吳紀修，張永勤，梁 健，李 寬，李鑫淼，王漢寶

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

鉆井過程中井壁失穩(wěn)易造成井壁垮塌、縮徑、漏失等井下復雜情況和事故，嚴重影響了地下礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)施工效率及成本。因此，正確認識和有效評價地下圍巖特性及環(huán)境，探索井壁穩(wěn)定機理并建立預測模型，定量研究鉆井過程中合理的鉆井液安全密度窗口，是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、安全、高效和低成本鉆井的關(guān)鍵。我國學者近年在井壁穩(wěn)定性研究方面取得了一些成果，2001年，金衍和陳勉等[1]在國內(nèi)外首次提出了利用地震層速度預測坍塌壓力與破裂壓力的新理論，并利用趨勢面理論和神經(jīng)網(wǎng)絡理論分別建立了地震層速度單因素鉆前預測模型和地震層速度智能鉆前預測模型，并成功應用于鉆井液密度確定，取得了顯著的經(jīng)濟效益。2004年金衍等[2]提出了有效流體壓力的新概念，并建立了利用常規(guī)井壁穩(wěn)定力學方法預測鉆前井壁穩(wěn)定的模型和利用非線性函數(shù)曲線擬合預測鉆前井壁穩(wěn)定模型，提出了地應力測井數(shù)據(jù)反演、薄層地應力測試、以及根據(jù)工程情況簡易確定鉆井液安全密度窗口等新方法。梁利喜等[3]基于極限平衡理論，應用統(tǒng)一處理平衡方程與破壞準則，分析了井筒周圍的應力分布，進而提出了井壁坍塌和破裂評價系數(shù)。張哲等[4]應用數(shù)值方法研究了水平井徑尺寸對井壁穩(wěn)定性的影響并對鉆井液柱壓力進行了定量研究。陳朝偉等[5]以巖石強度的尺寸效應經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)，推導出坍塌壓力和破裂壓力與井眼直徑的關(guān)系并給出坍塌和破裂時的臨界鉆井液密度。

本文分別采用傳統(tǒng)計算方法和基于三維快速拉格朗日有限差分法多孔介質(zhì)流固耦合理論，抽取QK－2井147 m泥巖和砂巖互層坍塌處地質(zhì)條件建立三維數(shù)值模型，分析在滲流條件和鉆開擾動條件下井壁失穩(wěn)機理，研究鉆開擾動下井徑圍巖系統(tǒng)的應力及應變場變化規(guī)律和井眼坍塌或拉裂變形規(guī)律，為羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗井工程確定地層不坍塌(不縮徑)、不壓漏的鉆井液安全密度窗口，并為鉆井井身結(jié)構(gòu)設計提供依據(jù)。

1 羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗井QK－2井井壁失穩(wěn)概述

井壁失穩(wěn)是地層原始地應力狀態(tài)、井筒液柱壓力、地層巖石力學特性、鉆井液性能以及工程施工等多種因素綜合作用的結(jié)果。處于地層深處的巖石受上覆地層壓力、水平方向地應力及地層孔隙壓力的作用，在井眼鉆開之前，地下巖層處于應力平衡狀態(tài)，井眼鉆開以后，井內(nèi)鉆井液柱壓力取代了所鉆巖層原有對井壁的支撐作用，破壞了地層的原有應力平衡，引起井眼周圍應力重新分布，導致井壁不穩(wěn)定。包括鉆井過程中的井壁坍塌或縮徑(由于巖石的剪切破壞或塑性流動)和地層破裂或壓裂(由于巖石的拉伸破裂)2種基本類型。

