钻井工程优化设计技术

发布网友 发布时间：2022-04-20 07:01

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热心网友 时间：2023-09-07 01:17

随着我国石油勘探开发的深入，钻井工程越来越多地面临井深、高温高压等地质条件复杂的情况，使钻井工程风险更加突出。针对这些问题，石油钻井技术的研究与应用也在不断深化。针对复杂地质条件下深井超深井技术发展，国内外都开展了钻井地质环境因素描述技术研究，并在此基础上进行钻井工程的优化设计与施工。钻井地质环境因素是钻井工程的基础数据，主要包括岩石力学参数、地应力参数、地层压力参数及岩石可钻性参数等。准确掌握这些基础数据对钻井工程设计及施工具有重要意义。

对于岩石力学参数的求取，通常采用实验室对岩心试验，以及利用地球物理测井资料解释岩石力学特性参数。地层压力检测与预测研究主要是针对碎屑岩层系，对于海相碳酸盐岩地层压力预测，尚未取得成熟有效的方法，碳酸盐岩剖面中地层压力的准确预测难度较大。

3.3.2.1 钻井地质环境因素描述技术

钻井地质环境因素是钻井工程所面对的需要尽力去认识与掌握的客观影响力，主要包括地质构造因素、地层力学特征、地层可钻性以及钻井工具与地层相互作用耦合规律等。对钻井地质环境因素的研究与准确描述，可以提高钻井效率，降低钻井风险，对进行科学化钻井具有重要意义。

（1）岩石力学参数求取

岩石力学参数是反映岩石综合性质的基础数据，包括弹性参数和力学强度参数。岩石的弹性参数分为静态弹性参数和动态弹性参数。静态弹性参数一般通过室内对岩心进行直接加载测试换算求取，动态弹性参数则是通过测定声波在岩样中波速转换得到。岩石静态弹性参数可在室内应用三轴应力测试装置实测应力、应变曲线，并应用下列公式计算得出：

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中：μ_s为静态泊松比，无因次；Δε_θ为径向应变，mm；ΔL为轴向应变，mm；E_s为动态杨氏模量，MPa；Δσ为应力，N/mm；Δε为应变，mm。

根据岩石弹性参数之间的关系，可导出计算岩石动态弹性参数的公式：

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静态弹性参数和动态弹性参数之间存在明显的差别。一般情况下，动态弹性参数大于静态弹性参数（E_d＞E_s，μ_d＞μ_s）。为了从测井资料中获得静态弹性参数，需要把动态弹性参数转换成静态弹性参数，国内外在动静弹性参数转换方面提出了多个的转换模式。

岩石力学强度参数包括：岩石硬度H_d、单轴抗压强度S_c、初始剪切强度C和内摩擦角Φ、抗拉强度S_t和三轴抗压强度S_p，均可在实验室通过实际岩心测试求出，也可以利用测井资料进行计算，岩石强度的方法和有关模式：

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式中：H_d为史氏硬度，MPa；V_s为横波速度，km/s

单轴抗压强度：

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式中：C为内聚力，MPa；ρ为岩石密度，g/cm³；V_p为纵波速度，km/s；V_cl为泥质含量，小数；μ_d为泊松比。

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其中：M=58.93-1.785C

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式中：S_p为围压下的岩石抗压强度，MPa；S_c为单轴抗压强度，MPa；P为围压，MPa；a、b为经验系数；a=10^{（1948+4009dr）}；b=10^{-（0.7452+56126dr）}；d_r为岩石平均颗粒直径，mm。

（2）地应力参数求取

地应力室内测试方面有多种测量技术，通常分岩心测试和矿场测试两种。

岩心测试主要有：差应变分析（DSA）、滞弹性应变分析（ASR）、波速各向异性分析、声发射（Kaiser效应）等。矿场测试以水力压裂（水压致裂）为主。对深层地应力的求测，水力压裂测定技术是公认的最准确的和有效的方法，井壁崩落可给出较可靠的地应力方位。其他技术多为间接测定方法，需采用多种方法对比使用，才能给出比较可靠的数据。

