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深部应力场系统评价与油气井井壁稳定性分析研究

梁利喜  
【摘要】: 地应力场的正确评价是地下深部工程安全、合理、高效实施的基础。在石油工程领域,深部地应力研究是油气勘探开发的前期工程和基础工作,对推动油气勘探开发技术理论的发展、提高整体经济效益有着重要作用。本文以塔河油田为例,综合利用油气地质、地震勘探、石油工程测井及增产压裂等油气勘探开发相关资料,在深入分析地质构造、深部地质环境(孔隙压力、地层温度)、结构面发育分布以及深部地层岩石力学性能的基础上,较为系统地研究了深部应力场特征,并开展了油气井井壁失稳分析研究。取得的主要成果及认识如下: (1)综合利用岩心观察、成像测井识别等手段重点描述、评价了奥陶系地层裂缝的发育特征。结果表明:裂缝走向以北东65°~75°和32°~43°为主,次为274°~292°;倾角以高角度占优;裂缝的发育程度主要受控于构造轴部、构造高点以及断裂分布,此外地层的岩性、埋深对裂缝发育的影响也较为显著。 (2)在深入分析纵波速度模型的基础上,通过引入地层体积密度,改进了地层孔隙压力测井综合解释方法。结合实测数据利用该方法对研究工区的地层孔隙压力进行了分析评价,结果表明:塔河油田地层孔隙压力系数为0.80~1.35,平均1.10左右,属于正常压力系统;并且随地层埋深增大,总体呈增大趋势。 (3)在区域地温分析的基础上,基于实测数据研究了工区的地层温度分布特征,结果表明:工区地温梯度为1.91~2.73℃/m,属偏低地温系统;随地层埋深的增大,地温梯度呈现明显的线性减小趋势;在平面上,平均地温梯度呈现东部高,西部低的分布特征。 (4)通过系统分析钻井循环过程中地层、钻柱液体、环空液体之间的换热机制,依据能量平衡及传热学相关理论建立了井壁温度场分析模型。应用该模型分析了钻井循环过程中井壁温度的分布特征,具体表现为同温点之下各深度点井壁温度低于原始地层温度,同温点上部则相反,井底处井壁温度降低幅度最大;并研究了循环时间、地温梯度、地层热传导率以及井深对井壁温度分布的影响。 (5)综合利用岩石力学试验测试及石油工程测井分析两种技术手段,研究了深部地层岩石不同围压、温度条件下的变形破坏特征;基于石油工程测井计算分析结果,研究评价了工区地层岩石力学参数的空间分布特征,结果表明:纵向上,随地层埋深的增大、地层岩石力学参数总体增大趋势明显;平面上,地层岩石的弹性模量、抗压强度总体表现出北高南低的分布特征。 (6)在区域应力分析的基础上,综合应用人工裂缝实时检测、钻井诱导缝分析以及井壁崩落分析三种技术手段对研究工区的深部应力场方向进行了系统分析研究。研究工区现今应力场主要受控于区域应力构造作用,水平最大主应力优势方向为NE40°~NE65°。 (7)导出了不同完井方式下的水平最大主应力反演计算模型,完善了基于油气井增产压裂资料反演分析深部地应力的系统方法体系;15口井的增产压裂资料分析表明:在研究工区分析深度范围(5440~6100m)内,水平最大主应力大小为108.0~129.0MPa;水平最小主应力为77.0~107.0MPa;分析井段深度三个主应力的大小关系为σ_v≥σ_H≥σ_h,属潜在正断型应力场。 (8)探讨了有限单元法结合人工神经网络实现深部地应力场反演的基本理论思想,建立了综合应用有限单元与人工神经网络方法进行深部地应力场反演分析的研究思路及技术流程。并应用该理论方法分别以不同尺度范围对研究工区地应力场进行了二维、三维数值模拟反演分析。 (9)对深部地层井壁的力学失稳进行了分析研究:(a)系统归纳了常见井壁失稳的力学模式,并分析了各失稳模式的井周易发方位以及与钻井液密度的关系;(b)构建了完整井眼及结构面发育井眼的井壁力学失稳定量评价指数;分析了原地应力状态、地层温度扰动、地层孔隙压力、结构面发育以及井眼轨迹对井壁力学失稳的影响;(c)改进优化了现有的维持井壁稳定的钻井液安全密度评价方法及计算模型,弥补了常规方法仅靠某一种或两种失稳模式确定安全钻井液密度的不足,结果更合理、可靠。 (10)通过分析认为:层位埋深大、构造应力作用强、结构面发育以及局部地层岩石力学性能差是导致塔河油田井壁失稳的主要内因;在地应力场三维数值模拟反演、岩石力学参数空间分布分析的基础上,区域性地计算分析了安全钻井液密度,为保持井壁稳定的钻井工程设计提供了参考。


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