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        超深層碳酸鹽巖裂縫面形態(tài)與摩擦因數(shù)研究

        2022-11-30 05:42:52潘冠昌楊斌張浩常坤馮云輝
        斷塊油氣田 2022年6期
        關(guān)鍵詞:碳酸鹽巖因數(shù)巖心

        潘冠昌 ,楊斌 ,張浩 ,常坤 ,馮云輝

        (1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059;2.中國(guó)石化茂名石化公司,廣東 茂名 525000)

        隨著我國(guó)油氣資源開(kāi)發(fā)加速向深層—超深層和非常規(guī)領(lǐng)域進(jìn)軍,鉆完井和儲(chǔ)層改造過(guò)程涉及到巖石力學(xué),特別是巖石摩擦學(xué)的工程問(wèn)題日益增多[1]。深井—超深井常鉆遇裂縫性和破碎性地層,井壁剪切破壞和掉塊垮塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高[2];儲(chǔ)層改造過(guò)程中,天然裂縫和斷層發(fā)生剪切滑移并激活,會(huì)直接影響縫網(wǎng)復(fù)雜程度和壓裂施工安全[3-4]。同時(shí),深部高地應(yīng)力、差應(yīng)力,以及改造作業(yè)產(chǎn)生的井周誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)變化,則是導(dǎo)致井周巖體沿天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移并產(chǎn)生嚴(yán)重套管變形損壞的關(guān)鍵原因[5-6]。根據(jù)摩爾-庫(kù)倫定律,天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面的摩擦特性是影響上述工程問(wèn)題或現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。

        巖體裂縫面粗糙度[7-9]、礦物組分[10-11]、溫度[12-13]、潤(rùn)滑條件[14]、斷層泥等是影響摩擦特性的關(guān)鍵因素。裂縫面形態(tài)特征決定了巖體滑動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械摩擦阻力的大小。韓文梅等[7]指出微凸體輪廓最大谷深Rm和峰高Rp是影響縫面滑動(dòng)摩擦因數(shù)的關(guān)鍵參數(shù),且隨粗糙度增加,摩擦因數(shù)呈指數(shù)規(guī)律增加。Reeves[8]指出微凸體的數(shù)量、大小、破裂特征以及接觸應(yīng)力是影響裂縫面摩擦力的主要因素,因此可根據(jù)裂縫面形貌特征計(jì)算摩擦因數(shù)。Jiang等[9]指出分形維數(shù)及y軸截距可分別表征裂縫面的粗糙度和微凸體斜率,并與摩擦因數(shù)正相關(guān)。此外,巖石礦物組分也是導(dǎo)致裂縫面摩擦特性差異的重要原因。Whittaker[10]結(jié)合蛇紋石的摩擦實(shí)驗(yàn)和礦物組分分析結(jié)果指出,蛇紋石部分礦物具有抑制縫面黏滑的作用,該類巖石更易發(fā)生穩(wěn)滑。Horn等[11]研究指出礦物的晶體結(jié)構(gòu)決定光滑礦物表面的摩擦特性,石英和長(zhǎng)石等塊狀晶體結(jié)構(gòu)礦物會(huì)增加滑動(dòng)面的摩擦因數(shù),云母和綠泥石等層狀晶體結(jié)構(gòu)礦物會(huì)減小其摩擦因數(shù)。

        川西雷口坡組碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋深超6 000 m,地應(yīng)力高,水平差應(yīng)力大,充填/未充填天然裂縫發(fā)育,鉆井過(guò)程面臨嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。但目前針對(duì)裂縫性碳酸鹽巖地層的井壁失穩(wěn)機(jī)理分析未充分考慮基質(zhì)與充填天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面的摩擦特性差異,且缺少鉆井液侵入和浸泡作用對(duì)巖石裂縫面摩擦性質(zhì)的影響研究。因此,本文選取川西雷口坡組碳酸鹽巖地層為研究對(duì)象,結(jié)合裂縫面摩擦因數(shù)測(cè)試、三維激光掃描、礦物組分和潤(rùn)濕性分析等方法,探索超深層碳酸鹽巖裂縫面摩擦因數(shù)大小和控制機(jī)理,為鉆井過(guò)程井壁剪切失穩(wěn)防控提供基礎(chǔ)支撐。

