高壓氣層氣體鉆井井壁穩定性分析

摘 要

摘要：在利用氣體鉆井技術揭開高壓氣層的初期，由于低密度氣體在井底產生的壓力很小，遠遠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，導致高壓產氣層
摘要：在利用氣體鉆井技術揭開高壓氣層的初期，由于低密度氣體在井底產生的壓力很小，遠遠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，導致高壓產氣層段井壁穩定性下降，易引起井下復雜事故。通過分析高壓氣層高速產氣影響氣體鉆井井壁穩定性的作用機理，建立了一套高壓產氣層氣體鉆井井壁穩定性的評價方法。結果發現：高壓氣層高速產氣過程中，一方面導致產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力增加，有利于氣層的井壁穩定；另一方面由于產層孔道迂回曲折，高壓氣體在快速流出地層時，在近井壁地帶會產生一個附加徑向應力，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定。綜合分析正、反兩方面的影響因素后發現：高壓產氣層被氣體鉆井揭開瞬間，氣層井壁表面巖石穩定性最差；隨后，井壁表面巖石孔隙壓力降低，井壁穩定性變好；隨著產氣層暴露時間的增加，氣層深部位置點高壓氣體開始流動，井壁穩定性先變差后變好。
關鍵詞：氣體鉆井；高壓氣層；井壁穩定性；評價方法；孔隙壓力；拖曳力
    在氣體鉆井過程中，循環介質為低密度干燥氣體，氣體在井底產生的壓力很小，在1MPa左右，遠小于地層孔隙壓力。當利用氣體鉆井揭開高壓產氣層時，氣體在壓力勢差作用下由地層高速流入井眼內，導致高壓產氣層段井壁穩定性下降，井壁垮塌失穩。四川盆地川西新場氣田利用氣體鉆井技術鉆探侏羅系沙溪廟組地層時，鉆遇高壓產氣層，地層短時間大量產氣后，井下發生惡性埋鉆事故，結合現場測井資料證實為產氣層段垮塌失穩造成井下埋鉆事故[1～7]。因此，開展高壓產氣層氣體鉆井井壁穩定性研究，可以為產層段氣體鉆井的順利實施提供技術保障。
1 高壓產氣層氣體鉆井井壁失穩機理
    在利用氣體鉆井揭開高壓產氣層時，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，一方面導致高壓產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力越大；另一方面，產氣層的孔道迂回曲折，高壓氣體快速流出地層過程中，在近井壁地帶產生一個將井壁表面巖石推向井眼的附加徑向應力，減弱了井筒內氣體對井壁的有效支撐作用。總之，高壓氣層高速產氣導致作用在近井壁地帶巖石上的有效應力分布發生變化，進而影響高壓產氣層井壁穩定性。
1.1 高壓產氣層孔隙壓力變化及其對井壁穩定性的影響
    高壓產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層，導致近井壁地帶孔隙壓力減小，可利用多孔介質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，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生明顯變化。井壁表面巖石孔隙壓力與井筒內壓力相等，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力分布發生變化，進而影響產氣層近井壁地帶井壁穩定性發生改變。圖2給出了孔隙壓力變化對高壓產氣層井壁穩定性的影響，圖2中井壁穩定性值越小表明井壁越穩定；反之，井壁穩定性較差。
 

    從圖2可以看出，高壓產氣層孔隙壓力的變化對地層井壁穩定性的影響十分明顯。從圖2可以看出，與原始地層相比較(即地層不產氣，地層孔隙壓力分布保持原始狀態)，高壓氣層產氣后，近井壁地帶孔隙壓力降低，作用在巖石骨架上的有效應力增加，但井壁穩定性變好。因此，高壓氣層產氣引起地層孔隙壓力降低有利于產氣層的井壁穩定。
1.2 高壓氣體高速流動對地層有效應力分布和井壁穩定性的影響
在高壓氣層產氣過程中，除了引起地層孔隙壓力分布發生變化以外，高壓氣體高速流出地層時，對井壁表面巖石產生一個附加徑向應力，該附加應力將井壁表面巖石向井眼內“拖曳”，引起產氣層井壁垮塌掉塊。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生的附加拖曳力與高壓產氣層近井壁地帶孔隙壓力梯度變化相關。結合前面得到的高壓氣層產氣過程中孔隙壓力分布情況，便可得到高壓氣層產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，無高壓氣體流動，拖曳力為零。當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折點，在該轉折點左邊，隨著時間的增加，拖曳力逐漸減弱，而在該點右邊，拖曳力則逐漸增加。
    圖4給出了高壓氣體高速流動對產氣層井壁穩定性的影響關系。
 

