摘要：钻井施工中，合理的井底压差可以达到提速增效和保护储层的目的。为此，应用计算机仿真系统、岩石破碎学理论研究了不同压差下井底应力场分布及岩石变形状况。结果表明，与正压差相比，在负压差钻井条件下更利于井底岩石破碎，提高机械钻速。但井底压差不能无限制地降低，需要结合具体井位的地质和工程特征，在保证不发生溢流和井壁垮塌的前提下，将井底压差设计在一个合理的范围值内：在渗透性地层钻井时，静液柱压力小于地层孔隙压力时，地层流体将流入井筒，这时设计的最低液柱压力应略高于地层孔隙压力(约0.02MPa)。现场应用表明，井底压差在合理的范围内越小时，机械钻速越高。
关键词：井底压差；机械钻速；井底应力；岩石力学；破岩效率；井壁稳定
钻井施工中，合理的井底压差可以达到提速增效和保护储层的目的。这两大优点中，“提速增效”主要体现在大段非储层井段的应用、通过提高机械钻速，延长钻头寿命，还通过克服井漏，减少压差粘附卡钻来达到提速、增效、降低成本的目的。“保护储层”，在勘探钻井中有利于发现油气层，评价油气层；在开发钻井中有利于提高单井产量，提高最终采收率。
1 压差对岩石及钻井效率的影响
关于降低液柱压力或减少过平衡压差提速的机理，早在20世纪50年代开始从事室内实验研究去揭示其内在规律，所有室内实验得出的统一结论是：对所有岩石类型，减少过平衡压差或者液柱压力，都可以大幅度地提高钻速。其原因归结于两方面：①增加井底压差会使岩石的抗破碎强度和塑性增加，导致钻头的破碎效率下降；②压差越大对井底岩屑产生压持效应越显著，清除岩屑效率越差，增加了钻头重复切削的机会，导致钻速下降[1]。
1.1 井底岩石的破碎强度
岩石的破碎强度是随围压的变化而改变的。岩石强度极限随着围压的增大而增大，只是不同岩石种类有不同的增长速率。钻井过程中，钻井液密度越大，井底液柱压力就越大，岩石的破碎强度就越大，地层就越难破碎；反之相反。因此，在钻井中尽可能减少井底压力有利于降低岩石强度、提高钻速。而降低井底液柱压力的极限状态就是气体钻井。
1.2 岩石的塑脆性
在钻井过程中钻头牙齿对岩石的冲压作用，希望得到的是脆性破坏，不希望只是得到一个压入的塑性坑，而没有体积破坏。岩石塑脆性也不是同有不变的，是随着围压的增大而增大[2](图1)。这种增加不是随围压的连续变化，而存在一个明显的塑脆性转化点：当围压低于此点，岩石成脆性；当围压高于此点，岩石呈塑性。钻井时最好能将液柱压力降低到塑脆性转换点以下，使岩石呈脆性破碎，则可较大幅度提高钻速。
1.3 井底岩石的应力状态
岩层在原始埋藏状态下，有原始地应力场。对构造平缓地带，最大主应力σ1为上覆岩层的压力，两个水平主应力σ2、σ3常为最大主应力的30%至50%。当地层被揭开导致地应力分布发生变化，如果井筒内钻井液密度较高，则二次应力场的最大主应力(σ1)仍是垂向。如果采用钻井液密度较低，当液柱压力低到一定程度时，σ1、σ2、σ3的方向就会发生变化：最大主应力(σ1)会成为水平方向，垂向液柱压力或为σ2或为σ3，这种应力场是有利于井底表面破碎的。如果采用气体钻井，液柱压力几乎为零，垂向应力一定是乱(而且几乎为零)，σ1、σ2为水平主应力，这种情况是有利于井底表面破碎的[1]。
