趙靖影 鄧小衛(wèi) 楊天宇 廖偉 譚楨來 魏耀冉

1. 中國石油西南油氣田分公司 四川 成都 610051

2. 中國石油大學(xué)（北京） 北京 102249

1 前言

井壁失穩(wěn)一直是困擾石油鉆井的難題，隨著非常規(guī)油氣的開發(fā)，深層鉆井中的井壁穩(wěn)定的問題更加受到關(guān)注。瀘州深層頁巖氣龍馬溪組埋深普遍在3800～4500 m[1-2]，鉆井的水平段長1800～2500 m，地層壓力系數(shù)超過2.0，井下循環(huán)溫度普遍大于145℃（最高167℃）。由于井下環(huán)境十分復(fù)雜，該地區(qū)的井壁失穩(wěn)機(jī)理尚不清楚，難以提出合理的工程對(duì)策。井壁失穩(wěn)問題嚴(yán)重制約了實(shí)現(xiàn)縮短鉆井周期的目標(biāo)。

本研究以瀘203井區(qū)和陽101井區(qū)為基礎(chǔ)，著重從巖石力學(xué)角度展開理論研究。利用UDEC離散元軟件，采用流固耦合的方法分析了巖石內(nèi)聚力、非均勻地應(yīng)力、裂縫密度以及鉆井液密度等因素對(duì)于井壁穩(wěn)定性的影響，旨在確定影響該地區(qū)井壁穩(wěn)定性的主要因素。

2 模型建立

利用UDEC離散元軟件建立井區(qū)的地層井眼坍塌模型，基于流固耦合理論，結(jié)合實(shí)際鉆井情況分析裂縫密度、巖石強(qiáng)度、地應(yīng)力、鉆井液密度對(duì)井眼坍塌的影響規(guī)律與程度[5-6]。

所建立的井眼模型深度參考3900 m（垂深），井眼大小參考鉆頭直徑（215.9 mm），設(shè)兩類交叉裂縫交于井眼，裂縫力學(xué)性質(zhì)完全相同，相鄰兩條裂縫距離為75 mm，兩類裂縫的夾角為90°。所建立的井眼模型如圖1所示。為了消除邊界效應(yīng)的影響，模型邊界長度至少設(shè)置為井眼半徑的10倍。因此，將模型區(qū)域設(shè)置為邊長為5 m的正方形，鉆孔半徑為0.108 m。在模型中，裂縫相互垂直。兩個(gè)相鄰裂縫之間的默認(rèn)距離為0.08 m。在井眼周圍設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄模擬過程中的位移情況。

圖1 離散元井眼模型

模型的邊界條件如表1所示，模型的輸入?yún)?shù)如表2所示，在其他參數(shù)條件不變的情況下，通過改變某一參數(shù)進(jìn)行井壁失穩(wěn)主控因素的研究。

表1 地應(yīng)力及井筒壓力

表2 巖石及裂縫參數(shù)

3 離散元井壁坍塌主控因素分析

3.1 離散元井壁穩(wěn)定分析標(biāo)準(zhǔn)

井周位移能直接表征井周巖石的變形程度，從圖2可以讀取井周的最大位移，井周位移越大預(yù)示著井壁越不穩(wěn)定；屈服面分布表示井周巖石的損害程度，屈服面分布范圍越大表示井周損害范圍越大；屈服面距離井筒徑向距離越遠(yuǎn)表示傷害越深[7]。

圖2 井周位移及屈服面分布示意圖

3.2 巖石內(nèi)聚力對(duì)井壁穩(wěn)定的影響

巖石的內(nèi)聚力是指巖石內(nèi)部相鄰顆粒表面分子間的吸引力。井壁不穩(wěn)定都可歸結(jié)為井壁巖石所受的應(yīng)力超過其本身的強(qiáng)度，使其產(chǎn)生剪切或拉伸破壞而造成的。根據(jù)式（1）可知，巖石的粘聚力越大，巖石所能承受的剪切力越大。

