基于井壁穩(wěn)定與改造效率的井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐 彤，徐 鯤，和鵬飛，于忠濤，袁洪水，袁則名

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300457）

目前在水平井鉆探過(guò)程還存在以下問(wèn)題：（1）水平井的井眼軌跡設(shè)計(jì)、優(yōu)化手段單一。水平井的軌跡設(shè)計(jì)通常正交于裂縫走向，追求最大程度鉆遇裂縫，而對(duì)所鉆遇裂縫的有效性缺乏明確認(rèn)識(shí)、系統(tǒng)研究。（2）水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)尚未系統(tǒng)考慮水平井軌跡對(duì)井壁穩(wěn)定以及后期壓裂增產(chǎn)效果的影響[1]。

1 基于地質(zhì)力學(xué)井壁失穩(wěn)分析

井壁失穩(wěn)是地應(yīng)力作用下井壁巖石發(fā)生破壞的結(jié)果，地應(yīng)力是影響水平井井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。不同方位的水平井，其井周應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力集中強(qiáng)度不同，井眼穩(wěn)定狀況不同。分析不同方位水平井的井壁穩(wěn)定性，優(yōu)化軌跡，可提高水平井的井壁穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)水平井安全快速鉆進(jìn)及安全投產(chǎn)[2，3]。

1.1 地應(yīng)力方向

根據(jù)研究區(qū)塊的歷史井?dāng)?shù)據(jù)，整理分析該區(qū)塊實(shí)測(cè)地應(yīng)力方向數(shù)據(jù)，得出設(shè)計(jì)井的最大水平地應(yīng)力方位角。

1.2 安全密度窗口與水平延伸方位角的關(guān)系

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)，可得到研究區(qū)塊的應(yīng)力云圖，用以分析坍塌壓力、破裂壓力與井斜角、方位角的關(guān)系曲線。基于關(guān)系曲線，分析出坍塌壓力最小，破裂壓力最大，鉆井液安全密度窗口最大時(shí)的水平延伸最優(yōu)方位角，避免發(fā)生井壁失穩(wěn)[4]。

2 水力裂縫與天然裂縫溝通的井眼方位優(yōu)選

地應(yīng)力直接影響天然裂縫的起裂，控制天然裂縫在地下的發(fā)育。通常裂縫的張開(kāi)程度越大、延伸越遠(yuǎn)，裂縫導(dǎo)流能力則越強(qiáng)、有效性越好。因此，裂縫的有效性可由裂縫開(kāi)度表示，而裂縫開(kāi)度變化取決于裂縫面的法向應(yīng)力狀態(tài)，法向應(yīng)力若為張應(yīng)力，則利于裂縫開(kāi)啟；反之，若法向應(yīng)力為壓應(yīng)力，則裂縫面趨于閉合，有效性就差。裂縫面的閉合量取決于天然裂縫方向與應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系[5]。

2.1 裂縫面應(yīng)力狀態(tài)

原地應(yīng)力狀態(tài)下，垂直裂縫面的正應(yīng)力[6]：

式中：σfn-裂縫面正應(yīng)力，MPa；σn-有效應(yīng)力，MPa；σH-最大水平地應(yīng)力，MPa；σh-最小水平地應(yīng)力，MPa；β-裂縫走向與水平最大主應(yīng)力夾角。

2.2 裂縫面閉合量與地應(yīng)力的關(guān)系

目前有兩種研究裂縫開(kāi)度變化與有效應(yīng)力間關(guān)系的常用方法：一種是通過(guò)測(cè)量裂縫表面的形態(tài)特征，運(yùn)用Hertz彈性接觸理論，從理論上評(píng)價(jià)有效作用應(yīng)力與裂縫變形的關(guān)系，稱(chēng)之為微觀彈性力學(xué)模型方法。另一種是經(jīng)驗(yàn)公式法，依靠物理實(shí)驗(yàn)分析，擬合裂縫閉合變形與應(yīng)力的關(guān)系曲線。這兩種方法均有其特點(diǎn)，相較而言，經(jīng)驗(yàn)公式法更直觀簡(jiǎn)單，常用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀校篏oodman雙曲線方程、指數(shù)方程、Bandis拋物線方程、二項(xiàng)指數(shù)方程等[7]。

2.3 水平延伸方位角對(duì)壓裂的影響

依據(jù)最大張應(yīng)力準(zhǔn)則可知，壓裂形成人工裂縫是井壁應(yīng)力集中、張應(yīng)力大于巖石的抗張強(qiáng)度、巖石發(fā)生拉伸破壞的結(jié)果。水平井延伸方位不同，井周應(yīng)力集中程度不同，井壁形成張應(yīng)力的趨勢(shì)、難易及大小都不同，因此儲(chǔ)層改造過(guò)程中地層起裂、形成壓裂縫的難易程度也不同；井周越容易形成張應(yīng)力，井壁張應(yīng)力越大，儲(chǔ)層改造過(guò)程中地層越易于起裂、形成壓裂縫；相反井周張應(yīng)力形成趨勢(shì)越弱，壓裂過(guò)程中，地層不容易起裂[8，9]。

