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文档简介

SPE/92531 iadc通过综合的岩石力学分析减少钻井时间E.Fjr J.Tronvoll,SPE/SINTEF T.G.Kristiansen,石油研究 SPE/BP.号命令第-M.Nes 和 P.Horsrud SPE/国家石油公司SPE/协钻井会议版权所有 2004这份文件准备在 23 日至 25 日在荷兰阿姆斯特丹举行的 SPE/协钻井发布会发表 2005年。摘要中包含的信息的下列审查提交一项 SPE/协程序委员会,由该作者的演示文稿上选择了这份文件。 这份文件的内容提出,不由石油工程师协会或国际钻井承包商协会进行审查,并要由该作者的校正。 在的材料提出,并不一定反映 SPE、 碎片、 人员或成员的任何位置。 禁止电子繁殖、 分布或任何的存储部分的本文为商业目的的石油工程师协会或国际钻井承包商协会的书面同意。 在打印复制的权限仅限于不超过 300 个字的摘要 ; 可能不复制插图。 抽象类必须包含显眼的位置以及由谁论文介绍了确认。 编写员、 SPE、 信箱 833836,理查森,TX 75083 3836,美国, 01 972 952 9435 传真。摘要通过使用的专门实验室测试、 流体-岩石相互作用和页岩物理性能的实验数据库以及利用各种实验和油田数据的综合建模方法建立了尽量减少井眼稳定性问题的工作方法。 模式模拟提供广泛的输入参数的输出结果,如井倾向泥化学岩石力学性能、 应力场和压力,形成各向异性及页岩矿物学研究。 模型输出可以用于诊断领域钻井问题,或设计钻井操作,随后。 作为一个的例子 挪威中部HP/HT近海油田以及挪威北海南部超压页岩油田的都进行分析和比较。介绍钻通过页岩井壁稳定问题广泛被称为提高钻井的时间和成本的主要因素。 以免此类问题钻井过程被为了井眼不稳定性像紧孔/卡住的管、 踢和泥损失的风险降至最低。 这种设计包括平衡崩溃和骨折压力,优化井方位和应力和力学性能方面的倾向和提高钻井过程,实现好孔清洗,尽量减少等效循环密度 (ECD) 从泥浆压力变化和浪涌/拭子影响之间的泥重量。 此外,泥组成也来积极加强井眼稳定。 通常,一个基于油泥 (OBM) 是首选,因为它可能会更好地支持低渗透井壁的孔隙流体对更有效地密封。 但是,由于例如环境约束或下垂松弛问题在高压力/高温度 (采用) 井,基于的泥浆 (水基) 有时要应用的水。 在这种情况下泥及孔隙流体之间的通信可能会降低有效支持泥导致稳定性问题。 然而,如水阶段氯化钾或钾 2 添加盐可能会提高通过化学效应 1-3 的井壁稳定。 这种影响有效地受扩散过程的影响。 这会导致依赖于时间的井眼稳定的最初稳定的钻孔后一段取决于形成与流体特性的时间可能会不稳定的感觉。 因此,它可优化的泥组成的最重要的一个给定的井。为了很好的钻井实践井设计与泥设计孔不稳定性的风险评估的重要数据需要获得。 这可通过广泛的实地数据采集和/或使用的经验数据和组合的数据库实现井稳定性与井眼清洁分析。 这方面的努力可能会大大降低钻井问题,节省成本 4。这是这项工作旨在展示不同的工具价值和提供数据的技术需要和执行足够的数据集成和井眼稳定性分析时通过页岩钻井。 我们 的 方法 体系 是 基于 工作 15 年 以上 的 研究 和 发展 领域 内 。 作为此专门的实验室测试和计算模型已制定了。 最后,以便使用方法的实际例子 HP/超线程中的数据字段离岸 Mid-Norway 以及挪威北海南部的超压页岩中的某个字段已应用于方法。 井壁稳定分析的方法为了进行综合的岩石力学分析的稳定泥重量窗口和及其随时间的估计的井眼稳定性的若干效果和相应数量的参数要占的已经讨论过。 这些参数与形成属性、 形成的条件及井眼数据。 我们开发了各种包括化学效应的渗透和离子交换性质,以及机械的可塑性和各向异性的这种参数占的数值模型。 以前被 Fjr 等 1 中描述这种模型。 