        1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

        1.1 實(shí)驗(yàn)巖樣

        本文測(cè)試巖心均來(lái)自川西坳陷廣漢-中江斜坡帶,取心段為區(qū)塊主要含氣層位——中三疊統(tǒng)雷口坡組四段,取心深度為6 197.92~6 278.58 m。雷四段碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖性致密,孔隙度為2.0%~6.0%,平均3.81%,滲透率為 3.0×10-6~63.5×10-3μm2。測(cè)試巖樣(見(jiàn)圖 1)包括未充填和充填天然裂縫巖心,以及人工裂縫巖心(切割并用200目砂紙拋光)。

        圖1 實(shí)驗(yàn)巖心

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

        摩擦因數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)前,采用光學(xué)三維形貌掃描儀系統(tǒng)(TNS)獲取裂縫面三維形態(tài)信息后進(jìn)行定量表征;然后將實(shí)驗(yàn)巖心各分為2組,一組保持干燥,另一組巖心在取心井所采的鉆井液樣品中浸泡48 h,浸泡溫度為模擬地層溫度。鉆井液浸泡前后,采用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(DSA100HP)分別測(cè)試鉆井液與裂縫面間的潤(rùn)濕接觸角。

        巖心浸泡鉆井液前后,采用自研巖石摩擦因數(shù)測(cè)試裝置(見(jiàn)圖2)測(cè)試巖石摩擦因數(shù)。步驟為:1)將半圓柱形實(shí)驗(yàn)巖心切成薄片樣品,放置在另一半圓柱形實(shí)驗(yàn)巖心上方;2)將薄片樣品連接到拉力測(cè)試系統(tǒng),在薄片樣品上固定質(zhì)量為50 g的砝碼;3)啟動(dòng)電機(jī),使薄片樣品以4.0~5.0 mm/min的速度滑動(dòng),通過(guò)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)記錄并保存摩擦力和位移數(shù)據(jù);4)根據(jù)Amontons第一定律(式(1))計(jì)算摩擦因數(shù)。

        圖2 巖石摩擦因數(shù)測(cè)試裝置示意

        式中:μf為摩擦因數(shù);Ff為傳感器記錄的拉力值,即摩擦力,N;WN為摩擦滑塊質(zhì)量,kg。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 摩擦因數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

        摩擦因素測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表1、圖3、圖4)顯示,對(duì)于未浸泡鉆井液的干燥巖心,未充填縫面巖心摩擦因數(shù)最高,拋光縫面巖心次之,充填縫面巖心最小。其中,充填縫面巖心由于充填物面積變化較大(48.7%~100%),使得摩擦因數(shù)發(fā)生明顯變化。鉆井液浸泡后,實(shí)驗(yàn)巖心的摩擦因數(shù)均有所下降。

        圖3 實(shí)驗(yàn)巖心縫面摩擦因數(shù)平均值對(duì)比

        圖4 鉆井液浸泡前后巖心摩擦因數(shù)測(cè)試曲線

        表1 鉆井液浸泡前后巖心摩擦因素測(cè)試數(shù)據(jù)

        2.2 摩擦因數(shù)影響因素

        2.2.1 裂縫面粗糙度

        圖5為巖樣裂縫面激光三維掃描視圖(上、下視圖分別表示圓柱形巖心的上、下兩個(gè)裂縫面),通過(guò)分析不同裂縫面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),以裂縫面的粗糙度系數(shù)JRC、分形維數(shù)等參數(shù)定量表征縫面形態(tài)特征。一般來(lái)說(shuō),裂縫面越粗糙,微凸體起伏程度越大,則宏觀接觸面上微凸體相互作用產(chǎn)生的機(jī)械阻力越強(qiáng),摩擦因數(shù)越大。JRC由Tse和Cruden[15]給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

        圖5 實(shí)驗(yàn)巖心裂縫面三維視圖

        式中:M為被測(cè)量的粗糙區(qū)間數(shù)目;Dx為測(cè)量樣本區(qū)間長(zhǎng)度,mm;yi,yi+1分別為第 i個(gè)、第 i+1個(gè)粗糙高度,mm。

        采用碼尺法對(duì)剖面線進(jìn)行分形測(cè)量[16]:

