張亞云，李大奇，高書陽，林永學(xué)，曾義金

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

0 引言

順北油氣田位于塔里木盆地北部，地處“兩隆”、“兩坳”之間，包含4個(gè)區(qū)塊，面積 19 979 km2，可探明地質(zhì)儲(chǔ)量17×108t，是中石化勘探開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一[1-4]。在奧陶系鉆井過程中，前期7口井鉆遇破碎帶，側(cè)鉆10余次，其中鷹山組碳酸鹽巖地層的復(fù)雜發(fā)生率達(dá)83.33%，共損失鉆井周期900余天，耗資達(dá)1.3億元。井壁坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重，掉塊多、大、硬，遇阻、卡鉆等井下事故頻發(fā)，導(dǎo)致多次回填側(cè)鉆，如順北5-3井共側(cè)鉆 4 次[5-6]。

裂縫性或破碎性等非連續(xù)結(jié)構(gòu)地層的井壁失穩(wěn)問題是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[7-12]。 Karatela 等[13-14]建立離散元數(shù)值模型，對(duì)裂縫性泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。Meng等[15-16]將裂縫性地層視為雙重孔隙介質(zhì)，分別運(yùn)用有限元和解析方法獲得了井周應(yīng)力分布。朱榮東等[17]運(yùn)用地層裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化，來判斷井壁失穩(wěn)情況。趙志國[18]基于裂縫性失穩(wěn)模型，分析了順北1井區(qū)桑塔木組火成巖侵入體的井壁失穩(wěn)特征。趙向達(dá)[19]分析了層理性破碎性地層的井壁失穩(wěn)問題。梁文利[20]通過實(shí)驗(yàn)分析了涪陵破碎性頁巖的井壁失穩(wěn)機(jī)理。分析可知，目前對(duì)破碎性地層的失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，且對(duì)破碎性地層的多弱面特征及其影響規(guī)律缺乏深入研究。

針對(duì)順北油氣田奧陶系破碎性地層的井壁失穩(wěn)難題，基于X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和滾動(dòng)回收率測(cè)試等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，本文建立了考慮多弱面效應(yīng)和力化耦合作用的井壁失穩(wěn)模型，分析了該地層的井壁失穩(wěn)機(jī)理及影響因素，對(duì)順北油氣田奧陶系破碎性地層井壁穩(wěn)定控制技術(shù)具有借鑒意義。

1 基礎(chǔ)組構(gòu)特征

1.1 礦物組分特征

選用順北油氣田奧陶系破碎性地層的井下巖心，開展了XRD全巖礦物組分和分散性測(cè)試。XRD測(cè)試結(jié)果表明：破碎性地層以方解石為主（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%），黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，其中伊利石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（平均64%），巖性以硬脆礦物為主（見表1、表2）。巖石以硅質(zhì)膠結(jié)為主，方解石、白云石以塊狀或團(tuán)塊狀充填裂縫，膠結(jié)性極差，結(jié)構(gòu)松散。分散性測(cè)試結(jié)果表明：破碎性地層線膨脹率小于2.5%，碳酸鹽巖清水分散回收率大于90%，并且熱滾前后巖樣未發(fā)生明顯破碎、坍塌或剝落，保持了較為完整的狀態(tài)，說明奧陶系破碎性地層水化效應(yīng)較弱。

表1 奧陶系破碎性地層全巖礦物組分特征

表2 奧陶系破碎性地層黏土礦物特征

1.2 非連續(xù)結(jié)構(gòu)特征

順北油氣田奧陶系破碎性地層巖性宏觀尺度破碎嚴(yán)重。借助SEM分析發(fā)現(xiàn)，破碎性地層巖石致密，部分巖樣微裂縫、孔隙發(fā)育，縫寬介于0.1 μm～1.0 mm，具有顯著的多尺度非連續(xù)結(jié)構(gòu)特征。

借助XRD，SEM和滾動(dòng)回收率等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合井下巖心觀察及成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析可知：奧陶系破碎性地層以方解石等碳酸鹽礦物為主，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，水化分散和膨脹能力弱，但受構(gòu)造作用影響，巖性宏觀尺度破碎嚴(yán)重，且微裂縫發(fā)育，是井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。同時(shí)，雖然奧陶系破碎性地層黏土水化能力弱，但具有一定的溶蝕損傷現(xiàn)象，且多尺度非連續(xù)結(jié)構(gòu)的存在，為流體侵入地層提供了大量通道；因此，非黏土水化型水巖損傷作用也是井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

2 井壁失穩(wěn)模型

2.1 多弱面強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則

弱面（層理、頁理或天然構(gòu)造縫）的存在將顯著降低巖石強(qiáng)度，其對(duì)巖石強(qiáng)度的影響可稱為巖石強(qiáng)度的各向異性。僅包含1組弱面的巖體，其強(qiáng)度的大小取決于弱面軟弱程度以及弱面法向與主應(yīng)力方向的關(guān)系。然而，破碎性地層往往包含多組弱面且處于流體環(huán)境中。因此，基于單弱面的破壞失效模型不能充分解釋順北油氣田奧陶系破碎性地層的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，需要建立在流體作用下包含多組弱面的破碎性地層的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則[21]。