图 1说明了与各种来源的输入数据字段执行一起使用模型的方式。 虽然各组件将在以下所述,在结构中的组件之一要求解释: 页岩数据库已生成从岩石力学和岩石物理测试主要字段页岩在过去的 15 年。 事实上敏感如何药芯焊丝在页岩,和如何核心随后保留,准备,和测试页岩属性。 为进行这些的测试服务已为代表的结果实际上可能获得。 在此数据库上的基础关系有开发相关的参数 5 之间。 在特别的是我们有推断出来对直接从样本或声波和地震数据可以更容易地获取的声波的关系。 将更多细节,一些主要的输入的参数井眼稳定模拟器和扣除其可能的来源是:形成条件。 这包括三个原位主应力,以及孔隙水压力和温度。 在另外破裂压力是所需的完整的分析。 竖向应力普遍预计从密度日志时的水平应力 (和破裂压力) 可推断的钳/成像日志和 minifrac 和泄漏-关闭/扩展无泄漏测试组合。 低渗透页岩中的孔隙压力预测,更加困难,特别是一旦互层页岩的部分接触贫化水库区。 井筒数据。这包括井倾向和方位、 泥温度和钻孔直径的氯化钠、 氯化钾,和/或钾 2 添加到泥里的水相量的泥组成。 此外包括 OBM 的其他泥系统可能包括泥输入参数的适当调整。 在这种情况下流体活动必须指定单独。形成属性。这包括机械和岩石物理参数。关键力学参数是包括强度各向异性静态弹性模量的 UCS 和摩擦角的力量。 如果提供足够的示例材料可以直接从标准的三轴试验推断这类数据。 有只小数额的材料时使用的小样本测试可利用的 6,7。 如果只钻屑,有直接对这类材料的速度测量估计这些力学性能 8 可以从我们的页岩属性数据库的关联一起使用。 更准确校准模型的特别影响的可塑性,一个可能获得一个几何形状类似于在井筒情况中遇到什么领域材料对运行空心圆柱测试。 这些都是在一个典型的外径,钻到床上用品平面的不同角度的 50 毫米的样品上运行的测试。 两种类型的测试,在运行任何: i) 围压力上升而保持孔隙水压力恒定,钻孔和该的示例的外边界或保持二) 围的应力和孔隙压力在外边界不变的同时降低钻孔压。 两例、 轴向和径向的外部压力,以及钻孔内的径向应变,进行监测。 然后可以在测试期间的井孔变形的角度确定钻孔失败。 作为一个例子。 图 2 显示了具有代表性的样本后,测试,说明如何失败可能传播到该示例。 失败的区域形状通常取决于形成和包括液,类型的测试特征样本方向,和应力路径。孔隙率、 渗透、 矿物学的膨胀的粘土矿物和阳离子交换容量 (CEC) 的数量是主要的岩石物理参数。 从示例片段的直接或间接从我们的数据库关联,可估计孔隙度。 渗透是控制稳定泥重量窗口时间依赖性的关键参数。 它可直接上插头使用例如瞬态技术测量或从巩固阶段期间插头或小样本上的机械测量间接估计。 请注意传输参数的扩散也可达到更直接的小样本流体暴露试验 Fjr 等 1 中所述。 在这种情况下样本被接触时除第一个恒定的单轴应力的特定流体轴向应变的监督。 这允许的时间常数和流体激应变振幅以及膜效率的更多特定校准和表征页岩盐水相互作用过程的其他参数。矿物学是根据确定的核心片段 (XRD) 的 x 射线衍射测量。 碎片也可用于中测定 ; 我们不过也可以使用相关性从我们的页岩数据库这种情况。挪威北海南部一个加压页岩段的分析大型油田位于挪威北海南部。 该字段是与水深约 70 米中的 81 井插槽共 4 平台开发的。 一个核心是切和广泛测试和特点和开发过程中钻,始新统中的一个特定部分站出来作为问题区域。 我们将在以下本井眼稳定性分析的各项输入的参数,并其后使用分析稳定泥重量窗口和各种泥成分和井倾向的时间依赖的井眼稳定性模拟器。 田开发已执行与 OBM,但潜在水基系统的结果还将提交连同该 OBM 盐水活性的灵敏度分析。输入数据。 典型字段数据如表 1 所示。估计的梯度的其中一个探井孔隙压力和现场讲是一起形成深度 图 3 说明了。 这个数字仅限于麻烦覆盖层部分。 该图显示了在页岩和较窄的泥重量窗口 (骨折渐变 孔隙水压力) 超压。 由于该字段位于低水平应力各向异性的正常断层应力制度此窗口将以作为函数的井筒倾向逐步收窄。 