一种盐膏层造斜钻井液密度确定方法

摘要

本发明涉及石油勘探开发领域中的钻井技术，具体涉及一种盐膏层造斜钻井液密度确定方法。一种盐膏层造斜钻井液密度确定方法，包括下列步骤：（1）建立变曲率变方位条件下盐膏层蠕变模型；（2）根据盐膏层蠕变模型，建立钻井液密度、井眼曲率和井眼方位条件下盐膏层井壁变形模型；（3）建立钻井液密度、井眼曲率与井眼方位的关系图版；（4）根据步骤（3）的关系图版，确定合理的钻井液密度。利用本发明提供的方法可以优选合适的钻井液密度与造斜方位、造斜曲率，以降低钻井液密度满足地层的最小破裂压力，有效阻止井眼缩经、防止井下复杂情况的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及石油勘探开发领域中的钻井技术，具体涉及一种盐膏层造斜钻井液密度确定方法。

背景技术

世界上许多含油气盆地深层油气藏的形成都与膏盐层有关，发育在膏盐层之下的油气藏数量相对较多，是今后深层油气勘探的重点。在石油钻井过程中，盐下水平井钻遇盐层埋藏深且盐间还存在薄弱地层，地层承压能力有限，容易发生井漏；造斜段高密度钻井液性能严重制约着井下定向仪器功效的发挥；同时井眼轨迹对钻井液密度也有很大影响。

为了解决以上难题，国内外先后进行了如下研究：楼一珊等(楼一珊；李忠慧；张春阳等.油气井眼井斜角、方位角对盐岩蠕变的影响.岩石力学与工程学报，2008，27(z2)：3570～3573.)分析了油气井眼井斜角、方位角对盐岩蠕变的影响；主要步骤如下：①在空间坐标变换的基础上建立定向井三维蠕变模型；②将应力在井斜角方位角的变化转换为井轴坐标系下的变化；③利用所建立的数值模型，分析在一定应力条件下井斜角与方位角变化对蠕变的影响。该方法仅考虑盐膏岩的纯蠕变机制，得出的钻井液密度过于保守，而盐膏层造斜段钻井不仅要求尽可能低的密度，而且还要保证井壁稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种盐膏层造斜钻井液密度确定方法，利用该方法可以优选合适的钻井液密度与造斜方位、造斜曲率，以降低钻井液密度满足地层的最小破裂压力，有效阻止井眼缩经、防止井下复杂情况的发生。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种盐膏层造斜钻井液密度确定方法，包括下列步骤：

(1)建立变曲率变方位条件下盐膏层蠕变模型；

(2)根据盐膏层蠕变模型，建立钻井液密度、井眼曲率和井眼方位条件下盐膏层井壁变形模型；

(3)建立钻井液密度、井眼曲率与井眼方位的关系图版；

(4)根据步骤(3)的关系图版，确定合理的钻井液密度。

上述方案中，所述步骤(1)中建立变曲率变方位条件下盐膏层蠕变模型的方法具体包括下列步骤：

a)针对某一构造下的复合盐膏层，对钻井取心获得的蜡封盐岩岩心进行实验试样加工，获取不同方位、井斜条件下的标准岩芯，共需至少16个样；

b)对每一个试样，在岩石蠕变试验机进行蠕变试验，采取不同井斜、方位条件下多级温度和多级加载组合的实验方式，确定不同井斜、方位条件下盐膏层蠕变模型。

上述方案中，所述步骤(3)中的建立钻井液密度、井眼曲率与井眼方位的关系图版的方法包括下列步骤：

a)确定不同井斜、方位条件下井壁失稳临界值；

b)根据盐膏层井壁变形模型，验证该钻井液情况下井眼变形能否满足钻井需求；

c)建立钻井液密度、井眼曲率和井眼方位的关系图版。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

利用本发明提供的方法可以优选合适的钻井液密度与造斜方位、造斜曲率，以降低钻井液密度满足地层的最小破裂压力，有效阻止井眼缩经、防止井下复杂情况的发生。

附图说明

图1为本发明实施例提供的钻井液密度图版。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

本发明实施例提供一种盐膏层造斜钻井液密度确定方法，应用于某一区块某井盐层，深度为3350米，具体包括如下步骤：

(1)针对某一构造的复合盐膏层，对钻井取心获得的蜡封盐岩岩心进行实验试样加工，分别取得标准岩芯(直径25.5mm，长50mm圆柱体，或直径38mm，长72mm圆柱体)4组共16块(如果条件允许，可以更多组)，即同X轴夹角分别为0°，45°，90°各一块；同Z轴夹角为0°一块，共4块为1组；