用ANSYS有限元软件模拟了井深3000m钻井液钻井和气体钻井的地层地应力(规定拉应力为正，压应力为负)，从图2、3可以看出，气体钻井时井底岩石应力值比钻井液钻井时井底岩石的应力值要小很多，比如图3中气体钻井时井底岩石的应力最小值只有8.756MPa，而钻井液钻井时，井底岩石的应力最小值约22.94MPa。根据第四强度理论得到的气体钻井时井底岩石是处于低应力状态，此条件下的岩石的强度和塑性均比较小，比较容易破坏。从图4、5分析垂直于井底方向的应力，钻井液钻井时井底为压应力，气体钻井时，井底岩石受到沿井眼轴向向上的拉应力，井底中心的拉应力大小为14.28MPa，逐渐向外围扩大，井壁处的拉应力为0.647MPa。这拉应力有“拉断岩石，使井底岩石跳离井底”的趋势。
1.4 地层孔隙压力对破岩效率的影响
无论是渗透性地层，还是非渗透性地层，负压差有利孔隙压力的释放，都有利于破碎裂纹扩展和井底净化[3]。
对渗透性地层，地层内饱和的流体可以流动(图6)。负压差条件下向外流动的流体将破碎岩屑浮起，推离井底，避免了重复破碎和产生更多的微粒。在正压差条件下，正压差下向地层内的渗流失水，首先将岩屑压在井底，之后迅速形成浅层滤饼，不但将岩屑紧紧压在井底，造成岩屑的二次破碎，而且造成液柱压力与孔隙压力之差值集中作用于井底薄层，形成该层的集中应力。
饱和有束约流体的极低渗透岩石，如泥页岩，表现为不渗透特性，但仍然有孔隙压力，只是在较小的压差作用下孔隙流体不可流动，呈束缚态。此时负压差条件下的孔隙压力相当于多孔介质岩石内部的内张力，这个内张力促使压入齿周围裂缝的产生和扩展，促使破碎的岩屑崩离井底。而在正压差条件下，则正压差作用在井底，使岩石骨架受压缩，既不利于压入齿周围裂缝的产生和扩展，也不利于破碎的岩屑脱离井底。
1.5 消除了固相微粒对钻速的影响
在正压差情况下，由于岩屑重复破碎和矿物的水相分散，钻井液中微米级固相微粒很多。这些高浓度的固相微粒是在瞬时失水推动下迅速造成井底表面堵塞、成饼的重要原因，转变了地层的渗透性。负压差下，消除了这些因素对微粒固相对机械钻速的影响[4]。
1.6 冲击破碎方式
负压差下钻头对井底冲击更频繁，在冲击载荷下，虽然岩石的破碎强度有所增加，使岩石不易破碎，但同时冲击载荷使岩石的脆性大大增加，从而有利于破碎。将冲击速度适当提高，岩石破碎强度增加不多，但其脆性大幅度增加，从而总体有利于提高破碎效率。
1.7 延长钻头寿命
Teale(1965)提出机械比能概念，Pessier和Fear(1992)通过室内实验论证了该理论的可行性，其定义为从井底地层上切除单位体积岩石所需做的功。
式中SE为比能，MJ/m3；N为转速，r/min；ROP为钻速m/h；WOB为钻压，kN；D为钻头直径，mm；T为钻头扭矩，kN·m。
因此，井底压差越小则岩石脆性越大、强度越低，在钻头前方形成了一个低应力区，有利岩石产生体积性剪切破坏，其机械比能低，对钻头的损耗要小；正压差条件下，井底岩石塑性大、强度高，在牙齿前方产生挤压性剪切破坏，岩石对牙齿的研磨性强所需的机械比能高对钻头的磨损要大。实践证明与钻井液钻井相比，气体钻井条件下，牙轮钻头的寿命会增加3～4倍，单只钻头进尺会增加8～10倍，钻同样井段所用钻头数量会减少约70%。
2 合理井底压差设计原则
确定保持井底合适的压差。因此，在设计前需要考虑以下两方面的因素[5]：①地层流体流入井筒的速度与井底压差有关，负压差过大，易造成井喷；②压差过大，易造成井壁失稳，而产生大量塌块，掩埋钻具。
2.1 防止溢流的最小钻井液密度
在渗透性地层钻井时，如果静液柱压力小于地层孔隙压力时，地层流体将流入井筒。这时设计的最低液柱压力应略高于地层孔隙压力(约0.02MPa)。因此，防止溢流的最小钻井液密度为：
