和地质特点,研究了地层压力体系特征,认为幂律模型和Eaton模型能够获得精度较高的地层密度和地层孔隙压力,得出了地层压力体系随水深的变化规律,其中地应力和破裂压力受水深影响明显。利用得到的地层压力对白云凹陷深水区的安全钻井液密度窗口进行了评估,认为白云凹陷深水区井壁坍塌风险较低,漏失风险高,主要是砂岩渗透性漏失,钻井液设计时需考虑其影响。     

T453井三叠系石炭系地层安全钻井液密度窗口的确定

塔河油田三叠系、石炭系地层钻井过程中井壁垮塌严重，井径扩大率太，严重影响了钻井效率和固井质量。利用三叠系、石炭系地层岩心，进行了地应力与岩石力学参数室内试验研究，并根据试验结果标定了岩石力学测井解释的模型，根据S68井的测井资料分析了其坍塌压力、地层破裂压力，建立了安全钻井液密度窗口。根据研究成果，确定了T453井三开井段安全钻井液密度窗口，推荐了现场钻井作业的钻井液密度程序。现场试验表明，严格按照设计的钻井液密度程序施工可避免井壁垮塌、缩径导致的起下钻遏阻以及卡钻等井下复杂情况或事故。     

定向井坍塌压力上限对钻井安全密度窗口的影响

一般钻井安全密度窗口通过计算坍塌压力与破裂压力确定,钻井液密度过低会引起井壁坍塌。实际钻井情况反映,钻井液密度超过坍塌压力上限也会造成井壁坍塌。结合井壁成像测井,分析了高密度钻井液下的井周应力状态,建立了σ_z'＞σ_r'＞σ_θ'模式的坍塌压力上限计算模型,推导得出了直井的解析表达式与定向井的数值计算方法。结果显示:不论直井或定向井,对于强度低于某一临界值的地层,以传统的破裂压力作为安全密度窗口的上限将会低估井壁失稳风险;地层强度临界值的大小取决于主地应力、孔隙压力、有效应力系数。对定向井而言,坍塌压力上限随井斜角和方位角变化的敏感性较高,沿水平最小地应力方向钻进的井眼坍塌压力上限较高;随井斜角增大,坍塌压力上限与破裂压力值逐渐趋于接近。研究结果可防范高密度钻井液引起的井壁损伤和井塌现象。     

渗透性砂岩地层漏失压力预测模型

为了预测渗透性砂岩地层的漏失压力,提高钻井的安全性。根据塑性流体的本构方程和毛细管渗流理论,分析了钻井液（宾汉流体）在井壁泥饼带、地层侵入带和原地层孔隙中的流动特性,分别建立了井壁有无泥饼2种情况下的渗漏压力计算模型。利用建立的数学模型,对崖城13-1-A15井压力衰竭储层段的漏失压力进行了预测,结果表明:井壁上未形成泥饼时,漏失压力当量密度为0.613 kg/L;井壁上形成厚度1 mm、渗透率小于4×10-5 D的泥饼时,漏失压力当量密度可提高到1.21 kg/L以上。崖城13-1-A15井钻井施工中,采用密度1.10 kg/L的抗高温Versaclean油基钻井液,没有发生井漏。建立的渗透性砂岩地层漏失压力预测模型,可为渗透性砂岩地层安全钻井提供参考。      

深水多梯度钻井方法及仿真分析

油气勘探开发转向海洋尤其是深海已成为必然。与陆地和浅水相比,由于深水地层特殊的地质沉积条件,深水钻井面临地层压力和破裂压力之间钻井液安全密度窗口窄的问题,井筒压力很难保持在允许的压力窗口之间。为此,介绍了多梯度钻井技术的原理、采用低密度空心球随钻分离注入的实现方法以及其优点：①可以达到较高的空心球浓度（50%~60%）,钻井液密度降低明显;②钻井液返回海面后不必分离空心球,可重新循环;③隔水管内钻井液密度和钻杆内钻井液密度相当,不会产生U形管效应;④设备所占空间少,系统操作和控制相对简单。同时,编写了多梯度钻井的仿真程序,分析了空心球注入对压力变化影响效果。结果表明,采用空心球随钻分离注入技术能够实现对井筒压力的优化分配,使井底压力在较长的井段内介于地层压力和破裂压力之间,从而达到简化井身结构的效果。     

