梁利喜，丁 乙，劉向君，許 麗

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

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硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定滲流-力化耦合研究

梁利喜1，2，丁 乙1，2，劉向君1，2，許 麗1，2

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

硬脆性泥頁巖發(fā)育弱面結(jié)構(gòu)且具有水化特性，易造成鉆井過程中井壁失穩(wěn)問題。在室內(nèi)定量分析了鉆井液對巖石弱面強度、基體強度、孔隙空間的影響程度。基于實驗結(jié)果，利用線彈性理論和單一弱面準(zhǔn)則，建立了考慮弱面結(jié)構(gòu)、水化和滲流作用的滲流-力化耦合井壁穩(wěn)定模型。實例計算表明：弱面結(jié)構(gòu)的存在使得坍塌壓力上升；弱面結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀變化，造成坍塌壓力分布復(fù)雜，不再存在單調(diào)變化的井斜方位；滲流應(yīng)力變化對鉆井初期坍塌壓力影響較小，但在后期影響明顯。該模型能準(zhǔn)確地計算硬脆性泥頁巖地層坍塌壓力，對鉆井工程有一定指導(dǎo)意義。

硬脆性泥頁巖；井壁穩(wěn)定；坍塌壓力；力化耦合；滲流應(yīng)力

0 引 言

硬脆性泥頁巖地層的安全鉆進是鉆井領(lǐng)域的一大難點，其主要原因在于硬脆性泥頁巖發(fā)育層理弱面，且具有較強水化特性，兩者結(jié)合使得硬脆性泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性問題更加復(fù)雜[1-4]。針對該類地層井壁失穩(wěn)問題，前人做了大量的研究[5-8]，但目前對于弱面結(jié)構(gòu)、水化作用和滲流應(yīng)力共同作用下的研究較少。因此，結(jié)合以上影響因素，建立了井壁穩(wěn)定分析模型，為硬脆性泥頁巖地層鉆井設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 泥頁巖滲流-力化特性

1.1 泥頁巖力化耦合分析

研究選用中國某油田流沙港組泥頁巖，采用該層段鉆井液體系，對鉆井液作用不同時間后的巖石進行平行和垂直于層理面的剪切實驗，了解層理面與基體在鉆井液作用下的力學(xué)特性變化。剪切實驗結(jié)果顯示：層理面和基體強度下降趨勢較為一致，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均在2 d后明顯變小，后期趨于穩(wěn)定。相比巖石基體，層理面強度下降幅度較大，受鉆井液影響更為明顯。

1.2 泥頁巖滲流應(yīng)力分析

當(dāng)鉆井液滲入井壁地層，造成巖石內(nèi)部裂縫擴張延伸，流體滲流空間變大，從而產(chǎn)生滲流應(yīng)力變化。采用孔隙度變化值來衡量巖石與鉆井液作用后的內(nèi)部孔隙空間變化，對鉆井液浸泡不同時間后的巖樣進行孔隙度測量。實驗結(jié)果表明，孔隙度在前期增幅明顯，后期趨于穩(wěn)定。基于此，根據(jù)LUBINSKI[9]理論，得到井周滲流應(yīng)力場隨時間變化規(guī)律：隨鉆井時間增加，徑向應(yīng)力變大，軸向和周向應(yīng)力減?。蝗驖B流應(yīng)力變化趨勢相似，在前期變化趨勢明顯，后期趨于穩(wěn)定，與孔隙度變化趨勢具有一定對應(yīng)性。

2 泥頁巖井壁穩(wěn)定模型

井周應(yīng)力狀態(tài)是井壁穩(wěn)定性力學(xué)分析的基礎(chǔ)，任意井眼的井眼軌跡由井斜角和方位角控制，原地應(yīng)力采用三向主應(yīng)力描述。對井眼坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換，如圖1所示。視地層為橫觀各向同性和線彈性均勻連續(xù)介質(zhì)[10]，考慮滲流附加應(yīng)力，建立井壁圍巖應(yīng)力弱面-滲流耦合模型：

圖1 井眼坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

(1)

根據(jù)井周應(yīng)力分布，可知井壁主應(yīng)力為：

(2)

