裸眼测试井壁失稳概率及参数敏感性分析.pdf
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1、文章编号:10007393(2023)02014308DOI:10.13639/j.odpt.2023.02.003裸眼测试井壁失稳概率及参数敏感性分析黄亮1余意1任冠龙1孟文波1郑文培2,31.中海石油(中国)有限公司湛江分公司;2.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院;3.应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室引用格式:黄亮,余意,任冠龙,孟文波,郑文培.裸眼测试井壁失稳概率及参数敏感性分析J.石油钻采工艺,2023,45(2):143-150.摘要:为保证南海高温高压区块裸眼测试期间的井壁稳定性,基于裸眼层段高温和渗流特点,结合温度应力理论和多孔渗流效应,建立了裸眼井壁渗流-温度耦
2、合应力模型。对比分析 Mohr-Coulomb 准则、Drucker-Prager 准则、Hoek-Brown 经验准则和能量破坏准则下的井壁失稳临界测试压差,并利用蒙特卡罗模拟,用正态分布和三角分布模拟岩石力学参数计算井壁失稳概率,采用Sobol 方法对临界测试压差参数进行全局敏感性分析。研究结果表明,Drucker-Prager 准则更适合作为裸眼测试井壁失稳临界测试压差计算准则,小于临界测试压差 35MPa 时已经存在井壁失稳的可能,最大水平主应力对临界测试压差起到决定性作用。裸眼测试过程中,临界测试压差与实际测试压差的差值应保持在 5MPa 以上,对于最大水平主应力变化较大的地层减小测
3、试压差,以防止发生井壁失稳。关键词:裸眼测试;井壁稳定;蒙特卡罗模拟;临界测试压差;敏感性分析中图分类号:TE21文献标识码:AAnalysis of wellbore instability probability and parameter sensitivity of openhole testingHUANGLiang1,YUYi1,RENGuanlong1,MENGWenbo1,ZHENGWenpei2,31.Zhanjiang Branch of CNOOC(China)Co.,Ltd.,Zhanjiang 524057,Guangdong,China;2.College of S
4、afety and Ocean Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;3.Key Laboratory of Oil and Gas Safety and Emergency Technology,Ministry of Emergency Management,Beijing 102249,ChinaCitation:HUANGLiang,YUYi,RENGuanlong,MENGWenbo,ZHENGWenpei.Analysisofwellboreinstabilityprobabi
5、lityandparametersensitivityofopenholetestingJ.OilDrilling&ProductionTechnology,2023,45(2):143-150.Abstract:Inviewofthehightemperatureandflowfeaturesinopenholeintervals,anopenholefluidflow-thermalcouplingstressmodelwasestablishedbasedonthethermalstresstheoryandporousmediumseepageeffect,inordertoensur
6、ethewellborestabilityduringopenholetestinginhigh-temperaturehigh-pressureblocksoftheSouthChinaSea.Thecriticaltestingdrawdownpressureofwellbore instability under the Mohr-Coulomb,Drucker-Prager,Hoek-Brown empirical criterion and energy failure criteria wasanalyzed.The Monte Carlo simulation was used