压力衰竭储层井壁稳定性变化规律研究

油气田在开发中后期会发生储层压力衰竭,压力衰竭将导致储层地应力发生变化,进而影响钻井中的井壁稳定性。从压力衰竭对储层地应力的影响入手,结合压力衰竭地层的井周应力分布规律对安全钻井液密度窗口随压力衰竭程度的变化规律进行了研究。结果表明,在压力衰竭储层钻定向井时存在一个中性角,当井斜角小于中性角时,压力衰竭使安全钻井液密度窗口变宽;当井斜角大于中性角时,压力衰竭使安全钻井液密度窗口变窄;中性角的大小与地层压力衰竭程度无关,与钻井方位有关,保持井斜角小于中性角并远离水平最大地应力方向有利于压力衰竭地层的钻井安全。研究结果可以为油气田在不同压力衰竭时期的钻井设计提供参考。     

BZ13-1油田井壁稳定性研究及应用

位于渤海中部海域的BZ13-1油田在前期钻井中存在溢流、井漏、阻卡等较多复杂问题,制约了钻井速度。井壁稳定的力学分析方法主要利用钻井资料、测井资料、录井资料等,分析地层压力、地应力、地层强度参数的分布规律,结合岩体强度准则计算坍塌压力与破裂压力,得出钻井安全密度窗口。通过对BZ13-1油田井壁稳定性进行分析,得出了高压层、易漏失层、易坍塌层位置,并据此对开发井进行井身结构设计,分析结果在开发井钻井中取得了良好的应用效果,有效减少了钻井复杂问题。     

基于可靠度理论的斜井井壁失稳风险评价方法

由于地质环境的隐蔽性和复杂性,地质力学参数和岩石力学参数具有很大的不确定性,井壁稳定分析中忽略不确定的影响可能导致钻井液密度设计不合理,进而直接影响钻井井壁稳定。国内外学者对确定参数条件下的井壁稳定开展了深入的研究,但对不确定参数条件下井壁稳定影响的研究并不深入,尤其是对于任意斜井失稳风险的评价。为此,在井壁稳定孔弹性力学模型和崩落宽度模型基础上,建立了基于可靠度理论的井壁失稳风险评估方法,采用Monte-Carlo随机方法模拟了四川盆地CW气田直井、斜井和水平井的井壁失稳风险,并系统分析了参数均值和方差对井壁失稳的影响规律。研究结果表明：①随着井斜角增加,井壁坍塌当量密度显著增加,井壁破裂当量密度显著降低,不同井型失稳风险与常规井壁稳定规律基本一致。②考虑参数不确定影响后,坍塌当量密度增加、破裂当量密度降低,安全密度窗口逐渐变窄,说明参数不确定影响不可忽略。③崩落宽度对井壁坍塌影响显著,崩落宽度越大则井壁坍塌可靠度越高,在不发生井壁失稳事故的前提下,允许适当的井壁崩落有助于提高成功钻井概率。④4参数均值和变异系数敏感性分析结果表明,影响井壁稳定最为显著的因素为地应力,其次为孔隙压力和岩石强度;随着变异系数的增加,坍塌当量密度逐渐增加、破裂当量密度逐渐降低,安全密度窗口逐渐变窄,井壁失稳的风险越高。     

基于三维地应力的水平井轨道优化及钻井液密度窗口分析

准噶尔盆地南缘区域断层多、背斜构造明显,地应力分布复杂,主应力方向随位置变化较大,不利于水平井轨道优化及钻井液密度窗口设计。为此,在三维地应力场计算模型建立过程中考虑了背斜构造对局部应力的影响,数值求解得到的地应力分量值比采用解析法得到的地应力值更准确;相应地,在此基础上计算得到的钻井液密度窗口值比利用解析法得到的钻井液密度窗口值更准确。首先对区块内的高探1井进行单井实测及单井地应力分析,然后对目标区块三维地应力场进行精细化有限元建模计算,从而得到区块的三维地应力场数值解;根据三维地应力场中主应力的方向角分布情况,优化水平井轨道,并计算出相应的安全钻井液密度窗口,为高泉区块安全优快钻井提供理论依据和准确的参考数据。研究表明基于三维地应力的水平井轨道优化及钻井液密度窗口计算模型是准确的、实用的。