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)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.中國石化茂名石化公司，廣東 茂名 525000）

隨著我國油氣資源開發(fā)加速向深層—超深層和非常規(guī)領(lǐng)域進軍，鉆完井和儲層改造過程涉及到巖石力學(xué)，特別是巖石摩擦學(xué)的工程問題日益增多［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)險高［2］；儲層改造過程中，天然裂縫和斷層發(fā)生剪切滑移并激活，會直接影響縫網(wǎng)復(fù)雜程度和壓裂施工安全［3-4］。同時，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產(chǎn)生機械摩擦阻力的大小。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)合蛇紋石的摩擦實驗和礦物組分分析結(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，石英和長石等塊狀晶體結(jié)構(gòu)礦物會增加滑動面的摩擦因數(shù)，云母和綠泥石等層狀晶體結(jié)構(gòu)礦物會減小其摩擦因數(shù)。

川西雷口坡組碳酸鹽巖儲層埋深超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，鉆井過程面臨嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)問題。但目前針對裂縫性碳酸鹽巖地層的井壁失穩(wěn)機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象，結(jié)合裂縫面摩擦因數(shù)測試、三維激光掃描、礦物組分和潤濕性分析等方法，探索超深層碳酸鹽巖裂縫面摩擦因數(shù)大小和控制機理，為鉆井過程井壁剪切失穩(wěn)防控提供基礎(chǔ)支撐。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 實驗巖樣

本文測試巖心均來自川西坳陷廣漢-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。測試巖樣（見圖 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 實驗巖心

1.2 實驗方法及裝置

摩擦因數(shù)測試實驗前，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)信息后進行定量表征；然后將實驗巖心各分為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)接觸角測量儀（DSA100HP）分別測試鉆井液與裂縫面間的潤濕接觸角。

巖心浸泡鉆井液前后，采用自研巖石摩擦因數(shù)測試裝置（見圖2）測試巖石摩擦因數(shù)。步驟為：1）將半圓柱形實驗巖心切成薄片樣品，放置在另一半圓柱形實驗巖心上方；2）將薄片樣品連接到拉力測試系統(tǒng)，在薄片樣品上固定質(zhì)量為50 g的砝碼；3）啟動電機，使薄片樣品以4.0～5.0 mm/min的速度滑動，通過數(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））計算摩擦因數(shù)。

圖2 巖石摩擦因數(shù)測試裝置示意

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 實驗結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)測試實驗

摩擦因素測試結(jié)果（見表1、圖3、圖4）顯示，對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，實驗巖心的摩擦因數(shù)均有所下降。

圖3 實驗巖心縫面摩擦因數(shù)平均值對比

圖4 鉆井液浸泡前后巖心摩擦因數(shù)測試曲線

表1 鉆井液浸泡前后巖心摩擦因素測試數(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、下兩個裂縫面），通過分析不同裂縫面三維點云數(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。一般來說，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)生的機械阻力越強，摩擦因數(shù)越大。JRC由Tse和Cruden［15］給出的經(jīng)驗公式計算：

圖5 實驗巖心裂縫面三維視圖

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

采用碼尺法對剖面線進行分形測量［16］：

式中：D為分形維數(shù)，值為1～2；δ為碼尺單位長度，mm；Nδ為不同碼尺單位長度下測量的步數(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 實驗巖心等距剖面線的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)生摩擦滑動時，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，說明裂縫面的礦物顆粒類型、強度和相互作用對裂縫面摩擦因數(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)。

具體來看，X衍射礦物組分測試結(jié)果（見圖7。圖中數(shù)值為體積分?jǐn)?shù)）顯示，測試巖樣基質(zhì)以白云石（88%）為主，含少量方解石及斜長石；巖心裂縫充填物主要為方解石（86%），含少量白云石以及石英、斜長石。摩擦因數(shù)測試結(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)強度上，壓入硬度測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，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圍壓下進行三軸力學(xué)實驗。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］。在實際鉆井過程中，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的痕跡，與實驗結(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 鉆井液潤滑效應(yīng)

鉆井液浸泡后，各實驗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試實驗結(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°。潤濕性的增強會顯著增加鉆井液在裂縫壁面的附著，形成流體薄膜［24］，進而產(chǎn)生流體潤滑效應(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，進一步說明鉆井液的潤滑效應(yīng)對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)致鉆井液侵入后對其摩擦弱化作用更顯著。

3 礦場啟示

本文實驗測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)實驗獲取的碳酸鹽巖基質(zhì)摩擦因數(shù)［26］。根據(jù)摩爾-庫倫準(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，但現(xiàn)有的井壁失穩(wěn)機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)，同時也要充分考慮表面粗糙度、充填情況和充填物類型等對摩擦因數(shù)的影響；對于深部地層，還應(yīng)考慮高應(yīng)力條件對弱結(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，但針對井壁失穩(wěn)難題，也應(yīng)強化鉆井液的封堵性能。因為鉆井液的侵入往往能夠潤滑裂縫面，并通過水-巖作用溶蝕充填物，弱化微凸體力學(xué)強度，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。

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，可以進一步考慮封堵防塌體系中固相顆粒的特征參數(shù)、液相潤濕性等表/界面性質(zhì)對裂縫面摩擦行為的影響，最終通過增強裂縫封堵系統(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價井壁穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，也是從增強裂縫系統(tǒng)剪切摩擦阻力角度提出井壁封堵防塌強化對策的重要基礎(chǔ)。