根据地应力与地质环境、岩石力学特性的关系，分析研究地应力分布规律和影响地应力诸多因素，建立地应力模型。利用测井资料计算模式中的各参数，并计算得到地层的地应力数据。该方法可以得到沿纵向的地应力剖面，得到了广泛应用。在水平应力求取方面，国内外发展了多种计算模型。如莫尔-库仑模式、金尼克模型、Mattews＆.Kelly模型、Terzaghi模型、Anderson模型、Newberry模型等。中国石油大学黄荣樽教授提出的地应力预测模式如下：

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（3）地层可钻性参数求取

国内采用微钻头可钻性法进行地层可钻性的分级标准划分，将地层可钻性分为10级，定量表示地层的可钻性。利用测井资料与岩石可钻性关系分析得出规律：声波时差ΔT和岩石密度ρ与岩石可钻性k_d存在显著的相关性，在一定的条件下，ΔT和ρ可反映岩石的可钻性，但是由于地层的复杂性和测井技术的*，单一的参数有时不能全面反映岩石的抗破碎能力，为了更准确地找出测井变量与可钻性的关系，采用多元回归方法以建立多因素测井参量与可钻性的关系模型。

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3.3.2.2 深井超深井井身结构设计技术

（1）井身结构设计原则

1）有利于安全钻井，缩短钻井周期，减小钻井成本，避免漏、喷、塌、卡等复杂情况的发生，满足封隔不同压力体系的需要。

2）能有效封隔目的层，满足环空间隙和提高固井质量的需要。

3）考虑地质加深的要求和满足完井作业要求。

4）符合API和国内常规钻井套管、套管头系列，特别是国内完井井口的要求。

5）能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的伤害，减少钻井液对油气层的浸泡时间。

6）打开下部高压层时，高密度的钻井液不会引起压差卡钻和压漏套管鞋处裸露的薄弱地层井段。

7）井口有一定的控压能力，能满足压井及憋压堵漏等特殊施工措施的需要。

（2）超深井井身结构设计基础数据

1）地层层序预测、岩性剖面与地质故障提示。

2）地层压力系统。

3）抽吸压力与激动压力系数。

4）井涌允量值。

5）压差卡钻允值。

6）地层破裂压力安全系数。

（3）井眼与套管尺寸的匹配

1）复杂地层、深探井、超深探井的井身结构设计时应留有余地，满足地质加深、取心及工程方面的要求。

2）完井套管尺寸应满足采油、增产措施、井下作业等要求。

3）应考虑钻井施工队伍的技术素质。

4）根据国内外的钻井实践，一般由内向外的井身结构尺寸设计步骤，套管与井眼尺寸的间隙最好为19mm（3/4″），最小不低于9.5mm（3/8″）。

（4）深井超深井井身结构设计套管下深

1）导管的下深：既要考虑地表层的深度，又要考虑国家的环保法规。

2）表层套管的下深：表层套管承受的压力与磨损比技术套管与尾管苛刻，在考虑岩性变化的同时，应以能承受合理的井涌压力为原则。

3）技术套管下深：技术套管数量大，层次多，设计原则是让钻井液密度能控制地层压力而不至压漏上部地层。

4）油层套管尺寸与下深：取决于完钻井深、储层深度、采油等后续作业措施。

（5）深井超深井井身结构设计方法

1）自下而上设计法。对于深探井超深探井设计，一般参考资料很少或者没有，仅仅依靠预测的地层压力剖面来设计井身结构是很不完善的，比较理想的方法是采取倒推法设计必封点，确定套管鞋位置的最大承压能力，确定最小的完井尺寸，从下到上一级一级设计，进而确定开孔尺寸，同时考虑预留一级或两级套管层序调整尺寸，以便解决工程地质设计中的变化；当套管层序确定后，以最大钻井液密度为计算依据，压差卡钻临界值为基础，井壁稳定为前提，确定各个套管层次的下入深度（特别是主要技术套管）。这个深度对于一口具体的探井，是一个深度区间，而不是一个具体的深度位置，即可根据录井结果调整套管的下入深度。