式中：σi、σj、σk為井壁處三向主應(yīng)力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；φ為孔隙度，%；δ為井壁滲透系數(shù)。

層理產(chǎn)狀則采用層理傾向α1和層理走向β1描述，層面法向方向矢量n為[11]：

n=sinα1cosβ1i+sinα1sinβ1j+cosα1k

(3)

基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，進行巖石破壞判斷，認為層理發(fā)育的地層存在巖石基體和層理面2種破壞模式。

巖石基體破壞模式：

(4)

層理面破壞模式：

(5)

式中：σ1、σ3分別為井壁主應(yīng)力中最大、最小主應(yīng)力，MPa；Co、C分別為基體、層理的內(nèi)聚力，MPa；φ0、φ分別為基體、層理內(nèi)摩擦角，°；ω0、ω分別為破壞面與主應(yīng)力夾角、主應(yīng)力與層理面夾角，°。

3 算例分析

利用該模型對研究工區(qū)X井進行分析，計算參數(shù)為：地層深度為2 050m，上覆巖層壓力為47MPa，最大水平地應(yīng)力為41MPa，最小水平地應(yīng)力為34MPa，孔隙壓力為24MPa，孔隙度為7.2%，泊松比為0.23。巖石力學(xué)參數(shù)采用力學(xué)實驗結(jié)果：弱面傾角為18 °，傾向與最大水平地應(yīng)力方向相差約20 °。

3.1 弱面結(jié)構(gòu)影響

采用井壁穩(wěn)定計算模型，分析層理產(chǎn)狀對坍塌壓力分布的影響。以層理傾角60 °為例，層理面走向?qū)μ鷫毫Ψ植加绊懭鐖D2所示；以層理走向60 °為例，層理面傾角對坍塌壓力分布影響如圖3所示。

由圖2、3可知：當(dāng)層理走向一定時，傾角改變，坍塌壓力隨傾角變化較為復(fù)雜且無明顯規(guī)律；在層理傾角一定時，隨著走向變化，坍塌壓力分布以走向90 °呈軸對稱。總體分析認為，層理面使得坍塌壓力分布不再如均質(zhì)地層一樣呈現(xiàn)明顯對稱性。因此，在鉆井設(shè)計中，應(yīng)該考慮層面產(chǎn)狀影響，選取合理鉆井方位，降低井壁垮塌風(fēng)險。

3.2 鉆井液影響

鉆井液對整體地層坍塌壓力影響如圖4所示。在原狀地層情況下，圖中A區(qū)域，深藍色區(qū)域顯示坍塌壓力當(dāng)量梯度在1.1g/cm3以下，處于相對安全的鉆進方向。而在B區(qū)域和C區(qū)域坍塌壓力相對較大，屬于較危險區(qū)域。隨著鉆井液作用時間增加，整體坍塌壓力上升，安全鉆井區(qū)域減小，且紅色危險區(qū)域不斷擴大。尤其在2～3d內(nèi)，坍塌壓力分布變化最為明顯。

圖2 層理走向?qū)μ鷫毫Ψ植加绊?/p>

圖3 層理傾角對坍塌壓力分布影響

圖4 鉆井液作用對坍塌壓力分布影響

基于以上分析，在該地層條件下，安全鉆井軌跡為沿井斜角80 °、方位角270 °的大部分方向。在該方向上，隨鉆井時間增加，坍塌壓力當(dāng)量梯度從約1.01g/cm3上升至1.25g/cm3左右。因此，鉆井過程中鉆井液密度應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整，從而保持井壁穩(wěn)定。

3.3 滲流應(yīng)力影響

僅考慮鉆井液作用下巖石滲流應(yīng)力變化，忽略鉆井液作用對巖石強度影響，以水平井為例，計算鉆井液作用不同時間后坍塌壓力變化(圖5)。

由圖5可知：在部分方位，滲流應(yīng)力對地層坍塌壓力影響較小，可以忽略。而在其他方位，例如在方位角90～110 °范圍內(nèi)，坍塌壓力當(dāng)量梯度呈明顯增大趨勢，最大增量能達到約0.3g/cm3。因此，若忽略滲流應(yīng)力變化，會造成部分方位坍塌壓力預(yù)測偏低，從而導(dǎo)致鉆井液密度使用不當(dāng)，不能穩(wěn)定井壁。