(2)对取得的标准岩心，在岩石蠕变试验机进行蠕变试验，采取多级温度和多级加载组合的实验方式，确定不同井斜、方位条件下盐膏层蠕变模型；

多级温度可以根据井底温度情况确定，多级加载可以根据井底压力情况确定。通常可在井底温度和井底压力上下25％的范围内浮动，选择合适的模拟井底温度和井底压力进行试验。如当井底温度为150℃，井底压力为120MPa时，可选择如表1的模拟条件进行蠕变试验：

表1

  井底温度  120℃  150℃  170℃  井底压力  100MPa  120MPa  140MPa

盐岩地层钻井过程中，井眼形成后瞬时的应力分布和变形可以通过弹性力学方法进行求解。当井壁围岩的应力状态处于盐岩扩容边界线以下，盐岩处于弹性应力状态，盐岩地层地应力为非均匀，最大水平地应力为σ_H，最小水平地应力为σ_h，垂直地应力为σ_v，井内泥浆柱压力为P_i，井眼半径为a，井斜角为Ψ，井斜方位角为Ω；假设盐岩地层为各向同性；将井筒视为无限长圆筒，得到弹性应力应变关系为：

${ϵ}_r=\frac{1}{E}[{\sigma }_r-\upsilon ({\sigma }_{\theta }+{\sigma }_z)]$

${ϵ}_{\theta }=\frac{1}{E}[{\sigma }_{\theta }-\upsilon ({\sigma }_r+{\sigma }_z)]$

${ϵ}_z=\frac{1}{E}[{\sigma }_z-\upsilon ({\sigma }_{\theta }+{\sigma }_r)]---\left(1\right)$

${\gamma }_{\mathrm{zr}}=\frac{2(1+\upsilon )}{E}{\sigma }_{\mathrm{zr}}$

平衡方程

σ_ij，j+f_i＝0                   (2)

几何条件

${ϵ}_r=\frac{\partial u}{\partial r}$

${ϵ}_{\theta }=\frac{u}{r}+\frac{\partial v}{r\partial \theta }$

${ϵ}_z=\frac{\partial w}{\partial z}---\left(3\right)$

${\gamma }_{\mathrm{r\theta }}=\frac{\partial u}{r\partial \theta }+\frac{\partial v}{\partial r}-\frac{v}{r}$

假定钻井过程沿井眼轴线方向没有应变产生，引入应力边界条件，在井壁σ_r＝p_w，r＝r_w；近井眼地带的应力状态可以表示为：

σ_r＝p_i-δφ(p_i-P_p)

σ_θ＝Aσ_h+Bσ_H+Cσ_v+(K₁-1)p_i-K₁P

σ_z＝Dσ_h+Eσ_H+Fσ_v+K₁(p_i-P_p)  (4)

σ_θz＝Gσ_h+Hσ_H+Jσ_v

σ_rθ＝σ_rz＝0

A＝cosΨ{cosΨ(1-2cos2θ)sin²Ω+2sin2Ωsin2θ}+(1+2cos2θ)cos²Ω

B＝cosΨ{cosΨ(1-2cos2θ)cos²Ω-2sin2Ωsin2θ}+(1+2cos2θ)sin²Ω

C＝(1-2cos2θ)sin²Ψ

D＝sin²Ωsin²Ψ+2υsin2ΩcosΨsin2θ+2υcos2θ(cos²Ω-sin²Ωcos²Ψ)

E＝cos²Ωsin²Ψ-2υsin2ΩcosΨsin2θ+2υcos2θ(sin²Ω-cos²Ωcos²Ψ)

F＝cos²Ψ-2υsin²Ψcos2θ

G＝-(sin2ΩsinΨcosθ+sin²Ωsin2Ψsinθ)

