白云凹陷深水區(qū)井壁穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

田　崢　田　波　陳子劍　鄧金根　郝希寧（.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067；.中國石油大學(xué)（北京），北京　049；.中海油研究總院，北京　0008）

白云凹陷深水區(qū)井壁穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

田崢1田波1陳子劍2鄧金根2郝希寧3
（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中國石油大學(xué)（北京），北京102249；3.中海油研究總院，北京100028）

白云凹陷深水區(qū)是珠江口盆地重要的儲量增長點，但是深水鉆井安全鉆井液密度窗口窄，鉆井風(fēng)險高，因此準(zhǔn)確評估白云凹陷深水區(qū)井壁穩(wěn)定性的規(guī)律和特點，對白云凹陷下一步的開發(fā)十分必要。針對白云凹陷深水區(qū)的鉆井情況和地質(zhì)特點，研究了地層壓力體系特征，認(rèn)為冪律模型和Eaton模型能夠獲得精度較高的地層密度和地層孔隙壓力，得出了地層壓力體系隨水深的變化規(guī)律，其中地應(yīng)力和破裂壓力受水深影響明顯。利用得到的地層壓力對白云凹陷深水區(qū)的安全鉆井液密度窗口進(jìn)行了評估，認(rèn)為白云凹陷深水區(qū)井壁坍塌風(fēng)險較低，漏失風(fēng)險高，主要是砂巖滲透性漏失，鉆井液設(shè)計時需考慮其影響。

白云凹陷；深水；井壁穩(wěn)定；地層壓力體系；坍塌壓力；破裂壓力

蔚寶華［1］、譚強(qiáng)［2］、田波［3］等提出了一整套深水安全鉆井液密度窗口的計算模型。目前尚需對白云凹陷深水區(qū)的井壁穩(wěn)定性特點和變化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)研究。該地區(qū)鉆井漏失時有發(fā)生，因此筆者針對白云凹陷深水區(qū)的鉆井情況和地質(zhì)特點，重點研究了白云凹陷深水區(qū)地層壓力體系特征，分析了井壁坍塌和漏失的風(fēng)險與機(jī)理，提出了井壁穩(wěn)定技術(shù)對策，最后給出了井身結(jié)構(gòu)設(shè)計建議。

1　地質(zhì)概況

白云凹陷是珠江口盆地面積最大的凹陷，面積超過2×104km2，水深200~2 000 m［4］。珠江口盆地屬于準(zhǔn)被動邊緣盆地［5］，經(jīng)歷了斷陷期、斷坳轉(zhuǎn)化期和坳陷期3個構(gòu)造演化階段。其中坳陷期的新構(gòu)造運動對白云凹陷影響很大［6］，導(dǎo)致白云凹陷中新世底界現(xiàn)今發(fā)育NWW-EW向斷裂［7］，該方位也是現(xiàn)今水平最大地應(yīng)力的方位。

白云凹陷從西北往東南方向水深逐漸加深，其沉積過程具有單邊側(cè)向沉積的特點，主要沉積物來源于珠江，地層從上至下依次沉積了第四系、萬山組、粵海組、韓江組、珠江組、珠海組、恩平組、文昌組。中新世之后沉積速率急劇降低。因此白云凹陷沉積具有2個特點：橫向上越往東南方向，地層沉積厚度越薄；縱向上文昌組、恩平組和珠海組具有欠壓實沉積的特點，上部其他地層正常沉積。

2　白云凹陷地層壓力體系評估

2.1上覆巖層壓力評估

目前深水上覆巖層壓力計算主要采用密度積分的方法，而問題的關(guān)鍵在于如何補足沒有密度測井?dāng)?shù)據(jù)的地層密度。蔚寶華［1］提出針對深水淺層和深層分別采用冪律模型和Gardner模型進(jìn)行擬合，并利用地層泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角來判定深淺層的轉(zhuǎn)化點，然而獲得這些地層力學(xué)參數(shù)是比較困難的。

筆者分別采用冪律模型（式（1））和Gardner模型（式（2））對白云凹陷深水區(qū)的地層密度進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于白云凹陷深水區(qū)，冪律模型擬合結(jié)果與實測地層密度非常吻合，并且能很好地反映深水淺部地層密度不斷增加的趨勢，同時冪律模型也不需要聲波時差或者地震層速度，十分方便。唯一不足的是，當(dāng)深度超過4 400 m之后，冪律模型擬合的地層密度會超過2.8 g/cm3，這與地層完全壓實后密度保持在2.7~2.8 g/cm3的實際情況不符合，而Gardner模型可以表征深部地層密度的這種變化特征。然而目前白云凹陷深水區(qū)開發(fā)的主要儲層為珠江組和珠海組，地層還未超過泥面以下4 400 m，因此冪律模型完全適用于擬合白云凹陷深水區(qū)的地層密度。