圖5 不同滲流應(yīng)力對坍塌壓力分布影響

3.4 實例應(yīng)用

根據(jù)該井資料，采用均質(zhì)模型、均質(zhì)-滲流、弱面模型和弱面-滲流模型進行計算(井斜角為23 °，方位角為320 °)，其中均質(zhì)、弱面模型均不考慮滲流應(yīng)力變化，分別以均質(zhì)地層和存在弱面結(jié)構(gòu)地層建立模型；而均質(zhì)-滲流和弱面-滲流模型則在以上2個模型基礎(chǔ)上，考慮滲流應(yīng)力變化的影響(圖6)。

圖6 坍塌壓力隨鉆井時間變化

由圖6可知：考慮弱面結(jié)構(gòu)后，坍塌壓力明顯上升，而滲流作用引起的坍塌壓力變化相對較小，弱面結(jié)構(gòu)是該類地層井壁失穩(wěn)的主要誘因；滲流作用對坍塌壓力的影響在鉆井初期不明顯，但隨著鉆井時間增加，影響逐漸增強。

與實際資料對比，鉆井初期鉆井液密度為1.30～1.35g/cm3，后續(xù)鉆進出現(xiàn)憋扭矩、返出泥餅及掉塊等現(xiàn)象，密度提升至1.60～1.65g/cm3后，垮塌現(xiàn)象減少。未考慮弱面結(jié)構(gòu)時，均質(zhì)模型和均質(zhì)-滲流模型計算的坍塌壓力為1.17～1.31g/cm3，明顯低于實際鉆井液密度?？紤]弱面結(jié)構(gòu)后，對比弱面模型和滲流-弱面模型，初期坍塌壓力計算結(jié)果差異較小，與實際情況吻合。但鉆井時間增加后，兩者計算結(jié)果差異增大。弱面模型計算結(jié)果僅為1.54g/cm3，滲流-弱面模型結(jié)果為1.62g/cm3，與實際情況(1.60～1.65g/cm3)吻合更好。

實例分析結(jié)果表明：與不考慮弱面和滲流應(yīng)力變化的計算模型相比，在考慮弱面結(jié)構(gòu)和滲流應(yīng)力變化后，對不同鉆井時間的地層坍塌壓力預(yù)測更為準(zhǔn)確，從而能選取合理鉆井液密度，保證井壁穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1) 弱面結(jié)構(gòu)的存在增加了地層坍塌壓力，隨著弱面結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀不同，坍塌壓力分布發(fā)生相應(yīng)變化。在傾向一定時，坍塌壓力分布以傾向90 °為軸對稱。當(dāng)走向一定時，傾向改變，坍塌壓力隨傾向變化較為復(fù)雜且無明顯規(guī)律。

(2) 單獨考慮滲流應(yīng)力影響，隨著鉆井時間增加，滲流應(yīng)力變化造成坍塌壓力上升。雖然在部分方位增加幅度很小，但整體上坍塌壓力增幅較為明顯。

(3) 不考慮弱面結(jié)構(gòu)下的計算模型結(jié)果明顯偏小。考慮弱面結(jié)構(gòu)后，與實際更為接近。但若忽略滲流應(yīng)力變化，在鉆井初期計算結(jié)果較好，隨著鉆井液作用時間增加，計算結(jié)果與實際有明顯偏差。

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編輯 孟凡勤

20151014；改回日期：20151230

國家自然科學(xué)基金重點支持項目“頁巖氣低成本高效鉆完井技術(shù)基礎(chǔ)研究”(U1262209)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目 “形成大規(guī)模壓裂縫網(wǎng)的水平井井眼軌跡優(yōu)化研究” (2014JY0092)；國家重大科技專項“測井工程應(yīng)用軟件包研發(fā)”(2011ZX05020-007-06)

梁利喜(1976-)，男，講師，2000年畢業(yè)于西南石油大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，2008年畢業(yè)于成都理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事地質(zhì)工程、非常規(guī)頁巖巖石力學(xué)研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.034

TE355.5

A

1006-6535(2016)02-0140-04