分別對(duì)水平井在不同延伸方位的井周最大張應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)水平井眼與水平最大主應(yīng)力夾角從0°變化到90°時(shí)，井周張應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)。相對(duì)其他延伸方位，沿最小水平主應(yīng)力方向鉆進(jìn)，水平井井周更易形成張應(yīng)力，起裂壓力相對(duì)較低，容易壓裂形成裂縫。

3 基于井壁穩(wěn)定與高效壓裂的井眼軌跡設(shè)計(jì)方法

根據(jù)上文分析，可形成一套基于井壁穩(wěn)定與高效壓裂的水平井井眼軌跡優(yōu)化方法：

（1）分析需要設(shè)計(jì)井區(qū)的儲(chǔ)層特性，研究有效鉆遇儲(chǔ)層的井眼方位；

（2）分析計(jì)算區(qū)塊地應(yīng)力大小與方位，保證鉆井安全情況下，減小井下復(fù)雜事故，研究設(shè)計(jì)不同鉆井方位的井眼穩(wěn)定；

（3）從快速投產(chǎn)的角度，分析不同井眼方位對(duì)水平井人工裂縫的影響與壓裂施工的難易；

（4）結(jié)合研究區(qū)塊鄰井的基本情況，綜合考慮上述影響因素最終確定最優(yōu)軌跡，保證油田區(qū)塊安全、高效開(kāi)發(fā)[10-13]。

4 渤中X井軌跡優(yōu)化實(shí)例

4.1 軌跡優(yōu)化

利用基于井壁穩(wěn)定與高效壓裂的水平井井眼軌跡優(yōu)化方法，對(duì)渤中X井進(jìn)行軌跡優(yōu)化。

收集渤中地區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力方向數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，渤中地區(qū)最大水平地應(yīng)力方位為北偏東60°～70°。選取X井最大水平地應(yīng)力方位為北偏東65°。

表1 渤中地區(qū)地應(yīng)力方向統(tǒng)計(jì)

利用X井的鄰井巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得該區(qū)塊沙河街地層的應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖1）。分析可知，X井水平段延伸方位角為150°時(shí)，坍塌壓力最小，破裂壓力最大，鉆井液安全密度窗口最大。

整理分析渤中X井沙河街地層的裂縫優(yōu)勢(shì)走向及地應(yīng)力方向，可以發(fā)現(xiàn)研究裂縫發(fā)育優(yōu)勢(shì)走向與最大水平地應(yīng)力方位具有良好的一致性。為了更多的鉆遇有效天然裂縫，水平井眼應(yīng)盡可能正交于裂縫走向延伸。因此，X井的水平延伸方位角選用155°，垂直于水平最大主應(yīng)力方位。

渤中X井產(chǎn)層沙河街井段的垂直縫，采用二項(xiàng)指數(shù)關(guān)系模型分析地應(yīng)力、裂縫走向?qū)α芽p開(kāi)度的影響。沙河街地層的最大水平主應(yīng)力為1.9 g/cm3、最小水平主應(yīng)力為1.6 g/cm3、地層孔隙壓力為1.15 g/cm3。依據(jù)“沿水平最大主應(yīng)力方位延伸水平井，壓裂易形成縱向縫；沿水平最小主應(yīng)力方位延伸水平井，壓裂易形成橫向縫；斜交地應(yīng)力方位的水平井，壓裂通常形成斜交縫”的認(rèn)識(shí)，基于X井的地應(yīng)力方向，分析確定出利于形成橫向縫的水平井延伸方位角為140°～170°。

根據(jù)上述分析，X井水平延伸方位角選為155°，利用HALLIBURTON公司的Landmark軟件，使用Compass和Wellplan模塊對(duì)渤中X井三開(kāi)水平井段（215.9 mm）進(jìn)行水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤中X井水平段實(shí)際鉆進(jìn)1 145 m，工期18 d。鉆進(jìn)期間，沒(méi)有發(fā)生漏失、阻卡等井壁失穩(wěn)情況，安全鉆至完鉆井深。

該井完井階段采用多級(jí)封隔壓裂技術(shù)，累計(jì)進(jìn)行了5段壓裂，共泵入1 831 m3壓裂液、163 m3支撐劑，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求。與同產(chǎn)層的鄰井對(duì)比，測(cè)試產(chǎn)能達(dá)到了鄰井的5倍，壓裂增產(chǎn)效果較好。

5 結(jié)論

（1）基于井壁穩(wěn)定分析與水力裂縫和天然裂縫溝通的分析，總結(jié)出一套水平井井眼軌跡優(yōu)化方法。

（2）結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)，分析研究渤中區(qū)塊沙河街地層裂縫優(yōu)勢(shì)走向及地應(yīng)力方向，根據(jù)軌跡優(yōu)化方法，得出該區(qū)塊沙河街地層水平井延伸方位155°時(shí)，井壁穩(wěn)定且利于壓裂增產(chǎn)作業(yè)。

（3）渤中X井水平段延伸方位選為155°，成功實(shí)施鉆井作業(yè)，增產(chǎn)效果明顯。證明該優(yōu)化方法既能保持井壁穩(wěn)定，又可以改善壓裂效果。

圖1 渤中區(qū)塊沙河街地層水平段坍塌壓力（左）與破裂壓力（右）變化