范 宇，王佳珺，劉厚彬，吳鵬程，高德偉，王旭東

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610000；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 長(zhǎng)寧 644000)

0 引 言

中國(guó)頁巖氣資源非常豐富，可采資源量約為25×1012m3，其中，3 500 m以深的深層頁巖氣資源量占總資源量的65%以上。深層頁巖力學(xué)性能特征及復(fù)雜載荷下井壁損傷破壞規(guī)律與淺層頁巖有所區(qū)別，深層頁巖脆性更強(qiáng)，脆性礦物(石英、方解石等)含量達(dá)到50%～70%，在井底復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)下易產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫[1-3]。針對(duì)頁巖地層井壁失穩(wěn)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作：丁乙等[4]基于頁巖理化室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及力學(xué)參數(shù),建立了井壁穩(wěn)定力化耦合模型；王翔等[5]應(yīng)用電鏡掃描、X衍射、膨脹分散性實(shí)驗(yàn)及巖石力學(xué)測(cè)試等方法,對(duì)儲(chǔ)層段泥巖礦物組構(gòu)和理化性能進(jìn)行了研究；陳卓等[6]將微裂縫視為硬脆性泥頁巖的損傷,通過隨機(jī)函數(shù)確定微裂縫的分布,將損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)相結(jié)合，建立了硬脆性泥頁巖的損傷本構(gòu)模型；劉凱都等[7]建立力學(xué)-化學(xué)耦合作用下井壁周圍應(yīng)力分布模型,研究井周應(yīng)力分布和坍塌壓力的時(shí)間效應(yīng)。梁利喜等[8]分析了井壁穩(wěn)定影響因素，并建立了硬脆性頁巖井壁穩(wěn)定模型。Darley[9]根據(jù)頁巖與水作用前后的表觀特征對(duì)硬脆性泥頁巖進(jìn)行定義。

由于深層頁巖非均質(zhì)性較強(qiáng)，部分理論研究無法解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題，尤其起下鉆時(shí)井壁易坍塌問題。因此，開展深層脆性頁巖鉆井液封堵性實(shí)驗(yàn)及不同卸載速度下力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，為脆性頁巖力學(xué)破壞機(jī)理研究及穩(wěn)定井壁措施的制訂提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為瀘州區(qū)塊巖體，利用室內(nèi)XRD衍射設(shè)備，系統(tǒng)測(cè)試了瀘州區(qū)塊頁巖礦物組分及其含量分布，發(fā)現(xiàn)石英含量較高，普遍為40%左右，通常該類頁巖力學(xué)強(qiáng)度較高，呈現(xiàn)“硬脆性”特征[10]。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)瀘州區(qū)塊頁巖礦物組分及其含量分布差異性較大，表明該區(qū)塊巖石各向異性較強(qiáng)。為了消除各向異性對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，通過觀察巖樣裂縫，測(cè)量聲波速度及孔隙度，將差異性較小的巖樣歸為一組并進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)[11]。

1.2 鉆井液有效封堵力學(xué)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用巖石三軸動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，模擬井下力學(xué)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)過程中可對(duì)巖石進(jìn)行加載直至破壞。該裝置安全易操作，且配置聲波測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)力、位移、應(yīng)變和聲波速度同時(shí)測(cè)量[12]。實(shí)驗(yàn)利用三軸力學(xué)儀器，將巖樣以熱縮管全包裹及只固定兩端中間裸露2種方式進(jìn)行力學(xué)加載，可分別模擬鉆井液封堵與未封堵對(duì)巖石造成的影響。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量通過巖樣的聲波速度[13]，對(duì)比巖石彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化, 以綜合評(píng)價(jià)巖石力學(xué)性能[14]。

1.3 頁巖三軸加卸載力學(xué)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)軸壓變化的情況，卸圍壓實(shí)驗(yàn)應(yīng)力變化過程可分為軸壓固定、軸壓升高和軸壓降低3種方式[15-16]。通過對(duì)瀘州區(qū)塊井下事故統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)起鉆使井壁的支撐力發(fā)生改變，導(dǎo)致圍壓變化，復(fù)雜事故頻發(fā)，而常規(guī)鉆井時(shí)井壁相對(duì)穩(wěn)定。為探究起鉆時(shí)井壁易坍塌問題，利用三軸力學(xué)儀器，保持軸壓不變，通過改變圍壓的變化速率，記錄聲波速度以明確巖石力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律[17-18]。