在字段中的经验是更多的时间花了孔问题始间隔的帆角已就越高。 大斜度井眼稳定性分析和现场观测的结合使用一个额外的套管柱已实际的解决办法。 一个页岩核心被砍中新世页岩约 400 米以上,水库中的字段的井。 核心广泛被岩石物理和岩石力学性能测试。 在另外两个核心模拟规模较小的钻孔故障对运行了空心圆柱测试。 空心圆柱钻了三个不同的方向,相对于页岩积层: 垂直、 平行且 30 。若要实现流体接触的时间常数的孔隙水压力和离子扩散,以及化学应变振幅影响的一个本地校准 我们还执行专用的小样本流体接触测试示例材料如 图 4 所示。 结果从 ,部分在数值模拟中使用的三个基本流体图所示: 15 w %氯化钠、 20 w %氯化钾和 16 w %钾 2。这些浓度保证匹配流体活动,这样可以更容易地确定依赖离子的影响。 实验的结果适当的考虑,从而使的有关每种类型的流体的各种扩散过程中所述的参数的定量估计的实验几何的数值模型 Fjr 等 1 。 时间常数不同,取决于流体的类型,并从而也扩散常量。 离子交换机制是由于膨胀粘土矿物含量高,这种材料的较强。 从水基移到 OBM,在外地开发的早期决定可以理解基于这些数据。离子扩散时间常数超过的孔隙压力扩散 2 数量级的注意。 这样一来流体的直接影响造成的初始的渗透过程受孔隙压力扩散,同时结合膜效率的离子扩散团结小于导致后续减少渗透的影响和可能的离子交换影响的介绍。 OBM 的情况下,我们用 1 一膜效率。数值模拟结果。 我们基于以前的输入数据,模拟使用各种泥系统的影响: OBM、 与一个盐水 OBM 相流体活动的 0.9 0.7,以及和 20 w %氯化钾和 16 w %钾 2 导致。 使用氯化钠的结果并不包括,因为该行为是一个 OBM 盐水相类似。 最后,我们的情况下,OBM 量化减至 50 C 的井温度和忽视强度各向异性的影响。 输入数据从表 1 被用作初始输入。 凡细一些其他参数同时校准附加参数是以后,调整以匹配空心圆柱的测试结果。 最后,流体的影响被占使用输入的参数推导出的小样本流体暴露试验。 通常,我们参照在不同时间步骤 0.01 至 10 天后钻井稳定泥重量窗口 的井倾向的 0、 60 和 90 。 最相关的结果将显示在什么如下。 对于基本的 OBM 情况稳定泥重量 (兆瓦) 窗口的上限超过最低水平应力 ( h)。 中波下限的时间依赖所示 图,显示随时间的轻微变化。 垂直井孔隙水压力低于下限时打开的 MW 窗口 (使用 h 为上限) 分别是仅约 0.9 兆帕斯卡 60 和 90 的倾向的 0.3 MPa。 请注意在打开的窗口的垂直明显增加也可能只利用是否从更高级别与时间慢慢地减少井的压力。 如果强度各向异性被忽视,预测的初始稳定 MW 窗口增加约 1 兆帕斯卡的下限即一倍的水平井。 减至 50 C 的井温度下限 MW 减少 0.2 0.3 MPa。 因此,强度各向异性和温度梯度的影响是很重要的斜井在这里。侧重于 90 的最关键倾向将盐水阶段添加到实现 0.7 和 0.9 的流体活动 OBM 的影响减少 MW 下限,如 图 6 中所示的时间。 窗口显然是开辟了因为生成的渗透潜力的减少孔隙水压力的时间。 这一进程的时间依赖受孔隙水压力的扩散常量。 1 天后基本稳定 MW 窗口最初等于 0.3 MPa 的一个 OBM 分别上升 0.2 和活动的 0.9 0.7,0.6mpa。 但是,请注意 MW 下限为最小的结果在一个很窄的 MW 窗口中的流体活动的非常开始增加。 这可能更容易引发一些初始的故障。20 w %氯化钾的情况下为 60 和 90 倾向下的波窗口所示 Fig.7。 OBM 则相反,波窗口关闭慢慢 MW 下限中增加的时间。 3-3.5 天后 MW 窗口关闭完全意义上的形成经历拉伸破坏。 这由诱导 K + 的形成收缩所触发-离子进入粘土矿物晶格 (见图 4),并最终导致收缩和减少了井眼附近的轴向和切向应力拉伸破坏的大离子交换职位。 失败在井筒表面,发起,并与部分受离子扩散常数的速度传播进入形成。 