向朝綱,陳俊斌,楊剛

(中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院,四川 廣漢 618300)

頁巖是一種節(jié)理裂隙繁多的多裂紋介質(zhì)脆性巖石.鉆井過程中,鉆井液的侵入使近井壁帶巖石應(yīng)力狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,誘發(fā)井壁失穩(wěn)等復(fù)雜問題.針對(duì)頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題,國內(nèi)外許多學(xué)者已開展了大量研究[1-5].葛修潤等[6-8]應(yīng)用CT掃描研究了外載荷作用下脆性巖石微觀變形特征及裂紋演變規(guī)律,并指出由鉆井液侵入引起的水化膨脹和化學(xué)堿液溶蝕是誘發(fā)失穩(wěn)的主要原因.黃樽榮等[9-12]從泥頁巖力學(xué)與化學(xué)耦合角度,對(duì)井眼周應(yīng)力分布、水化應(yīng)力以及井壁坍塌周期進(jìn)行定量分析.從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā),水基防塌鉆井液替代了油基鉆井液成為頁巖氣井鉆探的首選,而維持頁巖氣井壁穩(wěn)定對(duì)水基鉆井液防塌性能的要求更高[13-15].因此,研究油基鉆井液與水基鉆井液對(duì)頁巖強(qiáng)度的影響規(guī)律,揭示水基防塌鉆井液的主要控制因素,對(duì)優(yōu)化頁巖儲(chǔ)層水基防塌鉆井液體系、完全實(shí)現(xiàn)"水替油"具有理論指導(dǎo)意義.

1 樣品制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品采自四川盆地南部下古生界志留系龍馬溪組頁巖露頭,該地層頁巖弱結(jié)構(gòu)面高度發(fā)育、易破碎,為黑色碳質(zhì)頁巖.礦物組分及理化性質(zhì)分析表明:露頭巖樣的主要礦物組分為石英、方解石和黏土礦物,脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%以上,黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.6%左右(主要為伊利石和綠泥石),有少量的伊/蒙混層,不含高嶺石和蒙脫石等膨脹性礦物;陽離子交換容量(CEC)平均為10.1 mmol/100 g,比表面積平均為10.54 m2/g,孔徑平均為3.79 nm.該頁巖屬于脆性巖石.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照GB/T 50266-1999《工程巖體實(shí)驗(yàn)方法》,將露頭制備成φ25 mmX50 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣,并將鉆取的巖心進(jìn)行端面磨平處理.采用室內(nèi)配制的油基鉆井液和水基鉆井液作為浸泡介質(zhì),2種體系均含有納米封堵材料及軟化變形封堵材料復(fù)合防塌劑.配制的水基鉆井液具有強(qiáng)封堵弱抑制性能,油基鉆井液具有強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制性能,選取蒸餾水為參照樣完全無抑制和封堵性能.鉆井液封堵性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1,結(jié)果表明,這2種鉆井液高溫高壓濾失量低,快速形成薄而致密的低滲透率濾餅,具有較強(qiáng)的封堵性能.

為了對(duì)比不同性質(zhì)的流體介質(zhì)對(duì)頁巖強(qiáng)度的影響規(guī)律,每組選取5個(gè)巖樣進(jìn)行平行組實(shí)驗(yàn).將巖樣放置于裝有上述流體介質(zhì)的老化罐中,加壓至3.5 MPa,密封后裝入滾子爐中進(jìn)行恒溫浸泡.為真實(shí)模擬頁巖儲(chǔ)層地層環(huán)境,設(shè)置浸泡溫度為120℃,圍壓分別為15,30 MPa,巖樣浸泡時(shí)間分別為5,10,15,20 d,浸泡結(jié)束后取出進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn),并對(duì)巖樣端面進(jìn)行電鏡觀察,分析其微觀力學(xué)損傷以及裂縫演化過程.

表1 鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 頁巖力學(xué)參數(shù)的變化

脆性頁巖的力學(xué)性能受控于巖石中的弱面和外界流體的性質(zhì)[8],在外載荷下原巖樣呈脆性破壞特征,其脆性破壞方式呈現(xiàn)單個(gè)剪切破壞(圍壓15 MPa)和共軛剪切破壞(圍壓30 MPa)2種方式.圖1-3分別為不同流體浸泡后頁巖各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的變化情況.由圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,不同流體浸泡后頁巖強(qiáng)度、彈性模量均呈現(xiàn)出降低趨勢,而泊松比變化規(guī)律較差.其中:蒸餾水作用后的頁巖強(qiáng)度和彈性模量隨浸泡時(shí)間的增加而減小,10 d后其強(qiáng)度下降速度加快,肉眼可見試樣表面多條裂紋相互交錯(cuò).油基鉆井液和水基鉆井液浸泡后,頁巖強(qiáng)度參數(shù)變化趨勢基本相同.隨著浸泡時(shí)間增加,其抗壓強(qiáng)度和彈性模量先后經(jīng)歷了降低、增大,之后趨于平緩的變化過程,最終彈性模量降低了18.7%(油基鉆井液)和19.8%(水基鉆井液),且肉眼可見裂紋處有封堵隔離帶形成.