將2塊巖樣(Φ25 mm×50 mm)以0.089 MPa/s的速度加載軸壓至巖石強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值的80%(約33 MPa)，同時(shí)以0.110 MPa/s的速度加載圍壓至20 MPa，之后1、2號(hào)巖樣分別以0.033、0.067 MPa/s的速度卸載圍壓至結(jié)束，研究不同卸載圍壓速度對(duì)巖石力學(xué)性能的影響。

2 鉆井液的有效封堵性對(duì)頁巖力學(xué)性能的影響

通過鉆井液有效封堵力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得了巖樣強(qiáng)度、彈性模量及聲波速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效反映了巖石破壞的特征(圖1)。由圖1可知，巖石存在3個(gè)明顯的變化趨勢(shì)：①上升階段。巖石加載初始階段應(yīng)力較小，脆性頁巖內(nèi)部呈現(xiàn)壓密階段，彈性模量及聲波速度逐漸增大，但由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，其彈性模量及聲波的增大幅度逐漸減小。②平穩(wěn)階段。此階段巖石處于彈性變形階段，彈性模量及聲波變化趨于穩(wěn)定。③下降階段。此階段巖石累積了一定的損傷量，當(dāng)壓力接近巖石峰值強(qiáng)度時(shí)，脆性巖石迅速破壞，彈性模量及聲波速度也隨之急劇下降。同時(shí)，對(duì)比2種不同的巖心發(fā)現(xiàn)，包裹巖心的強(qiáng)度、彈性模量及聲波速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裸露巖心，包裹巖心抗壓強(qiáng)度接近350 MPa，彈性模量為16 000 MPa(圖1a)，而裸露巖心抗壓強(qiáng)度為40 MPa，彈性模量為6 000 MPa(圖1c)，包裹巖心強(qiáng)度約為裸露巖心的10倍，且聲波速度也比裸露巖心提高了約1 000 m/s。

圖1 鉆井液有效封堵性力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中液體侵入裸露巖心，反映鉆井過程中鉆井液在壓力作用下沿頁巖井壁微裂縫侵入地層，導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展至巖石發(fā)生破壞。而實(shí)驗(yàn)中包裹巖心強(qiáng)度大幅度增加，表明鉆井液的有效封堵可減少鉆井液侵入地層的程度，有效提高巖石強(qiáng)度，增加對(duì)井壁的支撐力，降低井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 不同卸載速度下脆性頁巖力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

通過頁巖三軸加卸載力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)力-應(yīng)變及聲波速度數(shù)據(jù)，反映巖石破壞特征，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，保持軸向力不變，當(dāng)卸載圍壓速度為0.033 MPa/s時(shí)，圍壓卸載至2.0 MPa，巖心仍未破壞(圖2a)，而當(dāng)卸載圍壓速度為0.067 MPa/s時(shí)，圍壓卸載至4.8 MPa，巖心發(fā)生破壞(圖2c)。實(shí)驗(yàn)中圍壓卸載速度反映了鉆井過程中起鉆的速度，起鉆速度過快，井底激動(dòng)壓力變化迅速，巖石承受較高的壓力，導(dǎo)致井筒與地層的壓差較大，易引起井壁崩落的現(xiàn)象[19-20]。對(duì)比聲波速度可知，由于該地區(qū)頁巖裂縫發(fā)育，在加載壓力過程中巖體起初依舊處于壓密階段，故通過巖石的聲波速度明顯增大，之后處于穩(wěn)定的彈性變化階段，隨后發(fā)生明顯下降，由最初的4 000 m/s降至2 000 m/s，表明起鉆速度過快，頁巖巖體容易發(fā)生脆性破壞從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料發(fā)現(xiàn)，起鉆速度明顯影響深層頁巖氣井水平段井底有效液柱壓力。當(dāng)起鉆速度不高于0.4 m/s時(shí),井底有效液柱壓力當(dāng)量密度變化幅度在0.02 g/cm3左右；當(dāng)起鉆速度高于0.4 m/s時(shí)，井底有效液柱壓力變化幅度增大，極大增加了井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 深層脆性頁巖破壞軌跡