根據(jù)QK－2井實鉆資料顯示，井壁失穩(wěn)主要集中在三開(67.9～154.1 m)和四開(154.1～385.85 m)。地質(zhì)資料顯示QK－2井主要鉆遇的地層為上三疊統(tǒng)土門格拉群，巖性主要以砂巖和泥巖為主。三開以后，鉆遇多個小斷層破碎帶，地下水極其發(fā)育，斷層揭開以后大量斷層泥涌入井眼，導致井眼持續(xù)坍塌，致使多次糊鉆和提鉆困難。由于砂巖地層裂隙發(fā)育滲透率高，致使地層水大量涌入鉆井液，使鉆井液的濾失量不穩(wěn)定，加入降失水劑后，泥漿性能只能維持幾個小時。從所揭露地層情況來看，自76.6 m裂隙發(fā)育，砂巖多以垂向裂隙為主，泥巖多見水平向裂隙。當鉆進到147 m出現(xiàn)泥質(zhì)粉砂巖和煤屑薄層時，上部可塑性較強、遇水崩解、孔內(nèi)掉塊嚴重，所測泥漿進口粘度為47 s，出口粘度為39 s，含砂量明顯增大，同時出現(xiàn)泵壓急劇增加導致鉆進中斷。為了恢復正常鉆進，在泥漿中加入重晶石粉使泥漿密度控制在1.2～1.3 g/cm3后，控制涌水量，穩(wěn)定泥漿性能，鉆進逐漸恢復正常。225～385 m，巖層更加破碎，砂巖和泥砂巖互層，造成孔內(nèi)多次坍塌，坍塌的掉塊難以隨鉆井液返出，造成這一井段每次起下鉆都有不同程度的卡阻現(xiàn)象。當鉆進至385 m時，下入114 mm套管至382 m，換徑后繼續(xù)鉆進。當鉆遇斷層泥時，由于泥漿的沖蝕，有時巖心采取率基本為零，重復鉆進補心時，所取出的巖心多為經(jīng)過多次研磨的掉塊，而且隨時有埋鉆的風險。為了防止更嚴重的坍塌事故，最后決定選擇速干水泥進行固井，但24 h后發(fā)現(xiàn)固井效果并不明顯，繼續(xù)鉆進仍有塌孔現(xiàn)象，進而選用無泵循環(huán)法進行清孔和鉆進，在鉆進過程中又發(fā)生卡鉆，卡鉆后經(jīng)過多次套銑等措施均無法解除卡鉆。

分析三開和四開后的井壁失穩(wěn)問題，初步發(fā)現(xiàn)砂巖和泥巖互層可能是導致井壁失穩(wěn)的主要因素。在地應力作用下泥巖會發(fā)生蠕動塑變，受鉆井液和地下孔隙水壓力作用而發(fā)生坍塌，導致砂巖失去支撐而塌落。此外，泥巖含有一定量的易水化粘土，這些粘土遇水后引起局部膨脹壓力升高，導致局部應力集中也加劇了地層失穩(wěn)。分析發(fā)現(xiàn)，地應力、孔隙水壓力和泥巖互層是導致QK－2井井壁失穩(wěn)的根本原因。地層被鉆開后，鉆井液未能迅速與地層中的地應力和孔隙水壓力建立新的平衡從而使得高地應力急劇釋放，導致高塑性泥巖蠕動變形向井眼內(nèi)擠壓縮徑，脆性巖石在失去支撐后發(fā)生崩塌掉塊從而發(fā)生卡鉆和埋鉆。

2 QK－2井基于孔隙線彈性理論鉆井液密度的確定

根據(jù)孔隙線彈性理論，在地應力、孔隙壓力和鉆井液液柱壓力聯(lián)合作用下，井壁上的有效應力分布為[5～8]:

式中:σr、σθ和 σz——分別為徑向、環(huán)向和垂向的有效應力，MPa;σH、σh——分別為水平最大和最小地應力，MPa;pp——地層孔隙壓力，MPa;v——巖石的泊松比，無量綱;θ——研究點矢徑與水平最大主應力之間的夾角，(°);α——有效應力系數(shù)(Biot系數(shù))，無量綱。

井壁坍塌是由于井內(nèi)液柱壓力較低，使井壁周圍巖石所受的應力超過了巖石本身的強度和液柱的支撐力，從而產(chǎn)生剪切破壞造成的。這是其力學原因。對于井壁坍塌判斷分析主要采用庫倫－摩爾準則，根據(jù)庫倫－摩爾準則的研究，巖石破壞時剪切面上的剪應力必須克服巖石的固有抗剪切強度(C)和作用于剪切面上的內(nèi)聚力(fσ)。

若將τ和σ用3個主應力σ1、σ2和σ3表示，則表示為:

此時，剪切應力已經(jīng)超過井壁保持穩(wěn)定的應力狀態(tài)，巖石發(fā)生剪切坍塌。當巖石孔隙中有孔隙壓力(PP)時，庫倫－摩爾準則應用有效應力表示為:

式中:φ——內(nèi)摩擦角。

將井壁坍塌的有效應力分布公式帶入庫侖—摩爾準則強度準則式(5)，便可得到保持井壁穩(wěn)定所需的鉆井液密度計算公式:

式中:H——井深，m;ρm——鉆井液密度，g/cm3;η——應力非線性修正系數(shù);σt1、σt2——分別為地層最大、最小水平地應力，MPa;K——系數(shù)，K=cot〔45°－(φ/2)〕。