圖1 不同流體浸泡后頁巖強(qiáng)度變化情況

圖2 不同流體浸泡后頁巖彈性模量變化情況

圖3 不同流體浸泡后頁巖泊松比變化情況

2.2 頁巖內(nèi)聚力和摩擦角的變化

鉆井液浸泡下頁巖內(nèi)聚力和摩擦角的變化規(guī)律反映了巖石強(qiáng)度特征,圖4、圖5分別為不同流體浸泡后頁巖內(nèi)聚力及摩擦角的變化情況.

由圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:蒸餾水浸泡后,頁巖內(nèi)聚力和摩擦角隨時(shí)間的增加而減小,具有封堵性能的水基鉆井液和油基鉆井液浸泡后頁巖的內(nèi)聚力先減小后增加;而摩擦角整體呈現(xiàn)下降趨勢,油基鉆井液浸泡后摩擦角波動(dòng)最大,其次是水基鉆井液.內(nèi)聚力和摩擦角的降低可能是由于流體侵入導(dǎo)致頁巖產(chǎn)生力學(xué)和化學(xué)損傷,而封堵作用可以阻止或減緩流體對(duì)頁巖強(qiáng)度的不良影響.

圖4 不同流體浸泡后頁巖內(nèi)聚力變化情況

圖5 不同流體浸泡后頁巖摩擦角變化情況

2.3 頁巖硬度的變化

巖石硬度是反映巖石抵抗外部更硬物質(zhì)壓入(侵入)其表面的能力,在一定程度上能反映巖石的強(qiáng)度特性.在模擬地層溫度(120℃)的情況下,每組實(shí)驗(yàn)選取6塊巖樣,將巖樣浸泡于各種流體中15 d后取出,對(duì)浸泡前后巖樣的硬度進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6.由圖6可知,浸泡鉆井液后的頁巖硬度有不同程度降低,蒸餾水浸泡的頁巖硬度平均降幅最大,水基鉆井液浸泡的頁巖硬度平均降幅略大于油基鉆井液.

結(jié)合宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)和巖樣肉眼觀察可知,頁巖試樣浸泡后,其物性、強(qiáng)度等參數(shù)的變化特征與流體性質(zhì)有關(guān),具有強(qiáng)抑制封堵作用的鉆井液維持巖石強(qiáng)度的能力強(qiáng).

圖6 頁巖經(jīng)過不同方式處理后的硬度變化情況

3 頁巖強(qiáng)度影響機(jī)制分析

3.1 頁巖微觀結(jié)構(gòu)特征

巖石微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀力學(xué)特征,用掃描電鏡(SEM)觀察不同流體浸泡后頁巖試樣的微觀結(jié)構(gòu)演化特征.通過宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,揭示鉆井液浸泡條件下頁巖損傷機(jī)制以及影響巖石強(qiáng)度的主要因素(見圖 7、圖 8).

由圖7可知:頁巖內(nèi)部及表面存在以礦物收縮縫和層理為主的薄弱結(jié)構(gòu),在蒸餾水浸泡初期,頁巖表面產(chǎn)生多條裂縫,且裂縫長度和裂縫密度增大;隨著浸泡時(shí)間增加,裂縫進(jìn)一步延伸、貫通,微裂紋網(wǎng)絡(luò)增大,且分叉不斷增加,形成形態(tài)復(fù)雜的裂縫網(wǎng).這是由于脆性頁巖中的裂縫在高壓流體浸泡下,流體滲透進(jìn)入裂縫內(nèi)部,在裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中,使裂縫發(fā)生擴(kuò)展、貫通[7].結(jié)合蒸餾水作用后微觀結(jié)構(gòu)特征和宏觀力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,蒸餾水浸泡下裂縫的演化特征、發(fā)育程度以及幾何特征決定了裂紋長度和數(shù)量的增加,隨頁巖強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)不斷降低,最終導(dǎo)致破裂失穩(wěn).