將經(jīng)過卸載壓力實(shí)驗(yàn)的巖樣取出后進(jìn)行觀察(圖3)，發(fā)現(xiàn)巖石裂縫較多，巖石的破碎特征非常明顯且以劈裂破壞為主，交變載荷控制了節(jié)理裂縫角的發(fā)育特征，多數(shù)為高角度裂縫。表明巖石呈現(xiàn)脆性破壞特征，破壞前巖石已積聚一定損傷量，強(qiáng)度達(dá)到臨界點(diǎn)前，巖石內(nèi)部的裂縫迅速擴(kuò)展，在復(fù)雜載荷影響下，巖石表面呈現(xiàn)出如圖3所示的宏觀破裂面。

圖2 頁巖三軸加卸載力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 巖樣破壞照片

通過三維重構(gòu)成像X射線顯微鏡對(duì)巖心進(jìn)行壓裂前及壓裂后裂紋形態(tài)可視化分析(圖4、5)。由圖4、5可知，瀘州區(qū)塊頁巖巖體裂縫的走向較為一致，且頁巖的硬脆性導(dǎo)致巖體自身存在張性微裂縫。1號(hào)巖心未發(fā)生破壞，但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后原有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展和延伸，并產(chǎn)生了新的裂縫；2號(hào)巖心經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后沿自身裂縫發(fā)生破壞，并相對(duì)1號(hào)巖心產(chǎn)生了更多的新裂縫。表明該區(qū)塊巖石在井下復(fù)雜壓力情況下，大多是沿著復(fù)雜層理面發(fā)生破壞，使得劈裂破壞面與頁巖層理縫部分重合。通過2組實(shí)驗(yàn)可知，該區(qū)塊巖體自身存在裂縫，且脆性頁巖在交變載荷作用下，增加了破裂面之間的作用力，導(dǎo)致巖體容易產(chǎn)生新裂縫，當(dāng)巖石積聚一定能量，裂縫開裂必將加劇，巖石迅速發(fā)生脆性破壞甚至多次破壞。

圖4 1號(hào)巖心實(shí)驗(yàn)前后微觀變化

圖5 2號(hào)巖心實(shí)驗(yàn)前后微觀變化

綜上所述，鉆井液封堵性好，可有效提高鉆井液對(duì)井壁巖石的支撐作用，提高井壁巖石抗破壞強(qiáng)度，而無封堵條件下巖石抗壓強(qiáng)度僅為良好封堵條件下的17.5%～22.5%。故在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，提高鉆井液有效封堵性，可提高井壁穩(wěn)定性。同時(shí)應(yīng)在鉆井過程中，嚴(yán)格控制起鉆速度，避免有效液柱壓力升高，減輕壓力波動(dòng)，避免復(fù)雜事故產(chǎn)生。

5 結(jié)論及建議

(1) 在鉆井過程中，若鉆井液封堵效果較差，壓差作用下頁巖微裂縫迅速發(fā)生擴(kuò)展，鉆井液沿裂縫侵入到地層內(nèi)部，造成孔隙壓力明顯增大，進(jìn)而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

(2) 井下復(fù)雜壓力情況下，起鉆速度過快直接影響著地層與井筒內(nèi)的壓力平衡，也是引起瀘州區(qū)塊井下阻卡、溢流等復(fù)雜事故的主要因素。

(3) 通過深層脆性頁巖破壞軌跡實(shí)驗(yàn)可知，巖石整體呈現(xiàn)脆性破壞特征，井下復(fù)雜壓力情況下，地層巖體易沿著裂縫發(fā)生破壞，使得劈裂破壞面與頁巖層理縫部分重合。

(4) 針對(duì)井下復(fù)雜情況，應(yīng)控制起鉆速度，減小壓力波動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)巖石井壁的支撐作用，有效控制井底液柱壓力，可避免復(fù)雜事故發(fā)生。同時(shí)，應(yīng)提高鉆井液封堵性能及其有效支撐力，減少壓力穿透效應(yīng)，提高井壁穩(wěn)定性。