2.2 遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力轉(zhuǎn)換

遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力轉(zhuǎn)換是指從主應(yīng)力坐標(biāo)系（PCS）轉(zhuǎn)換至井眼坐標(biāo)系（BCS）[22]。首先，遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力從 PCS 轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)系（GCS）（見圖1a）。GCS定義為xg正軸指向北、yg正軸指向東、zg正軸指向地。

圖1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

式中：σg為 GCS下的遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力張量，MPa；σp為 PCS下的遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力張量，MPa；αs為水平最大主應(yīng)力的方位角，（°）；βs為垂直主應(yīng)力反方向和zg正軸的夾角，（°）；σH為水平最大主應(yīng)力，MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa；σv為垂直主應(yīng)力，MPa。

然后，遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力從GCS轉(zhuǎn)換至BCS（見圖1b，其中 θ為井周角[23]）。

式中：σb為 BCS 下的遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力張量，MPa；αb，βb分別為 BCS 下的鉆井方位角、井斜角，（°）；σb，τb分別為BCS下的正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量，MPa；下標(biāo)x，y，z表示不同方向。

定義弱面法線方向?yàn)閤o，則GCS定義的正北方向xg與弱面法線方向xo在水平面的投影夾角為αo，即弱面傾向。地層產(chǎn)狀坐標(biāo)系（OCS）的zo軸與水平面的夾角為弱面傾角 βo，則 zg軸與 zo軸的夾角為 90°-βo（見圖1c）。

最后，將遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力從BCS轉(zhuǎn)換至OCS：

式中：σo，τo分別為OCS下的正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量，MPa。

2.3 弱面應(yīng)力分布

井壁圍巖受到遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力、孔隙壓力、鉆井液液柱壓力和徑向?yàn)V失的綜合作用。基于疊加原理，考慮鉆井液濾失作用，可確定作用在弱面上的合切應(yīng)力[22-25]。

3 坍塌壓力影響因素

選用順北油氣田某井的巖石力學(xué)參數(shù)，對(duì)影響坍塌壓力的關(guān)鍵地質(zhì)因素進(jìn)行分析（見表3）。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)

3.1 弱面組數(shù)

當(dāng)發(fā)生單一弱面破壞時(shí)，坍塌壓力當(dāng)量密度最大值由巖石本體破壞的1.08 g/cm3提高到1.73 g/cm3，同時(shí)可供安全鉆井的方位角明顯減少，定向井和水平井鉆進(jìn)均易造成井壁失穩(wěn)（見圖2）。隨弱面組數(shù)的增多，安全密度窗口變窄，且坍塌壓力云圖的非對(duì)稱性變大，說明隨著弱面組數(shù)的增多，安全鉆井的優(yōu)勢(shì)方位角與傾角，即井眼軌跡的選擇愈發(fā)重要。

圖2 不同弱面組數(shù)的井周坍塌壓力云圖

3.2 弱面產(chǎn)狀

單一弱面的井周坍塌壓力云圖依然具有較好的對(duì)稱性，但安全鉆井的方位角隨著弱面傾角增大變化顯著（見圖3，弱面方位角為 135°）。 在低弱面傾角（0°～15°）下，安全鉆井方位角介于 120°～160°或 300°～340°，且定向井和水平井鉆井均具有一定的安全密度窗口；在中弱面傾角（30°～60°）下，弱面對(duì)坍塌壓力的影響最顯著，坍塌壓力較大，且定向井和水平井的安全密度窗口很窄；在高弱面傾角（75°～90°）下，安全鉆井的方位角介于 20°～80°或 200°～260°， 且定向井和水平井的安全密度窗口較大。隨著弱面傾角由0°增大到90°，坍塌壓力呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)，再逐漸減小的趨勢(shì)（見圖4）。

圖3 單一弱面變?nèi)趺鎯A角模式下的井周坍塌壓力云圖

圖4 井周坍塌壓力隨弱面傾角的變化趨勢(shì)

3.3 弱面膠結(jié)強(qiáng)度

分別在定弱面內(nèi)摩擦角變內(nèi)聚力和定弱面內(nèi)聚力變內(nèi)摩擦角2種模式下，分析了井周坍塌壓力的變化趨勢(shì)，結(jié)果見圖5。研究表明：坍塌壓力隨弱面內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的增大而顯著降低，且內(nèi)摩擦角的影響更顯著，其降低率達(dá)53.8%；但隨弱面膠結(jié)強(qiáng)度的升高，坍塌壓力的降低率具有一定的極限，超過一定限度之后，即轉(zhuǎn)化為巖石基質(zhì)剪切破壞。

圖5 井周坍塌壓力隨弱面內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的變化

4 結(jié)論

1）奧陶系破碎性地層以方解石為主，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，水化分散和膨脹能力弱。多尺度非連續(xù)結(jié)構(gòu)和非黏土水化型水巖損傷作用是井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

2）隨弱面組數(shù)的增加，巖石強(qiáng)度的各向異性愈發(fā)顯著，坍塌壓力增大，說明安全鉆井的優(yōu)勢(shì)方位角與傾角選擇減少，即井眼軌跡的選擇與控制難度增大。

3）隨著弱面傾角增大，安全鉆井的方位角變化顯著。隨著弱面傾角由0°增大到90°，坍塌壓力呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)，再逐漸減小的趨勢(shì)。

4）坍塌壓力隨弱面內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的增大而顯著降低，且內(nèi)摩擦角的影響更顯著；但隨弱面膠結(jié)強(qiáng)度的升高，坍塌壓力的降低率具有一定的極限。