根據(jù)現(xiàn)場獲得的測井數(shù)據(jù)確定地層的上覆巖層壓力、兩個水平方向主應力及地層孔隙壓力，再確定楊氏彈性模型、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等，通過上述(1)～(6)式計算出該井井壁穩(wěn)定的鉆井液密度約為1.2 g/cm3。

根據(jù)庫倫－摩爾準則得出的上述理論公式計算簡單可行，但是忽略了井壁在水壓和滲流作用下的應力變化，鉆井液密度設置低則造成井壁坍塌，如果鉆井液密度太高會引起鉆井液過度增稠，易引起漏失和鉆速下降，對油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等一系列問題。為此，在綜合分析QK－2井井壁失穩(wěn)及該井水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上進一步運用FLAC3D流固耦合理論，對QK－2井井壁失穩(wěn)機理及鉆井液安全密度窗口進行分析研究。

3 QK－2井鉆井液安全密度窗口確定的數(shù)值模擬研究

3.1 計算模型的建立

選取三開井段141.00～157.00 m井段作為研究對象。該段上部141.00～153.00 m為深灰色泥質(zhì)粉砂巖，厚度為12 m，巖心風化嚴重，局部含泥量較高;153.00～157.00 m為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，厚度為4 m，可塑性強，夾雜礫石，局部可見煤屑，遇水崩解。由于井眼幾何形狀和邊界條件的對稱性，但非軸對稱分布，可以只考慮井眼計算模型的1/4部分進行計算。圖1為理論計算模型，圖2為計算模型網(wǎng)格劃分及概化模型。

圖1 理論計算模型

圖2 井筒鉆開前和鉆開后計算模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)該區(qū)已有鉆井資料和QK－2井單井綜合評價和測井資料數(shù)據(jù)，結(jié)合QK－2井節(jié)理裂隙較發(fā)育及相關(guān)文獻對比折減選取141.00～157.00 m井段深灰色泥質(zhì)粉砂巖及153.00～157.00 m深灰色粉砂質(zhì)泥巖物理力學參數(shù)(見表1)和流體力學參數(shù)(見表2)。

表1 深灰色泥質(zhì)粉砂巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖物理力學參數(shù)

表2 模型流體力學參數(shù)

在FLAC3D計算中需要輸入剪切模量和體積模量，可分別用以下公式進行計算:

式中:G——剪切模量，MPa;E——彈性模量，MPa;v——泊松比。

3.2 本構(gòu)關(guān)系

假設深灰色泥質(zhì)砂巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖各向同性，同樣選擇彈塑性本構(gòu)模型。在數(shù)值模擬研究中，假設井眼各層地層分別為各向同性、均質(zhì)，且在水平地應力作用下，問題得到簡化，并在井眼鉆開的瞬時，考慮井眼周圍的彈塑性變形和鉆井液液柱壓力。

4 計算結(jié)果分析

4.1 井眼周圍地應力及位移分布

井眼周圍初始地應力分布云圖見圖3，井筒鉆開后井眼周圍應力及位移分布云圖見圖4～6。

圖3 井眼鉆開前井周Z方向和Y方向初始地應力分布云圖

圖4 井眼鉆開后井周Z方向和Y方向應力分布云圖

圖5 井眼鉆開后井周塑性區(qū)和X方向位移分布云圖

當鉆井液密度為1.0 g/cm3時(即為清水鉆井)，通過上述云圖分析，井眼鉆開后最大主應力向井筒周壁發(fā)展，在井筒周壁達到最大，且與井眼周圍最小主應力大概成45°夾角。在地下水滲流及鉆井液的作用下巖石強度變低，滲流引起的孔隙壓力的變化使得巖石骨架有效應力降低，并且隨著鉆井的進一步深入井筒周圍塑性區(qū)達到最大，沿井筒周圍X方向位移逐漸加大縮徑嚴重直至垮塌。