        式中:D為分形維數(shù),值為1~2;δ為碼尺單位長(zhǎng)度,mm;Nδ為不同碼尺單位長(zhǎng)度下測(cè)量的步數(shù)。

        由表2可知,未充填裂縫面、充填裂縫面和拋光裂縫面剖面線的平均JRC分別為9.781,3.912,1.254,平均分形維數(shù)分別為 1.096 4,1.048 9,1.036 1,未充填裂縫面比充填裂縫面更為粗糙,拋光裂縫面JRC為三者中最小。由未充填裂縫面摩擦因數(shù)與粗糙度系數(shù)的關(guān)系(見(jiàn)圖6)可以看出,天然裂縫面輪廓比人造裂縫面更為平整,而裂縫面越粗糙則摩擦因數(shù)越大。未充填裂縫面摩擦因數(shù)與JRC的關(guān)系為

        表2 實(shí)驗(yàn)巖心等距剖面線的JRC和分形維數(shù)

        圖6 未充填裂縫面摩擦因數(shù)與JRC的關(guān)系

        當(dāng)巖石發(fā)生摩擦滑動(dòng)時(shí),裂縫面越粗糙,微凸體之間的“犁耕”“騎越”和“互鎖”等相互作用越明顯[17]。超深層碳酸鹽巖天然裂縫在形成后往往經(jīng)歷多期構(gòu)造和成巖作用[18-19],無(wú)論是否被充填,裂縫輪廓都變得更為平整,微凸體遭到破壞后,裂縫面起伏減小,從而導(dǎo)致天然裂縫面摩擦因數(shù)降低。

        2.2.2 裂縫充填物

        由圖5和表2可以看出,未充填裂縫巖樣的裂縫面呈山谷狀及凹坑狀微凸體的數(shù)量明顯多于充填裂縫巖樣,說(shuō)明裂縫充填物在縫面的二次沉積及結(jié)晶能夠在一定程度上降低微凸體起伏程度和縫面粗糙度[20]。結(jié)合圖3可知,雖然充填裂縫面比拋光裂縫面更為粗糙,但摩擦因數(shù)卻比拋光裂縫面小,說(shuō)明裂縫面的礦物顆粒類型、強(qiáng)度和相互作用對(duì)裂縫面摩擦因數(shù)同樣具有顯著的影響。裂縫充填物可從表面形貌和接觸面等方面影響裂縫面的摩擦因數(shù)。

        具體來(lái)看,X衍射礦物組分測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)圖7。圖中數(shù)值為體積分?jǐn)?shù))顯示,測(cè)試巖樣基質(zhì)以白云石(88%)為主,含少量方解石及斜長(zhǎng)石;巖心裂縫充填物主要為方解石(86%),含少量白云石以及石英、斜長(zhǎng)石。摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果表明,方解石充填裂縫面摩擦因數(shù)明顯小于以白云石為主的未充填裂縫面。分析認(rèn)為:1)細(xì)觀接觸面上,白云石的晶體屬三方晶系,單一的塊狀晶體結(jié)構(gòu)使其斷裂面較為粗糙;而方解石的層狀晶體結(jié)構(gòu)有利于形成平整的斷裂面,導(dǎo)致礦物顆粒間的黏著摩擦較弱,因此充填裂縫面摩擦因數(shù)小于未充填裂縫面,這也與Horn等[11]的研究結(jié)果相符。2)宏觀力學(xué)強(qiáng)度上,壓入硬度測(cè)試顯示巖樣方解石充填層硬度僅為0.65~0.79 GPa,明顯低于基質(zhì)白云石的硬度(1.89~2.64 GPa),當(dāng)裂縫沿充填層發(fā)生剪切滑移時(shí),充填裂縫表面的微凸體更容易發(fā)生變形破壞,使裂縫表面平坦化,導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低。

        圖7 礦物組分測(cè)試結(jié)果

        選取研究層位8塊基質(zhì)巖心和2塊充填縫面巖心在50 MPa圍壓下進(jìn)行三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示,基質(zhì)巖心差應(yīng)力為140~205 MPa,充填縫面巖心差應(yīng)力為72~116 MPa,后者三軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于前者,且?guī)r心均沿充填裂縫發(fā)生剪切破壞(見(jiàn)圖8)。低摩擦因數(shù)的充填縫面巖心更容易在應(yīng)力作用下發(fā)生剪切失穩(wěn)[21]。在實(shí)際鉆井過(guò)程中,雷四段和雷三段地層也頻繁發(fā)生井壁掉塊,且?guī)r塊有沿天然裂縫滑動(dòng)的痕跡,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合[22]。

        圖8 充填縫面巖心三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

        2.2.3 鉆井液潤(rùn)滑效應(yīng)