式中ρm为最小钻井液密度，g/cm3；pp为地层压力，MPa；D为井深，m。
2.2 防止井壁坍塌最小液柱压力
在钻井过程中如果钻井液的密度过低也会导致井壁崩落或者垮塌，密度过大会导致井底不能安全的钻进。应用莫尔-库仑准则分析直井和水平井为了维持井壁稳定所需的最小液柱压力[6]。
2.2.1直井井壁稳定性分析
当σθ＞σz＞σr时，这时所需要的最小液柱压力为：
当σz＞σθ＞σr时，这时所需要的最小液柱压力为：
2.2.2水平井井壁稳定性分析
当σθ＞σz＞σr时，这时所需要的最小液柱压力为：
当σz＞σθ＞σr时，这时所需要的最小液柱压力为：
式(3)～(6)中σz、σθ、σr分别为上覆岩层应力、周向应力、径向应力，MPa；ph为钻井液液柱压力，MPa；β为岩石破坏面与最大主应力之间的夹角，(°)；σh为水平应力，MPa；σv为垂直应力，MPa；pp为地层压力，MPa；Co为岩石单轴抗压强度，MPa；υ为岩石泊松比；α为岩石有效应力系数。
结合以上分析，可形成如下决策图(图7)。
钻前通过对不同钻井方式下的井壁稳定性分析，在保证井壁稳定和不发生井下复杂情况的前提下尽可能地降低钻井液密度，使得岩石能在脆性状态下破坏。
3 不同压差下机械钻速对比分析
窿9井在钻井过程中遇到各种井下复杂事故，该口井采用了气体、雾化、泡沫以及钻井液钻井方式[7]。现场实践表明，井底压差越小，则机械钻速越大(图8)。因此，钻前需要认真研究该区块的地质特征以及分析工程难点，评价该区块的油、气、水分布特点和井壁稳定性效果，然后结合具体的钻井方式计算合理的井底压差来达到提速增效的目标。
4 结论
1) 地层的渗透性和孔隙压力对岩石强度影响较大，当液柱压力低于地层压力时，井底岩石在负压差下处于受拉状态，其强度和可钻性级值都较低，使得钻头破岩效率更高，井底清岩效果更好。
2) 钻前通过对不同钻井方式下的井壁稳定性分析，在保证井壁稳定和不发生井下复杂情况的前提下尽可能地降低钻井液密度，使得岩石能在脆性状态下破坏。
3) 现场实践证明，井底压差在合理的范围内越小时，机械钻速越高。
参考文献
[1] 赵业荣，孟英峰.气体钻井理论与实践[M].北京：石油工业出版社，2007.
[2] 刘希圣.钻井工艺原理：上册破岩原理[M].北京：石油工业出版社，1988.
[3] 杨谋.川西须家河组气体钻井提速潜力评价分析[D].成都：西南石油大学，2006.
[4] 林铁军，练章华，孟英峰，等.空气钻井中动态破岩有限元仿真研究[J].岩石力学与工程学报，2008，23(增刊2)：3592-3597.
[5] 刘厚彬，孟英峰，李皋，等.超深井井壁稳定性分析[J].天然气工业，2008，28(4)：67-69.
[6] 张守良，邓金根，徐显广，等.欠平衡钻井合理压差的确定技术及在新疆油田的应用[J].岩石力学与工程学报，2003，22(增刊1)：2457-2460.
[7] 郑新权.窿9井：中国石油一口高难井[M].北京：石油工业出版社，2005.
(本文作者：杨谋1 孟英峰1 李皋1 李永杰1 魏纳1 王廷民1，2 阎凯3 1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 西南石油大学；2.中国石油塔里木油田公司博士后流动站；3.中国石油塔里木油田公司)
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