圖6 第一和第二監(jiān)測點位移變化監(jiān)測圖

4.2 鉆井液密度對井眼變形的影響

當增加鉆井液密度時，在一定程度上增加了井眼內(nèi)液柱支撐力，且隨著鉆井液含水量的減少進一步減小鉆井液對井周巖層的水化作用，從而提高井眼周圍巖石的有效應力，塑性破壞區(qū)域變小，井周巖層向井內(nèi)位移逐漸減低。如圖7所示，當鉆井液密度增加到大約1.3 g/cm3時，上部泥質(zhì)砂巖塑性區(qū)域明顯減少，但根據(jù)位移監(jiān)測1點(泥質(zhì)砂巖與上部巖層交界處監(jiān)測點)仍然有向井內(nèi)發(fā)展的位移;當鉆井密度增加到1.5 g/cm3時，泥質(zhì)砂巖塑性區(qū)域基本消失，砂質(zhì)泥巖仍有少量塑性變形區(qū)域，位移監(jiān)測點2(泥質(zhì)砂巖與砂質(zhì)泥巖交界處)仍然有向井內(nèi)發(fā)展的趨勢;當鉆井液密度增大到1.8 g/cm3時，無論是砂質(zhì)泥巖還是泥質(zhì)砂巖，都未發(fā)生向井內(nèi)的變形和位移，以及向井眼外的位移而發(fā)生拉伸破壞。此外，在一定的鉆井液密度條件下，砂巖和泥巖交界處的位移變化比較激烈，縮徑坍塌嚴重，造成每次提下鉆遇阻?？紤]到地下水滲流、巖石的各項異性和鉆井因素的影響，QK－2井141.00～157.00 m井段鉆井液安全密度窗口的下限應在1.3 g/cm3左右。

5 基于鉆井液密度控制的井壁穩(wěn)定性思考

圖7 鉆井液密度為1.3、1.5、1.8 g/cm3時井周塑性區(qū)分布圖

影響孔壁穩(wěn)定性的因素很多，巖石的力學性質(zhì)固然起著決定性的作用，但是在施工實踐中，合理選擇地層需要的優(yōu)質(zhì)泥漿，并在鉆進過程中及時調(diào)整鉆井液密度是保持井壁穩(wěn)定不可忽視的關(guān)鍵因素之一。鉆進過程中常遇到節(jié)理、斷層、裂隙比較發(fā)育的復雜地層，發(fā)生涌水、掉塊、坍塌等井下復雜情況，應在保持泥漿低失水量，提高泥漿護壁性能的條件下分別采用低固相泥漿或密度較大的泥漿。另外，在某些鉆孔中有時會出現(xiàn)對泥漿性能要求相互矛盾的情況，如漏失層要求泥漿相對密度較低以減小泥漿液柱壓力引起的漏失，坍塌層和縮徑層則要求泥漿相對密度較高，以達到平衡高地應力和減小向井徑內(nèi)應變的目的。在這種情況下應抓住問題的關(guān)鍵，先解決漏失問題，再采用相對密度較高、失水量較低的泥漿解決坍塌及縮徑。為了順利鉆穿復雜地層，應當在鉆前對地層復雜情況進行認真調(diào)查研究的基礎(chǔ)之上，準確預測地層壓力以調(diào)整鉆井液密度。并在鉆進過程中加強對泵壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭磨損、地下水位變化和取出的巖心結(jié)構(gòu)等進行觀察和綜合分析，及時判斷井內(nèi)復雜情況的變化，采取相應的技術(shù)措施進行處理[9～13]。

6 結(jié)論

(1)羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗井QK－2井井壁失穩(wěn)主要發(fā)生在泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖層。由于泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖的抗壓及抗拉強度均較低，且遇水容易發(fā)生軟化，所以易發(fā)生剪切破壞和坍塌。QK－2井多為泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，二者互為影響，進一步加劇了井眼的縮徑，增加了起下鉆具的卡阻，給該井繼續(xù)鉆進帶來了較大的困難和風險。

(2)在泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖互層段，隨著鉆井液密度的增加，井周圍巖的剪切破壞區(qū)域變小，向井內(nèi)的位移也逐漸變小，鉆井液密度增加到一定程度時，井周圍巖剪切破壞消失，如果再增加鉆井液密度，則在一定程度上發(fā)生拉伸破壞，井周圍巖位移向外發(fā)展，從而發(fā)生鉆井液漏失。

(3)羌塘盆地天然氣水合物鉆探試驗井QK－2井中，141.00～157.00 m井段鉆井液密度應在1.3～1.8 g/cm3之間。當從泥質(zhì)砂巖進入砂質(zhì)泥巖時，應稍微提高鉆井液密度，考慮該井井壁失穩(wěn)嚴重，并在385 m處被迫選用無泵法進行鉆進的情況，應在385 m解除卡鉆后再下入一層技術(shù)套管。

(4)在凍土天然氣水合物鉆井過程中，泥漿性能對鉆井效果及井壁穩(wěn)定非常重要，因此，施工過程中應及時觀測和調(diào)整泥漿性能，以便減少井壁失穩(wěn)和獲得較好的鉆井效果。

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