式中，ρ為地層密度，g/cm3； ρo為泥面地層密度，g/ cm3；Z為泥面以下深度，m。

式中，Dt為地層聲波時差，μs/ft。

如何評估上覆巖層壓力計算的準(zhǔn)確性尚待研究。對于正斷層而言，上覆巖層壓力是最大地應(yīng)力，蔚寶華［1］提出淺層上覆巖層壓力等于破裂壓力，而淺層的廣義概念是泥面以下1 000 m。圖1為筆者利用冪律模型補足的密度積分后的白云凹陷深水區(qū)已鉆井的上覆巖層壓力，LH29-1-4井和LW3-1-1井淺層地漏試驗破裂值與上覆巖層壓力十分吻合，而其他井的上覆巖層壓力也比地層承壓能力實驗值高，這說明冪律模型擬合的白云凹陷深水區(qū)的上覆巖層壓力具有較高的精度。圖1的結(jié)果也說明白云凹陷從西北往東南方向，上覆巖層壓力隨著水深的增加而減小，鉆井風(fēng)險不斷增大。

圖1　上覆巖層壓力隨深度變化規(guī)律

2.2地層孔隙壓力評估

實鉆情況和地層壓力測試結(jié)果也表明，目前已鉆井都沒有遇到異常高壓，進(jìn)一步說明了高壓存在的可能性較低。為了選擇合理的孔隙壓力分析模型，筆者對比了目前比較常用的Eaton模型（式（3））和Bowers模型（式（4）），結(jié)果表明LH29-1-4井鉆井過程中沒有發(fā)生溢流或氣侵，說明使用鉆井液密度高于孔隙壓力，Eaton模型能夠如實反映LH29-1-4井的地層孔隙壓力，而Bowers模型的計算結(jié)果波動較大，并且計算結(jié)果偏大。

式中，pp為地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Sv為上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρsw為海水密度，g/cm3；Dt為實測聲波時差值，μs/ft；Dtml為正常聲波時差值，μs/ft；H為地層深度，m。

2.3水平地應(yīng)力評估

水平地應(yīng)力分析模型包括“六五”模型、“七五”模型和應(yīng)力松弛模型等。白云凹陷為拉伸構(gòu)造盆地，地應(yīng)力相對簡單，而拉伸構(gòu)造盆地的地應(yīng)力往往較低，因此可以采用“六五”模型進(jìn)行分析，該模型最重要是確定2個地應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)。筆者根據(jù)白云凹陷已鉆井的地漏試驗得出，水平最大地應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)為0.475~0.495，水平最小地應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)為0.235~0.265。對白云凹陷深水區(qū)已鉆井的地應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行分析：白云凹陷深水區(qū)水平地應(yīng)力受水深影響很大，水深越深，水平最小地應(yīng)力和水平最大地應(yīng)力越小，井壁漏失風(fēng)險越大；另一方面，水深越深，水平地應(yīng)力差值越小，井眼越趨于力學(xué)穩(wěn)定。

根據(jù)已鉆井經(jīng)驗表明，白云凹陷深水區(qū)井眼比較穩(wěn)定，但是漏失時有發(fā)生，水平最小地應(yīng)力很低，而一般以水平最小地應(yīng)力作為漏失壓力，因此必須注意控制鉆井液密度，防止壓漏地層。

3　白云凹陷安全鉆井液密度窗口分析

深水安全鉆井液密度窗口的建立分為深和淺2個部分，深部地層成巖性強(qiáng)，采用多孔彈性理論進(jìn)行分析，淺部地層破裂壓力與上覆巖層壓力接近，而坍塌壓力計算以塑性區(qū)面積為井眼面積的1.6倍作為判斷準(zhǔn)則。

白云凹陷深水區(qū)坍塌壓力計算結(jié)果見圖2，坍塌壓力隨井深增大至1.12~1.14 g/m3，之后坍塌壓逐漸降低，坍塌壓力受水深影響不明顯。這是因為坍塌壓力受地應(yīng)力和地層強(qiáng)度雙重影響，雖然深水導(dǎo)致地應(yīng)力偏低，但是深水環(huán)境下地層壓實程度也比較低，地層強(qiáng)度偏低，因此坍塌壓力隨水深變化不明顯。

圖2　坍塌壓力隨水深變化規(guī)律

該區(qū)破裂壓力計算結(jié)果見圖3，破裂壓力隨井深增大而逐漸增大，深水環(huán)境下破裂壓力較低。破裂壓力受水深影響明顯，水深越大，破裂壓力越低。

圖3　破裂壓力隨水深變化規(guī)律

白云凹陷已鉆井除了LH30-1-1井之外，其他井的漏失速度較低，基本都低于10 m3/h，可以排除裂縫性漏失、洞穴性漏失或壓裂地層漏失，判斷為砂巖層滲透性漏失，建議提高鉆井液封堵性能。LH30-1-1井發(fā)生了嚴(yán)重漏失，漏失速度超過100 m3/h，鉆井液完全漏失，最后采用海水鉆進(jìn)。根據(jù)地質(zhì)和錄井信息判斷，LH30-1-1井鉆遇灰?guī)r斷層破碎帶導(dǎo)致漏失嚴(yán)重。白云凹陷灰?guī)r斷層破碎帶不發(fā)育，對于這種漏失首先建議地質(zhì)部門要提前給出風(fēng)險提示，其次在鉆井前要充分做好隨鉆封堵的準(zhǔn)備。