7、to calculate the wellbore instability probability,in which the rock mechanicsparameters were subjected to the normal distribution and triangular distribution.The Sobol method was used to perform globalparametersensitivityanalysisofcriticaltestingdrawdownpressure.TheresultsshowedthatDrucker-Pragercri
8、terionismoresuitableforcalculatingthecriticaltestingdrawdownpressureofwellboreinstabilityduringopenholetesting.Oncethetestingdrawdown基金项目:中海石油(中国)有限公司重大科研项目“莺琼盆地高温高压完井和测试关键技术研究”(编号:CNOOC-KJ135ZDXM24LTDZJ03)。第一作者:黄亮(1985-),2008 年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,现从事油气井完井测试工艺研究工作,工程师。通讯地址:(524057)广东省湛江市坡头区南油二区西部公司附
9、楼。电话:0759-3912468。E-mail:通讯作者:郑文培(1981-),从事海洋油气开采风险评估等方面的研究,副教授。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路 18 号。E-mail:第45卷第2期石油钻采工艺Vol.45No.22023年3月OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYMar.2023pressurereachesavaluethatis35MPabelowthecriticalvalue,thewellboreinstabilitybecomespossible.Themaximumhorizontalprincipalstressplay
10、sadecisiveroleinthecriticaltestingdrawdownpressure.Duringopenholetesting,thedifferencebetweenthecriticaltestingdrawdownpressureandtheactualvalueshallbekeptabove5MPa,andthetestingdrawdownpressureshallbereducedforformationswithvariablemaximumhorizontalprincipalstresstopreventthewellboreinstability.Key
11、 words:openholetesting;wellborestability;MonteCarlosimulation;criticaltestdrawdownpressure;sensitivityanalysis南海莺琼盆地天然气储量丰富,但该区域储层地层构造复杂,局部井底温度达到 194,地层压力梯度 2.4MPa/100m,井底压力达 142MPa,存在温度高、压力高、压力台阶高的问题,易发生井壁坍塌1。井壁稳定性问题首次提出是在 1940 年,Westergaard2通过建立井筒周围岩石的应力平衡方程,得到了井筒零内压情况下,井壁围岩应力的理论公式。现有井壁失稳研究多采用摩尔-库
12、伦准则,未同时考虑中间主应力、温度效应和渗流作用对井壁的影响。蒙特卡罗方法是可靠性分析的常用方法之一。1995 年,Dumans3对比分析了蒙特卡罗方法和模糊集方法评估井筒不稳定性,认为以蒙特卡罗为基础的概率评价方法更适合定义钻井液密度的安全范围。2014 年 Udegbunam 等4利用蒙特卡罗方法研究井壁稳定的不确定性,分析了输入参数假设的概率分布类型对输出的影响。2018 年胜亚楠等5对不同应力分布条件下,影响井壁稳定可靠度的因素进行了敏感性分析。现有的裸眼测试井壁失稳参数敏感性分析仅采用局部敏感性,未考虑各参数同时变化对井壁稳定性的影响。笔者针对莺歌海盆地储层岩性、储层高温特性和裸眼井