        鉆井液浸泡后,各實(shí)驗(yàn)巖心裂縫面摩擦因數(shù)均有所下降。充填礦物白云石和方解石的主要成分CaCO3和CaMg(CO3)2都難溶于水,鉆井液浸泡及后續(xù)水化作用對(duì)裂縫面摩擦因數(shù)的影響有限[23]。而由巖心裂縫面接觸角測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,鉆井液浸泡后未充填裂縫面與鉆井液的接觸角由48.29°下降到31.40°,充填裂縫面與鉆井液的接觸角由67.74°下降到33.29°。潤(rùn)濕性的增強(qiáng)會(huì)顯著增加鉆井液在裂縫壁面的附著,形成流體薄膜[24],進(jìn)而產(chǎn)生流體潤(rùn)滑效應(yīng),起到明顯的減摩降阻效果[25]。裂縫面粗糙度越小,鉆井液侵入后其摩擦因數(shù)下降幅度也越大,進(jìn)一步說(shuō)明鉆井液的潤(rùn)滑效應(yīng)對(duì)光滑平整接觸面的作用更加明顯;而深部地層天然裂縫面輪廓相比于巖石新鮮破裂面往往較為平整,導(dǎo)致鉆井液侵入后對(duì)其摩擦弱化作用更顯著。

        3 礦場(chǎng)啟示

        本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得的雷口坡組碳酸鹽巖裂縫摩擦因數(shù)僅為0.307~0.550,遠(yuǎn)低于常規(guī)三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取的碳酸鹽巖基質(zhì)摩擦因數(shù)[26]。根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則,巖石摩擦因數(shù)的降低,必將顯著增大井壁巖體發(fā)生剪切失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),但現(xiàn)有的井壁失穩(wěn)機(jī)理與模型分析尚未充分考慮碳酸鹽巖基質(zhì)與充填天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面的摩擦因數(shù)差異性。因此,裂縫性地層的井壁失穩(wěn)分析不僅應(yīng)獲取可靠的裂縫面摩擦因數(shù),同時(shí)也要充分考慮表面粗糙度、充填情況和充填物類型等對(duì)摩擦因數(shù)的影響;對(duì)于深部地層,還應(yīng)考慮高應(yīng)力條件對(duì)弱結(jié)構(gòu)面的摩擦弱化作用[21]。

        碳酸鹽巖地層往往不存在明顯的水化作用,但針對(duì)井壁失穩(wěn)難題,也應(yīng)強(qiáng)化鉆井液的封堵性能。因?yàn)殂@井液的侵入往往能夠潤(rùn)滑裂縫面,并通過(guò)水-巖作用溶蝕充填物,弱化微凸體力學(xué)強(qiáng)度,最終導(dǎo)致縫面摩擦因數(shù)和抗剪切性能降低,增大井壁沿天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面的剪切失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

        根據(jù)接觸力學(xué)和摩擦學(xué)理論,摩擦阻力源于宏觀微凸體的機(jī)械阻力和分子層面的黏著效應(yīng)。在常規(guī)的裂縫性地層封堵防塌鉆井液配方優(yōu)化基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步考慮封堵防塌體系中固相顆粒的特征參數(shù)、液相潤(rùn)濕性等表/界面性質(zhì)對(duì)裂縫面摩擦行為的影響,最終通過(guò)增強(qiáng)裂縫封堵系統(tǒng)的摩擦阻力提升井壁穩(wěn)定性。

        4 結(jié)論

        1)川西雷口坡組碳酸鹽巖未充填裂縫面、拋光裂縫面和充填裂縫面的摩擦因數(shù)分別為0.520~0.550,0.420~0.441,0.307~0.391;摩擦因數(shù)與未充填裂縫面JRC值滿足冪函數(shù)關(guān)系,且隨JRC值增大而增大。

        2)鉆井液浸泡巖心后產(chǎn)生的潤(rùn)滑效應(yīng)使得充填、未充填、拋光裂縫面的摩擦因數(shù)均有所下降,且裂縫面越光滑,摩擦因數(shù)下降幅度越大。

        3)對(duì)于超深層裂縫性碳酸鹽巖地層,明確天然裂縫等弱結(jié)構(gòu)面摩擦行為特征不僅是評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性的基礎(chǔ),也是從增強(qiáng)裂縫系統(tǒng)剪切摩擦阻力角度提出井壁封堵防塌強(qiáng)化對(duì)策的重要基礎(chǔ)。

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