4　結(jié)論及建議

（1）利用冪律模型進(jìn)行密度擬合可以獲得精度較高的上覆巖層壓力，利用Eaton模型可以較準(zhǔn)確地分析地層孔隙壓力。

（2）白云凹陷深水區(qū)地層孔隙壓力和坍塌壓力受水深影響不明顯，地層孔隙壓力正常，坍塌壓力不大，井壁失穩(wěn)風(fēng)險較低。

（3）白云凹陷深水區(qū)地應(yīng)力和破裂壓力受水深影響明顯，水深越深，地應(yīng)力和破裂壓力越低，井壁漏失風(fēng)險增大，但是水平地應(yīng)力越均勻，井壁越穩(wěn)定。

（4）白云凹陷的漏失主要是砂巖滲透性漏失，建議提高鉆井液封堵性，對于灰?guī)r斷層破碎帶漏失，建議提前做好判斷和封堵準(zhǔn)備。

［1］蔚寶華，閆傳梁，鄧金根，等. 深水鉆井井壁穩(wěn)定性評估技術(shù)及其應(yīng)用［J］. 石油鉆采工藝，2011，33（6）：1-4.

［2］譚強(qiáng)，蔚寶華，鄧金根，等. 深水油氣田鉆井安全密度窗口計算方法［J］. 石油天然氣學(xué)報，2012，34（10）：98-100.

［3］田波. 深水鉆井安全鉆井液密度窗口確定方法研究［D］.山東東營：中國石油大學(xué)，2009.

［4］陳國俊，呂成福，王琪，等. 珠江口盆地深水區(qū)白云凹陷儲層孔隙特征及影響因素［J］. 石油學(xué)報，2010，31（4）：566-572.

［5］楊川恒，杜栩，潘和順，等. 國外深水領(lǐng)域油氣勘探新進(jìn)展及我國南海北部陸坡深水區(qū)油氣勘探潛力［J］. 地學(xué)前緣，2000，7（3）：247-256.

［6］趙淑娟，吳時國，施和生，等. 南海北部東沙運動的構(gòu)造特征及動力學(xué)機(jī)制探討［J］. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（3）：1008-1019.

［7］吳時國，姚根順，董冬冬，等. 南海北部陸坡大型氣田區(qū)天然氣水合物的成藏地質(zhì)構(gòu)造特征［J］. 石油學(xué)報，2008，29（3）：324-328.

（修改稿收到日期2014-12-29）

〔編輯薛改珍〕

Research and application of deepwater wellbore stabilization in Baiyun Depression

TIAN Zheng1, TIAN Bo1, CHEN Zijian2, DENG Jingen2, HAO Xining3
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 3. Reseach Institute of CNOOC,Beijing 100028, China）

Baiyun Depression is an important growth point of reserve in Pearl River Mouth Basin. However, due to the narrow fluid density vessel for safe deepwater drilling and high drilling risk, to accurately assess the regularity and characteristics of deepwater wellbore stabilization in Baiyun Depression is essential the further development of Baiyun Depression. Considering the drilling condition and geological characteristics of the deepwater drilling in Baiyun Depression, the paper studies the formation pressure system features and concludes that the power law model and the Eaton model can provide formation density and pore pressure with higher precision and further reveal how the formation pressure system varies with the water depth, in which the crustal pressure and the bursting pressure are significantly affected by water depth. The calculated formation pressure can be used to assess the fluid density vessel for safe deepwater drilling in Baiyun Depression and the results show that there is low risk of hole collapse but high risk of losses, especially sandstone permeability loss. The research results provide an important basis for the design of deepwater drilling fluid in Baiyun Depression.

Baiyun Depression; deepwater; wellbore stabilization; formation pressure system; caving pressure; fracture pressure

TE28

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0096 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.024

“十二五”國家科技重大專項“南海北部陸坡（荔灣3-1及周邊）深水油氣田鉆采風(fēng)險評估及采氣關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2011ZX05056-001-03）；國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51434009）。

田崢，1984年生。 2010年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程學(xué)院，現(xiàn)主要從事深水鉆完井技術(shù)研究工作，深水鉆完井工程師。電話：0755-26022527。E-mail：tianzheng3@cnooc.com.cn。

引用格式：田崢，田波，陳子劍，等.白云凹陷深水區(qū)井壁穩(wěn)定性研究及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：96-98.