窄密度窗口钻穿岩层的方法

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1、窄密度窗口中钻穿岩层的方法SPE94769摘要一般说来，造成井壁稳定性的主要问题是页岩。个别关键的钻井模式通常由深水或浅水覆盖组成。典型的超深水油气田在巴西。此种模式的特点是较高的孔隙流压，较低的压力梯度和较窄的压力密度窗口。为了在这些条件下钻井，有必要制定一定的方法来增大泥浆密度窗口。在本文中，我们论证了通过简单地改变钻井液流压和含盐浓度来增大泥浆密度窗口的可行性。为了评估井壁周围塑性区域的大小，我们根据钻井液流压、含盐浓度以及岩层曝露在钻井液中的时间建立了一个强大的计算机软件程序。泥浆密度的最终宽度将取决于设计所能允许的底层损害区域的大小。前言由于钻井技术的发展

2、，在过去的十年里，井壁稳定性问题在石油工业中备受关注。此外，众所周知，井壁稳定性问题主要在页岩地层中遇见，因为页岩在全国范围内代表了3/4的层积岩。为了获得更多的页岩与钻井液间复杂关系的相互作用的认识，并推论出其不稳定规律，已经有几个相关研究相继发展起来。这些研究包括室内试验，理论推导和现场运用几个部分。页岩在钻进过程中的性能状态是一个复杂的现象，它受到机械的、液力的、化学的以及温度梯度的影响。尽管大量的研究已经计算出了这些数据，然而页岩的性能状态任然没有被纳入日常的钻井实践之中。室内实验表明页岩表现出渗透膜的性状，即当接触溶液溶解度不同时，他们之间的孔隙流体便会产

3、生渗透压力。因此，为了改善井壁稳定性，页岩的此种性能被广泛学习。另一方面，由于页岩与钻井液间的力学作用，特别是化学效应。数学模型的发展已经能够定量孔隙压力和井壁周围应力分布。最初，简单的数学模型的提出，表明渗透压力增加井筒周围应力分布和弹性模量。然而，这种模型使得评价井壁稳定性过于简单化，因为他们不能吻合质量守恒方程，并且也不能作为一种完美的离子隔离膜。页岩就表现出较弱的渗透性。此外，由于页岩井壁稳定性的瞬变特性，提出了包含化学效应的毕奥模型。有些基于热力学理论，其他的则基于流体动力学理论。最近的一个分级到最小级别结果的模型显示出了重要规律。基于稳定性考虑，把较低的

4、垮塌压力以及较高的破裂压力作为定义为安全密度窗口的重要依据。为了避免尽量减少钻井过程中的不稳定问题，泥浆压力必须保持在这种安全密度窗口之内。传统的确定垮塌压力和破裂压力的方法手段是进行对井壁稳定性的分析。安全泥浆压力是通过比较计算应力与岩石强度（抗压和抗拉强度）的关系来确定的。但是在钻穿薄弱地层的时候，这一情况将会压缩泥浆密度窗口。这种情况常见于深水钻井情况中，其发生漏失的风险也很高。因此，应当尽可能地用低密度的泥浆来钻井。此外，在某些条件下，最初的井壁损害并不意味着实际的问题，但是应当保证受到损害的区域应该在控制范围之内。井壁垮塌与钻进行为井壁垮塌是一种压裂破坏，

5、在应力集中、钻井影响、超过岩石强度和屈服点的情况下时有发生。这种现象就是所谓的产生的突发情况。在较高的泥浆压力或者较低的泥浆压力情况下，井壁垮塌现象都有可能发生。在第一种情况下造成垮塌的风险是非常高的。正因如此，便不提倡采用提高钻井液密压力的方法来经验附近高产区。因此，这唯一的控制井壁垮塌发生的安全方法是降低钻井液压力。地下孔隙（比如隧道和钻孔）周围失效区的影响在过去备受关注。该结论是允许适量垮塌是可以提高井壁稳定性的（超过30%），这使得垮塌区域面积得到了控制。除了夸大泥浆密度窗口外，在井壁垮塌控制模式下还能够产生额外的优势：1、提高机械钻进速度；2、降低地层压裂

6、风险；3、降低储层损害风险。为了改善钻井过程中对井壁垮塌的管理，某些方法提出了一些定量井壁附近损害区域大小的方法。其中的一个方法便是通过运用塑性区域应力分布情况来评估井壁周围弹性区域半径。然而，此种方法仅能用于井壁附近各项应力均相同的钻井情况中。另一种方法是评估井壁坍塌区域的孔径角。然而，他们都不能定量地求出产区的大小。井塌控制方法如上文所述，可以通过钻进中超出的地层破裂压力来扩大泥浆密度窗口。为了更好地控制压差，把评估井眼附近区域的大小作为判断钻井压力的方法是非常重要的，如图一所示。起初，用几何元素网组来评估井眼附近区域大小，如图二所示。然而，岩石的损害准则在每一

7、个拐角处可得到证实。在本文，运用了莫尔——库伦损害准则。定义方程一中所示的一个产量因素用于确定已经达到的损害点：YF>1.如果所有给定元素的拐点都满足标准，可通过插值法来取得元区域，最后通过计算各元素的区域便可以取得总的区域面积。YF=（已知剪切应力）／（剪切强度）（1）只要确定了垮塌区域，按照以下步骤操作便可以得到扩大的泥浆密度窗口：1、将井筒压力假定为零；2、之后从0°直至180°，依次确定哪些点满足损害准则；3、如果YF>1不成立，则低泥浆密度时的垮塌压力为Plc=0；4、如果YF>1至少发生一次，则Plc>Pw，然后计算并重复第三步；5、如果YF=1，则