H＝sin2ΩsinΨcosθ-cos²Ωsin2Ψsinθ

J＝sin2Ψsinθ

$K_1=\delta [\frac{\alpha (1-2\upsilon )}{1-\upsilon }-\phi ]$

符号说明：

井眼半径为a，井斜角为Ψ，井斜方位角为Ω；

σ_r，σ_θ，σ_z，τ_rθ，τ_θz，τ_rz-柱坐标中的应力分量，单位Mpa；

σ_v-垂向应力，单位Mpa；

P_i-泥浆柱压力，单位Mpa；

σ_H，σ_h-水平最大、最小地应力，单位Mpa；

P_p-孔隙压力，单位Mpa；

C-粘结强度，单位Mpa；

φ-内摩擦角，单位为°；

v-泊松比，无量纲；

S_t-抗拉强度，单位Mpa；

Ψ-井斜角(与垂向的夹角)，单位为°；

Ω-相对于最大水平地应力的井斜方位，单位为°；

θ-井周角(相对于X轴)，单位为°；

δ-当井壁为不可渗透时0、井壁渗透时为1，无量纲；

φ-孔隙度，单位为D；

a-井眼半径，单位为m

ζ-有效应力系数，无量纲；

K₁-渗流效应系数，无量纲；

A，B，C，D，E，F，G，H，I，J-坐标变换系数；造斜方位、井眼造斜率包含在参数A、B、C、D、E、F、G、H和J。

盐岩地层渗透率低，假设井壁不可渗透，即δ＝0，则近井眼地带的应力状态可以表示为：

σ_r＝p_i

σ_θ＝Aσ_h+Bσ_H+Cσ_v-p_i

σ_z＝Dσ_h+Eσ_H+Fσ_v              (5)

σ_θz＝Gσ_h+Hσ_H+Jσ_v

σ_rθ＝σ_rz＝0

从而可以得到近井眼地带的平均应力和八面体剪应力

${\sigma }_m=\frac{1}{3}({\sigma }_r+{\sigma }_{\theta }+{\sigma }_z)---\left(6\right)$

${\tau }_0=\frac{1}{3}\sqrt{{({\sigma }_r-{\sigma }_{\theta })}^2+{({\sigma }_{\theta }-{\sigma }_z)}^2+{({\sigma }_z-{\sigma }_r)}^2+{{6\sigma }_{\mathrm{\theta z}}}^2}---\left(7\right)$

(3)根据盐膏层蠕变模型，建立钻井液密度、井眼曲率和井眼方位条件下盐膏层井壁变形模型；

假设控制井壁围岩八面体剪应力值，使得盐岩不产生失稳破坏，即可保证安全钻井，盐岩失稳边界值为τ_od，盐岩失稳边界值可由步骤(2)中的试验确定，则

τ_0max≤τ_od               (8)

维持盐层造斜段井壁稳定所需的钻井液密度的力学模型为：

${\rho }_i=\{0.5{({\mathrm{A\sigma }}_h+{\mathrm{B\sigma }}_H+{\mathrm{C\sigma }}_v)}^2-\frac{1}{12}\{12{({\mathrm{A\sigma }}_h+{\mathrm{B\sigma }}_H+{\mathrm{C\sigma }}_v)}^2-24[(A-D){\sigma }_h+(B-F){\sigma }_H---\left(9\right)$

$+(C-F){\sigma }_v{]}^2+{({\mathrm{D\sigma }}_h+{\mathrm{E\sigma }}_H+F{\sigma }_v)}^2+6{({\mathrm{G\sigma }}_h+{\mathrm{H\sigma }}_H+{\mathrm{J\sigma }}_v)}^2-{{9\tau }_{\mathrm{od}}}^2{\}}^{0.5}\}/H/0.00981$

式中：造斜方位、井眼造斜率包含在参数A、B、C、D、E、F、G、H和J。将试验得到的σ_od(90MPa，85.5MPa，83MPa)带入式(9)中即可得到维持盐层造斜段井壁稳定所需的钻井液密度。依据不同σ_od即可得到图1所示的钻井液密度图版：

(4)对于与实验岩心井在同一区块的盐层钻井，可根据步骤(3)的关系图版，确定合理的钻井液密度克服造斜段井壁蠕变失稳。

同区块某井4000m造斜率4.3°/30m，造斜方位为60°(与最大水平地应力夹角)，查图版确定钻井液密度为1.68g/cm3。

利用本发明提供的方法可以优选合适的钻井液密度与造斜方位、造斜曲率，以降低钻井液密度满足地层的最小破裂压力，有效阻止井眼缩经、防止井下复杂情况的发生。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。