此外,由于要在的各向异性故障在 0 和 180 井筒因此基本上传播向上和向下的水平井的 azimuths 居中。 这说明了在这种情况下氯化钾的浓度太高可能实际上导致可能增强井壁不稳定。 不过是不明显,如何这种断裂的过程将会发展。 一种情况是这种骨折可能触发 cavings 从井壁的释放。 新材料然后暴露于在该井壁条件和破坏过程可能最终驶进形成。 但是不清楚在这种情况下它将是否有发展成一个实际稳定性问题的时间。 至于 16 w %钾 2 很初步的行为是类似于氯化钾的。 但是,约 1 天后 MW 下限已达到 h,意味着波窗口被关闭。 违反氯化钾,这由触发的钙离子的轻微胀剪切破坏导致输入粘土结构,在垂直和切向强调扩大领先和相应的增加。 这会触发故障时的 60、 120、 240 和传播到形成的 300 azimuths。HP/HT 场海洋 Mid-Norway 的分析高温高压凝析气场位于离岸 Mid-Norway。 字段将在 240-范围内的水深处的 12 地下井开发 370 米。 分析是类似于第一个页岩上执行。输入数据。 典型字段数据见表 2。估计的梯度的其中一个探井孔隙压力和现场讲所示 图,连同形成深度。 这个数字仅限于水库部分和立即上述单位。 有两个生产不页岩形成.分隔的砂岩部分 (棉线和边) 图说明了很窄的泥重量窗口 (骨折渐变 孔隙水压力) 可用于钻进和通过水库。 如果为页岩坍塌压力超过了孔隙水压力此窗口将成为更窄。两个页岩内核砂岩储集层被以在不页岩火头领域,另一个在上面的水库兰格页岩砍井在邻近的卫星。 核心广泛被岩石物理和岩石力学性能测试。 在另外两个核心模拟规模较小的钻孔故障对运行了空心圆柱测试。 空心圆柱也在这种情况下钻在三个不同的方向,相对于页岩积层: 垂直、 平行且 30 。若要实现流体接触的时间常数的孔隙水压力和离子扩散,以及化学应变振幅影响的一个本地校准,我们还上类似于做为第一个页岩样品执行专用的小样本流体接触测试。 实质上是相同的基本流体数值模拟中使用了使用: 15 w %氯化钠、 20 w %氯化钾和 16 w %钾 2。 数值模拟结果。 我们基于以前的输入数据,模拟 a.o.使用 OBM 和水基氯化钾的各种浓度的影响除了向量化的强度各向异性和井温度影响的兰格形成。 由于形成和等主管,结果数量有限却包括在这里。 表 2 中的输入的数据作为初始输入。 凡细一些其他参数同时校准附加参数是以后,调整以匹配空心圆柱的测试结果。 最后,流体的影响被占使用输入的参数推导出的小样本流体暴露试验。 每个的泥我们参照稳定泥重量窗口中,在不同的时间步骤钻井 井倾向的 0、 60 和 90 (床上用品是大约水平在这里)。它被发现页岩保持稳定在较低的稳定泥重量是比孔的压力较小的而上稳定泥重量超过破裂压力的意义上 OBM 暴露的情况下。 由于这是一个相当主管的形成,这是可以预期的情况。 减少井温度 100 或删除强度各向异性因此不惜有效 MW 窗口。 开始实施氯化钾低的稳定泥重仍然低于孔隙压力。 上稳定泥重量,但是,快速下跌到和甚至低于孔隙水压力一段时间后有效地关闭稳定泥重量窗口。 20 w %氯化钾的情况下稳定的窗口被关闭大约在 5 天后钻,根据有点后井的倾向。 至于以前的页岩这被造成的起价,井壁和传播到形成的拉伸破坏。 请注意是否浓度减至 15 w %,波窗口呆开放几乎 7 天。 再次,这说明了在这种情况下氯化钾的浓度太高可能实际上导致可能增强井壁不稳定。 讨论使用提交的数值模式的两个例子说明了一些使用集成的方法的潜力。 在特别空心圆柱的使用测试和校准的井筒行为的后续数值模拟小样本流体接触测试可以是非常有益的放到结果更有信心,并更好地解释井筒行为。 当前的数值模型允许用户更改与相关的井参数和有系统地,形成给哪些参数的概述是最重要的井壁稳定。 在一般在井筒附近页岩的行为是相当复杂和参数的数目可能会影响最终的行为。 为此,有可能被更改的几个参数。 此外,注意有还未列入在目前的数值模型的影响如 Fjr 等 1 中所述。 