2）自上而下设计法。自下而上设计法要求对下部地层情况资料有很好的掌握，设计结果的可靠性是以对下部地层的岩性特征、地层压力特性的充分了解为前提条件。这种以每层套管下入深度最浅、套管费用最低为目标的设计方法，非常适用于已探明地区开发井的井身结构设计。在对所钻地区深层的地质情况不清楚的情况下，深层钻井的井身结构设计不应以每层套管下入深度最浅、套管费用最低为首要目标，而应以确保钻井成功率、顺利钻达目的层为首选设计目标。要提高成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。目前国内现行套管钻头系列所提供的套管层次有限，只有2～3层技术套管，只能封隔钻井过程中的2～3个复杂层位。在这种情况下，希望每一层套管都能尽量发挥最大作用，即希望上部裸眼尽量长些，上部大尺寸套管下入深度尽量大一些，以便在下部地层的钻进中有一定的套管层次储备，且不至于小井眼完井。

根据深探井钻井条件及要求，可以采用自上而下的设计方法。依据求取的地层特性剖面、地层三个压力剖面、地区井身结构设计系数等。条件关系式：

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式中：ρ_cmax为裸眼井段钻遇的最大井壁坍塌压力的当量钻井液密度。

3）综合方法。将上述两种方法结合应用，并将两个设计结果进行比较，确定出每层套管的合理下入深度区间。

3.3.2.3 井眼稳定技术

从岩石力学的角度进行分析，造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的，井壁岩石的破坏，对于软而塑性大的泥岩表现为塑性变形而缩径。对于硬脆性的泥页岩一般表现为剪切破坏而坍塌扩径。剪切破坏剪切面的法向和σ₁的夹角等于β，法向正应力为σ，剪应力为τ。根据库仑-莫尔准则，岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度C值（称为黏聚力），加上作用于剪切面上的内摩擦阻力μσ，即：

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式中：μ为岩石的内摩擦系数，μ=tanψ；ψ为岩石的内摩擦角。

利用两个以上不同围压的三轴压缩强度试验可以求取岩石的内聚力与内摩擦角参数。（3-95）式也可用σ₁和σ₃坐标图上的直线来表示，主应力σ₁和σ₃改写成：

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或

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式中：σ_C为单轴抗压强度。

当岩石孔隙中有孔隙压力P_p时，库仑-莫尔准则应用有效应力表示为：

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内聚力和内摩擦角是表征岩石是否破坏的两个主要参数，也是井壁稳定计算中的重要参数。

岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大、最小主应力控制，σ₃与σ₁的差值越大，井壁越易坍塌，从井壁岩石受力状态分析中，可以发现岩石的最大、最小主应力分别为周向应力和径向应力，这说明导致井壁失稳的关键是井壁岩石所受的周向应力σ_θ和径向应力σ_r的差值，即σ_θ-σ_r的大小。差值越大，井壁越易坍塌。通常水平地应力是非均匀的，即σ_H≠σ_h，所以井壁上的周向应力是随井周角而变化的（井周角为井壁上点的矢径与最大地应力方向的夹角）。井周角在θ=90°和θ=270°处，σ_θ值最大。因此，该两处的差应力值达到最大（因为r在井壁各处为常数，与θ无关），是井壁发生失稳坍塌的位置。

采用库仑-摩尔强度准则进行分析，可求得保持井壁稳定所需的钻井液密度计算公式为：

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式中：H为井深，m；ρ_m为当量钻井液密度，g/cm³；C为岩石的黏聚力，MPa；η为应力非线性修正系数；σ_H，σ_h分别为最大、最小水平地应力，MPa。