    從圖4可以看出，高壓氣體高速流動會導致產氣層井壁穩定性降低。在氣層被揭開瞬間，高速流動氣體在井壁表面產生的“拖曳力”最大，對產層井壁穩定性影響最大，此時產氣層井壁穩定性最差。隨著產層暴露時間的增加，進井壁地帶孔隙壓力逐漸減小，產生的拖曳力逐漸減小，那么，對井壁穩定性的影響減弱。
1.3 高壓產氣層氣體鉆井井壁穩定性綜合分析
    由前面的分析可知，高壓產氣層產氣過程中，一方面引起近井壁地帶孔隙壓力減小，有利于井壁穩定；另一方面高壓氣體高速流動產生附加“徑向拖曳力”，不利于井壁穩定。那么，綜合考慮正、反兩方面的影響因素，高壓產氣層產氣過程中井壁穩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，高壓產氣層近井壁地帶有效應力分布可表示為：
 
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力，MPa；α表示有效應力系數，無量綱；μ表示巖右靜態泊松比；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氣過程中井眼周圍地層有效應力分布情況，結合庫侖-摩爾準則便可得到產氣層產氣過程中近井壁地帶井壁穩定性分布情況，如圖5所示。
 

    從圖5可以看出，當產氣層被揭開瞬間，井壁表面巖石孔隙壓力保持原始狀態，井壁表面巖石孔隙壓力與井眼內壓力差異最大，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定性最差，高于原始地層井壁表面巖石穩定性。高壓氣層瞬間產氣后，導致井壁表面巖石孔隙壓力降低，與井眼內壓力持平，“拖曳力”消失，井壁表面巖石孔隙壓力的降低導致井眼表面巖石穩定性變好，低于原始地層井壁穩定性。隨著時間的增加，由于氣體的流出，壓力的傳遞，產氣層深部位置點孔隙壓力發生變化，進而引起地層深部氣體在壓力勢差作用下流出地層，一方面導致孔隙壓力減小，另一方面產生“拖曳力”。地層深部每個位置點由于前一個位置點的孔隙壓力降低，高壓氣體欲動未動時，先產生“拖曳力”引起該位置點井壁穩定性變差，然后孔隙壓力降低，井壁穩定性變好。
    川西地區新場氣田利用空氣鉆井技術鉆探沙溪廟組地層時，鉆遇產氣層段，產氣層短時間產氣后引起井下遇阻卡鉆事故，隨后被迫轉換為常規鉆井。利用前面建立的高壓產氣層氣體鉆井井壁穩定性評價方法分析了新場氣體沙溪廟組產氣層段不產氣和產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，高壓氣層在產氣前后坍塌密度有著明顯的變化，考慮地層瞬間產氣影響的地層坍塌密度要明顯高于地層不產氣時的地層坍塌密度，這也說明地層瞬間產氣會導致產氣層井壁穩定性下降，在評價分析高壓產氣層氣體鉆井井壁穩定時需要考慮地層產氣對井壁穩定性的影響。
3 結論與認識
    通過對氣體鉆井高壓氣層高速產氣過程中井壁穩定性綜合評價分析，并結合現場高壓產氣層氣體鉆井實鉆情況，可以得出以下結論與認識：
    1) 在評價高壓產氣層氣體鉆井井壁穩定性時，需要考慮高壓氣層高速產氣對氣層近井壁地帶有效應力分布和井壁穩定性的影響。
    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，一方面導致產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定，而徑向拖曳力則不利于氣層井壁穩定。
    4) 高壓氣層被氣體鉆井揭開瞬間，氣層井壁穩定性最差，高于原始地層井壁穩定性，隨后孔隙壓力降低，井壁穩定性變好。
    5) 為了避免高壓產氣層氣體鉆井井下復雜事故的發生，可以采取適當措施方法，諸如當利用氣體鉆井揭開高壓產氣層時，應盡量降低鉆速或停止鉆進，利用產氣層的孔道連通性，使鉆頭前方地層氣體得以釋放，降低孔隙壓力，增加井壁穩定性，接著充分循環、沖洗井底巖屑，然后再繼續鉆進。
參考文獻
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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.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學；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研究院儲量室)