13、壁特性,考虑温度效应,引入多孔渗流理论,建立高温高压裸眼测试临界测试压差(以下简称临界测试压差)计算模型;结合蒙特卡罗方法和临界测试压差计算模型,分析测试层段不同测试压差下井壁发生失稳的概率,比较地层岩石力学参数在不同数学分布下,井壁坍塌概率的变化和岩石力学参数对井壁失稳的敏感性。1 裸眼测试临界测试压差计算 1.1 井壁围岩应力研究井壁稳定性的常规思路是从力学角度出发,结合岩石的基本性质,计算保证井壁附近岩石稳定的井底参数6-8。首先建立井底裸眼井壁部分的力学模型,将井眼及周围储层岩石简化为在无限大空间内有一半径为 a 的圆孔,在两个相互垂直的水平方向上受最大水平地应力和最小水平地应力作用,
14、垂直方向上受上覆海水及岩层压力,圆孔内受均匀的内压,井壁附近岩石受力情况见图 1。avbhpwpf0H图1井眼附近岩石力学模型Fig.1Near-wellborerockmechanicmodel井底岩石所受的力首先是自身地应力,这里以最大水平主应力 H、最小水平主应力 h和垂直地应力v为代表,此外还包括地层孔隙压力pf0和测试期间的井底流压 pw。为了计算井壁围岩的受力,将井壁围岩上的一点单独提出进行受力分析(见图 2)。dzrrzzrrzrz图2井壁围岩微元受力图Fig.2Infinitesimalstressdiagramoftheboreholesurroundingrock裸眼井壁应
15、力分布可表示为9r=H+h2(1a2b2)+Hh2(1+3a2b44a4b2)cos2+a2b2pw=H+h2(1+a2b2)Hh2(1+3a4b4)cos2a2b2pwz=v2(Hh)a2b2cos2(1)144石油钻采工艺2023 年3月(第45卷)第2期式中,H为最大水平主应力,MPa;h为最小水平主应力,MPa;v为垂直主应力,MPa;r为井眼径向应力,MPa;为井眼切向应力,MPa;z为井眼轴向应力,MPa;a 为井眼半径,m;b 为岩石某处距井眼中心距离,m;pw为井底流压,MPa;pf0为地层孔隙压力,MPa;为研究点矢径和 H的夹角;为泊松比。由于裸眼井壁上充满孔隙结构,不能仅
16、仅把其当作光滑无渗透的表面,必须要考虑多孔介质的影响。此外,地层测试过程中,高温地层流体经过井底进入管柱,与井底岩石发生热交换,井底岩石的温度也将改变,地层的应力分布和井壁围岩应力都会在一定程度上受到温度变化的影响,从而影响井壁的稳定性。为更好地预测井壁围岩应力状态,需要在应力模型中考虑多孔渗流和温度变化引起的应力。采用多孔渗流理论经典的有效应力原理,对井壁受力进行分析。基于 Terzaghi 的基本理论,假设:(1)增加材料外部静水压力与降低相同压力值的孔隙压力对材料的体积变化影响相同;(2)材料剪切强度与且只与法向应力和孔隙压力之间的差值有关10-11。假设地层岩石温度变化为 T,则井壁围
17、岩因温度变化引起的应力表达式为=E1tT(2)测试期间,井底温度一般低于地层温度,井底气体与井壁岩石进行热交换,井壁围岩由于温度效应产生的附加应力可表示为12-13Tr=Et11r2wrRT(r)rdrT=Et11r2wrRT(r)rdr+Et1(TWT0)Tz=Et1(TWT0)(3)在井壁表面,r=R,井壁附近岩石附加热应力场化简为T=Tz=E1tTTr=0(4)TrTTz式中,E 为地层弹性模量,MPa;t为线性膨胀系数,1/;、分别为地层温度变化引起的径向应力、周向应力和垂向应力,MPa;T(r)为井壁围岩附近温度分布函数;T0为井壁原始温度,;TW为测试时井壁温度,;T 为岩石温度变
18、化,。对于单重孔隙介质,有效应力张量计算形式为ij=ijpij(5)ij式中,为有效应力;ij为施加应力,以压应力为正;为有效应力系数,01;ij为 Kronecker 符号;p 为孔隙流体压力。井壁为可渗透材料,ij取值为 1。将多孔渗流和温度效应引起的附加应力整合到式(1)井壁围岩受力模型中,得到裸眼井渗流-温度耦合应力模型。r=H+h2(1a2b2)+Hh2(1+3a2b44a4b2)cos2+a2b2pwpf0+E1tT=H+h2(1+a2b2)Hh2(1+3a4b4)cos2a2b2pwpf0+E1tTz=v2(Hh)a2b2cos2pf0(6)1.2 临界测试压差计算从力学角度来看
19、,井壁失稳原因就是井眼内压力过低,井壁围岩所受的应力超过岩石所能承受的最大强度,使岩石发生破坏。在研究井壁失稳的问题上,基于力学原理,需要使用各种强度准则来计算井壁失稳压力,进而计算测试压差。基于对岩石破坏机制的不同认识,众多学者已经提出各种不同的破坏准则,方法多达上百种,常用的判断在特定应力状态下岩石是否发生破坏的强度准则有 Mohr-Coulomb 准则、Drucker-Prager 准则、Hoek-Brown经验准则和能量破坏准则。Mohr-Coulomb 准则认为当材料在某个平面上的剪切应力超过其剪切极限 max时,材料将发生剪切破坏14-15,但其只考虑最大、最小主应力对剪切破坏的影