由圖8可知,鉆井液中封堵粒子進(jìn)入縫內(nèi),通過架橋、填充及軟化變形等方式在裂縫內(nèi)部形成封堵層.根據(jù)鉆井液失水造壁理論和微裂縫封堵原理,頁巖在水基鉆井液和油基鉆井液中存在自吸或滲透過程,導(dǎo)致流體滲入裂縫內(nèi)部,裂縫出現(xiàn)增大趨勢.隨著鉆井液的進(jìn)入和封堵粒子的堆積,在裂縫處形成內(nèi)外封堵層,阻隔了流體的進(jìn)入,且有修復(fù)缺陷的功能.3種流體浸泡后巖樣的結(jié)構(gòu)特征與流體性質(zhì)有關(guān),流體滲入裂縫內(nèi)部引起的弱結(jié)構(gòu)面增大是頁巖強(qiáng)度下降的主要原因,而封堵作用可以減緩或阻止這一趨勢.

圖7 頁巖在蒸餾水中浸泡前后的微觀特征

圖8 微裂縫在鉆井液中浸泡后形成的封堵層微觀特征

3.2 "水力劈裂效應(yīng)"引起的力學(xué)損傷

水基鉆井液和油基鉆井液與頁巖接觸時(shí),流體在毛細(xì)管力、滲透力以及氫鍵等作用下侵入裂縫內(nèi)部,在裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中.地層裂紋產(chǎn)生"水力劈裂效應(yīng)",導(dǎo)致頁巖裂縫擴(kuò)展、頁巖強(qiáng)度降低.由斷裂力學(xué)理論可知,裂紋擴(kuò)展必須滿足應(yīng)力強(qiáng)度因子大于巖石臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子[12,14].鉆井液的侵入引起縫內(nèi)壓力改變,此時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大小與鉆井液封堵能力強(qiáng)弱有關(guān).若鉆井液能在裂縫內(nèi)部快速形成低滲透的封堵隔離帶,則能有效阻止流體壓力的傳遞,降低縫內(nèi)壓力系數(shù)和應(yīng)力強(qiáng)度因子,增強(qiáng)井壁巖石強(qiáng)度的保持能力.因此,防止產(chǎn)生"水力劈裂效應(yīng)"的有效途徑是提高鉆井液的封堵性能.

3.3 頁巖礦物引起的化學(xué)損傷

鉆井液組分與部分頁巖礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),削弱了頁巖微觀結(jié)構(gòu)的完整性,降低了頁巖宏觀力學(xué)參數(shù)值(如強(qiáng)度、內(nèi)聚力等).油基鉆井液和水基鉆井液屬于堿性體系,pH值一般在8～10,部分頁巖礦物在堿性環(huán)境下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[7-8].這些化學(xué)反應(yīng)破壞了巖石表面與內(nèi)部礦物的微觀結(jié)構(gòu)特征,特別是裂縫尖端礦物和結(jié)構(gòu)的改變,造成巖石化學(xué)損傷,從而引起頁巖的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子減小[16].水是水基鉆井液的主要組成部分,侵入頁巖內(nèi)部的自由水與頁巖中少量的混合晶層黏土礦物(如伊蒙/混層)產(chǎn)生水化反應(yīng),降低了頁巖顆粒界面的內(nèi)聚力[17],破壞了頁巖界面間的力學(xué)平衡關(guān)系,從而導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低.

通過上述分析可知,鉆井液浸泡下頁巖強(qiáng)度弱化的主要原因是鉆井液的侵入導(dǎo)致頁巖內(nèi)部的力學(xué)和化學(xué)損傷,從而引起裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加以及內(nèi)聚力降低.因此,加強(qiáng)封堵作用是阻止流體侵入,保持頁巖強(qiáng)度的最有效方式.

4 結(jié)論

1)頁巖的強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力及硬度等力學(xué)參數(shù)在不同流體中浸泡后均呈現(xiàn)降低趨勢,而泊松比、摩擦角的變化規(guī)律較差.

2)鉆井液對(duì)頁巖損傷的主要方式為"水力劈裂效應(yīng)"引起的力學(xué)損傷,以及鉆井液堿性組分溶蝕礦物引起的化學(xué)損傷.

3)對(duì)于原生微裂隙發(fā)育的頁巖地層,鉆井液防塌技術(shù)主要采用封堵固壁的方式,阻止濾液侵入和局部壓力傳遞.頁巖原生弱結(jié)構(gòu)面的修復(fù),有助于提高井壁的穩(wěn)定性,也是優(yōu)化頁巖氣井水基鉆井液體系的重要技術(shù).