然而,提出了的示例不表明使用更多的信息,来源,如地震数据和取得的成绩钻屑对我们的页岩数据库相关的全部潜力。 特别是无法获得有关页岩地层从核心材料时,这将是更有意义。 实验测试方案进行提供必需的输入的数据的 HP/HT 字段和标定建模的页岩折叠: 包括大斜度井 (钻到了床上用品 sub-parallel) 的影响。 储层质量有关的新信息调用这两个储层部分近水平井的钻井时,特别是,这是在的字段中的 well-planning 过程中的一个重要因素。 为此,这说明使用集成的岩石力学分析设计钻井操作时的值。 HP/HT 例如泥化学了低影响井壁稳定由于,形成了相当主管的通知。 但是,添加太多的氯化钾可能仍触发钻孔故障这种情况下由于大模量也便于大应力变化时的材料紧张由于对离子交换过程。从挪威北海南部的超压弱页岩部分示例说明字段发展中观察到的倾斜角度的钻井问题的敏感性。 页岩盐水的互动影响了比从应付高蒙脱石内容的 HP/HT 字段页岩强。 模型显示如何不同故障触发模式是根据离子在盐水中使用的类型。 对盐水的敏感性支持操作员的决定从水基转到 OBM,早在外地生活提高油井的稳定性。 分析也说明了盐水活动中生成的渗透潜力通向 MW 下限的逐步开放的意义上 OBM 敏感性。 最后,请注意在实践中的降温泥影响是实际上为拥有一个更大的弹性模量和较大的温度梯度的 HP/HT 材料弱页岩的相对较强。 这是由于很窄弱页岩稳定波窗口。 结论我们已经提出利用提高钻井性能综合的岩石力学分析的方法。 因相关字段机电岩石物理数据可能会执行更完整、 更可靠的井眼稳定性分析。 在特别具体的空心圆柱测试和使用有关的泥系统的流体接触测试很有价值。 特别是弱的页岩的是重要斜井的情况下强度各向异性的帐户。 温度梯度也是重要的。 我们说明了,太多的氯化钾在泥里介绍可能导致由于要降低致拉伸压裂井眼墙的稳定上限的稳定泥重量窗口的减少。 这种效果的时间依赖取决于在的浓度,以及为给定的形成井的倾向。 同样地,太多的钾 2 使用可能会触发剪切破坏。 较低的活动盐水阶段添加一个 OBM 可能逐步开放稳定 MW 窗口。名称一 = 流体活动相关UCS = 无侧限的抗压强度兆帕斯卡 h = 最小水平的应力兆帕斯卡引用1。 R.M.新,Snsteb,澳- E.F:Mud 化学作用页岩中的时间延迟的井眼稳定性问题 Fjr E.,Holt,SPE/学会 78163 (2002 年)。2.么,法和黑尔 A.H.:一井眼稳定性模型几个力学和化学的钻井液页岩互动,SPE/协 25728 (1993 年)。3.皮重,U.A.、 么、 F.K,谭,联系人 l:Mitigating 井眼稳定时出现的问题在深水环境中水基泥浆钻进,OTC 14267 (2002 年)。4.Stjern,如 Horsrud,体育和敏捷 A.:改进钻井性能的 Heidrun 字段中的麻烦粘土编队,协/SPE 59219 (2000 年)。5.体育 Horsrud:评估力学性能的页岩从实证的相关性,SPEDC (2001 年 6 月) 68。6.新,Snsteb,澳- E.F.Horsrud,体育和霍尔特 R.M.:动态和静态测量毫米大小样本,SPE 47200 (1998 年)。7.新,澳 、 Snsteb,E.F.Fjr,E.和霍尔特 R.M.:小井眼稳定性分析中的页岩样本利用纸 ARMA/NARMS 04-564 海湾岩 2004年。8.新,Horsrud,澳- 体育 Snsteb E.F.,Holt R.M.Ese 上午,kland D.和 Kjrholt :台网站和实验室使用的岩屑变换声波速度测量,SPEREE (1998 年 8 月) 282。表 1-典型数据、 始页岩深度2051 米 TVD RT竖向应力41 兆帕斯卡水平应力37 级孔隙水压力32 兆帕斯卡温度85C

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