20、响,计算公式为 C+f(7)Drucker-Prager准则同时考虑包括中间应力在内的 3 个主应力作用和岩石屈服过程中静水压力的影响,可以反映剪切效应引起的岩石膨胀性质,计算公式为J2C0+C1J1(8)Hoek-Brown 准则以岩石力学实验为基础,广义的 Hoek-Brown 破坏准则考虑了裂缝对岩体参数的黄亮等:裸眼测试井壁失稳概率及参数敏感性分析145降解作用16,未考虑中间主应力的约束作用17,计算公式为m=w+c(mbw/c+s)a(9)能量破坏准则从岩石储能变化的角度分析井壁稳定性,井眼内的压力低于原本井壁岩石所提供的压力,井壁围岩储能将发生变化,使井壁发生失稳18-19,计算
21、公式为Uc=w+(10)式中,为破坏面剪切应力,MPa;C 为岩石内聚力,MPa;为破坏面法相应力,MPa;f为岩石的内摩擦系数;J1为应力张量第一不变量;J2为应力偏张量第二不变量;C0和 C1为与岩石内摩擦角 和内聚力C 有关的参数;m为轴向峰值应力,MPa;w为围压,MPa;c为岩石单轴抗拉强度,MPa;s,mb和 a 为定义参数;Uc为岩石极限储能,MJ/m3;,为与岩石性质相关的常数。公式(7)(10)中的等式成立时,代表此时井壁处于临界状态,即将发生破坏。以上计算模型中,很多参数都无法直接测量,包括岩石摩擦角,岩石内聚力 C,泊松比,有效应力系数,岩石弹性模量E。在测试阶段,已经获
22、得了钻井过程中的测井数据,本研究采用测井数据确定临界测试压差计算过程中的岩石力学参数,有关计算方法见文献20-21。通过对南海 5-3 井的测井数据分析计算得到相关参数,对井深 38704060m 的测试层段进行力学分析计算,不同破坏准则下临界测试压差与井深关系见图 3。38503900395040004050410001020304050607080临界测试压差/MPa井深/mMohr-Coulomb准则Drucker-Prager准则HoekBrown准则能量破坏准则图3不同破坏准则下的临界测试压差Fig.3Criticaltestingdrawdownpressureunderdiffe
23、rentfailurecriteria由图 3 可以看出,Mohr-Coulomb 准则下临界测试压差大部分在 3040MPa 之间,临界压差数值变化较平缓;Drucker-Prager 准则计算的临界测试压差在 4060MPa 之间,与 Mohr-Coulomb 准则临界测试压差的变化规律一致;Hoek-Brown 准则计算的临界测试压差最小,在 38703880m 层段仅为 68MPa,数值变化最稳定;能量破坏准则的临界测试压差在5070MPa 之间,在4 种准则中结果最大,波动也最大。对计算结果分析发现,Hoek-Brown 强度准则计算的岩石临界测试压差最小,在 38703880m 层
24、段仅为 68MPa,而实际测试证明,该井在 40MPa 测试压差下井壁仍能保证稳定,因此该准则不适用于井壁失稳计算;能量破坏准则计算结果过大且波动明显,也不适用于裸眼测试临界测试压差计算;Mohr-Coulomb 准则和 Drucker-Prager 准则相比较而言,由于海水和上覆岩层所产生的垂直地层压力不能忽略,Drucker-Prager 准则计算中考虑包括中间应力在内的 3 个主应力作用,Mohr-Coulomb 准则只考虑两个水平主应力对岩石剪切破坏的影响,因此最终选用 Drucker-Prager 准则作为裸眼测试临界测试压差计算的准则。从图 3 中 Drucker-Prager 准
25、则下临界测试压差与井深曲线可以看出,3900m 附近开始,临界测试压差逐渐增大,经分析,此处井眼尺寸发生变化,井径突变,故井壁稳定性差;井深 4030m、4050m 处临界压差发生较大变化,4030m 处为粉砂岩与粉砂泥岩交接带,4050m 处地层为细砂岩与泥质粉砂岩交接带,地层孔隙压力发生突变,且两处分别为开始油气产出和油气消失处,岩石岩性交接变化层段井壁承受能力低,易发生井壁失稳,可见选用 Drucker-Prager 准则作为裸眼测试临界测试压差计算准则与实际情况相符。2 裸眼测试临界测试压差概率分析在临界测试压差计算过程中,各种岩石力学参数由测井数据及经验数据得出,都为确定值。在井壁围
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