式中：C—內(nèi)聚力，φ—摩擦角。

不同裂縫間距下的井周位移和塑性區(qū)分布如圖3和圖4所示。由圖可知，當(dāng)巖石內(nèi)聚力為3MPa時(shí)，井周最大位移為6 mm，當(dāng)巖石內(nèi)聚力為4 MPa時(shí)，井周最大位移為5 mm，當(dāng)巖石內(nèi)聚力為5 MPa時(shí)，井周最大位移為1.5 mm。即隨著巖石內(nèi)聚力逐漸增大，巖石強(qiáng)度增大，井周巖塊最大位移減小且屈服面分布的范圍和深度減小，即井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)降低。

圖3 不同巖石內(nèi)聚力下井周位移示意圖

圖4 不同巖石內(nèi)聚力下井屈服面分布示意圖

3.3 非均勻地應(yīng)力（σH/σh）對(duì)井壁穩(wěn)定的影響

地應(yīng)力是地層中自然產(chǎn)生的壓力，在深井區(qū)地應(yīng)力的各項(xiàng)異性尤為明顯，地應(yīng)力的各向異性對(duì)井壁穩(wěn)定有著重要的影響。不同地應(yīng)力比值下的井周位移和塑性區(qū)分布如圖5和圖6所示。由圖可知，當(dāng)σH/σh=1.2時(shí)，井周最大位移為0.6mm，當(dāng)裂縫間距為σH/σh=1.25時(shí)，井周最大位移為2mm，當(dāng)裂縫間距為σH/σh=1.3時(shí)，井周最大位移為3mm。即隨著地應(yīng)力比值逐漸增大，井周巖塊最大位移增大且屈服面分布的范圍和深度增大，即井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)升高。

圖5 不同地應(yīng)力比值下井周位移示意圖

圖6 不同地應(yīng)力比值下屈服面分布示意圖

3.4 裂縫間距對(duì)井壁穩(wěn)定的影響

深層頁巖破碎性較高，裂縫較為發(fā)育[8]，復(fù)雜裂縫對(duì)于井壁穩(wěn)定的影響較大。在相同地質(zhì)條件下，非裂縫性地層的井壁穩(wěn)定性由于裂縫性地層，裂縫的發(fā)育增加了井壁失穩(wěn)的可能性[9]。不同裂縫間距下的井周位移如圖7和圖8所示。由圖可知，當(dāng)裂縫間距為85 mm時(shí)，井周最大位移為1.5 mm，當(dāng)裂縫間距為80 mm時(shí)，井周最大位移為3 mm，當(dāng)裂縫間距為75 mm時(shí)，井周最大位移為6 mm。即隨著裂縫間距逐漸減小，裂縫密度增大，井周巖塊最大位移增大，即井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)增加[10-11]。

圖7 不同裂縫間距下井周位移示意圖

圖8 不同裂縫間距下屈服面分布示意圖

3.5 鉆井液密度對(duì)井壁穩(wěn)定的影響

鉆井液密度的大小影響井底壓力，鉆井液密度過小可能導(dǎo)致井壁坍塌，造成井下復(fù)雜事故，嚴(yán)重影響鉆井效率。不同鉆井液密度下的井周位移和塑性區(qū)分布如圖9和圖10所示。由圖可知，當(dāng)鉆井液密度為1.4 g/cm3時(shí)，井周最大位移為5 mm，當(dāng)鉆井液密度為2.15 g/cm3時(shí)，井周最大位移為1 mm。并且鉆井液密度增加到2.15 g/cm3后，井周無任何屈服面的分布，表示井周非常穩(wěn)定，這與實(shí)際鉆井情況符合。即隨著鉆井液密度增加，井底壓力增大，井周巖塊最大位移減小、屈服面分布范圍及深度減小，即井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)降低。

圖9 不同鉆井液密度下井周位移分布示意圖

圖10 不同鉆井液密度下屈服面分布示意圖

4 結(jié)論

本研究建立了流固耦合的離散元井壁穩(wěn)定模型。通過監(jiān)測(cè)位移及屈服面的分布來分析瀘州區(qū)塊頁巖氣油井的井壁失穩(wěn)機(jī)理及主控因素。得到以下結(jié)論：

（1）裂縫密度的增加、地應(yīng)力差異性的增大、巖石強(qiáng)度的降低以及鉆井液密度的降低，這些因素增加了井壁失穩(wěn)的可能性。

（2）綜合分析井壁坍塌影響因素，裂縫密度以及鉆井液密度的大小對(duì)井壁穩(wěn)定性影響較大，是瀘州區(qū)塊井壁坍塌主控因素。