深部應(yīng)力場系統(tǒng)評價與油氣井井壁穩(wěn)定性分析研究——以塔河油田為例.pdf

1、地應(yīng)力場的正確評價是地下深部工程安全、合理、高效實施的基礎(chǔ)。在石油工程領(lǐng)域，深部地應(yīng)力研究是油氣勘探開發(fā)的前期工程和基礎(chǔ)工作，對推動油氣勘探開發(fā)技術(shù)理論的發(fā)展、提高整體經(jīng)濟效益有著重要作用。本文以塔河油田為例，綜合利用油氣地質(zhì)、地震勘探、石油工程測井及增產(chǎn)壓裂等油氣勘探開發(fā)相關(guān)資料，在深入分析地質(zhì)構(gòu)造、深部地質(zhì)環(huán)境(孔隙壓力、地層溫度)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育分布以及深部地層巖石力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地研究了深部應(yīng)力場特征，并開展了油氣井井壁失

2、穩(wěn)分析研究。取得的主要成果及認識如下： (1)綜合利用巖心觀察、成像測井識別等手段重點描述、評價了奧陶系地層裂縫的發(fā)育特征。結(jié)果表明：裂縫走向以北東65 ～75 和32 ～43 為主，次為274 ～292 ；傾角以高角度占優(yōu)；裂縫的發(fā)育程度主要受控于構(gòu)造軸部、構(gòu)造高點以及斷裂分布，此外地層的巖性、埋深對裂縫發(fā)育的影響也較為顯著。 (2)在深入分析縱波速度模型的基礎(chǔ)上，通過引入地層體積密度，改進了地層孔隙壓力測井綜合解釋方

3、法。結(jié)合實測數(shù)據(jù)利用該方法對研究工區(qū)的地層孔隙壓力進行了分析評價，結(jié)果表明：塔河油田地層孔隙壓力系數(shù)為0.80～1.35，平均1.10左右，屬于正常壓力系統(tǒng)；并且隨地層埋深增大，總體呈增大趨勢。 (3)在區(qū)域地溫分析的基礎(chǔ)上，基于實測數(shù)據(jù)研究了工區(qū)的地層溫度分布特征，結(jié)果表明：工區(qū)地溫梯度為1.91～2.73℃/m，屬偏低地溫系統(tǒng)；隨地層埋深的增大，地溫梯度呈現(xiàn)明顯的線性減小趨勢；在平面上，平均地溫梯度呈現(xiàn)東部高，西部低的分布特

4、征。 (4)通過系統(tǒng)分析鉆井循環(huán)過程中地層、鉆柱液體、環(huán)空液體之間的換熱機制，依據(jù)能量平衡及傳熱學(xué)相關(guān)理論建立了井壁溫度場分析模型。應(yīng)用該模型分析了鉆井循環(huán)過程中井壁溫度的分布特征，具體表現(xiàn)為同溫點之下各深度點井壁溫度低于原始地層溫度，同溫點上部則相反，井底處井壁溫度降低幅度最大；并研究了循環(huán)時間、地溫梯度、地層熱傳導(dǎo)率以及井深對井壁溫度分布的影響。 (5)綜合利用巖石力學(xué)試驗測試及石油工程測井分析兩種技術(shù)手段，研究了深

5、部地層巖石不同圍壓、溫度條件下的變形破壞特征；基于石油工程測井計算分析結(jié)果，研究評價了工區(qū)地層巖石力學(xué)參數(shù)的空間分布特征，結(jié)果表明：縱向上，隨地層埋深的增大、地層巖石力學(xué)參數(shù)總體增大趨勢明顯；平面上，地層巖石的彈性模量、抗壓強度總體表現(xiàn)出北高南低的分布特征。 (6)在區(qū)域應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用人工裂縫實時檢測、鉆井誘導(dǎo)縫分析以及井壁崩落分析三種技術(shù)手段對研究工區(qū)的深部應(yīng)力場方向進行了系統(tǒng)分析研究。研究工區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場主要受控于

6、區(qū)域應(yīng)力構(gòu)造作用，水平最大主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NE40 ～NE65 。 (7)導(dǎo)出了不同完井方式下的水平最大主應(yīng)力反演計算模型，完善了基于油氣井增產(chǎn)壓裂資料反演分析深部地應(yīng)力的系統(tǒng)方法體系；15口井的增產(chǎn)壓裂資料分析表明：在研究工區(qū)分析深度范圍(5440～6100m)內(nèi)，水平最大主應(yīng)力大小為108.0～129.0MPa；水平最小主應(yīng)力為77.0～107.0MPa；分析井段深度三個主應(yīng)力的大小關(guān)系為σv≥σh≥σh，屬潛在正斷型應(yīng)力場

7、。 (8)探討了有限單元法結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)深部地應(yīng)力場反演的基本理論思想，建立了綜合應(yīng)用有限單元與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行深部地應(yīng)力場反演分析的研究思路及技術(shù)流程。并應(yīng)用該理論方法分別以不同尺度范圍對研究工區(qū)地應(yīng)力場進行了二維、三維數(shù)值模擬反演分析。 (9)對深部地層井壁的力學(xué)失穩(wěn)進行了分析研究：(a)系統(tǒng)歸納了常見井壁失穩(wěn)的力學(xué)模式，并分析了各失穩(wěn)模式的井周易發(fā)方位以及與鉆井液密度的關(guān)系；(b)構(gòu)建了完整井眼及結(jié)構(gòu)面發(fā)

8、育井眼的井壁力學(xué)失穩(wěn)定量評價指數(shù)；分析了原地應(yīng)力狀態(tài)、地層溫度擾動、地層孔隙壓力、結(jié)構(gòu)面發(fā)育以及井眼軌跡對井壁力學(xué)失穩(wěn)的影響；(c)改進優(yōu)化了現(xiàn)有的維持井壁穩(wěn)定的鉆井液安全密度評價方法及計算模型，彌補了常規(guī)方法僅靠某一種或兩種失穩(wěn)模式確定安全鉆井液密度的不足，結(jié)果更合理、可靠。 (10)通過分析認為：層位埋深大、構(gòu)造應(yīng)力作用強、結(jié)構(gòu)面發(fā)育以及局部地層巖石力學(xué)性能差是導(dǎo)致塔河油田井壁失穩(wěn)的主要內(nèi)因；在地應(yīng)力場三維數(shù)值模擬反演、巖石