摘" 要：在鉆井過(guò)程中，鉆井液與泥頁(yè)巖相互作用所引起的水化應(yīng)變，改變了井周應(yīng)力分布，減小了泥頁(yè)巖巖石強(qiáng)度，使得巖石力學(xué)參數(shù)也出現(xiàn)了改變，最后的結(jié)果導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，發(fā)生井壁坍塌。作者基于前人針對(duì)水化作用對(duì)于巖石力學(xué)參數(shù)影響的研究，以彈性力學(xué)和巖石力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出吸水?dāng)U散系數(shù)，同時(shí)考慮水化作用產(chǎn)生的弱化影響和附加水化作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，建立了力-化耦合作用下坍塌壓力預(yù)測(cè)模型，繪制了水化坍塌周期圖版。研究結(jié)果表明，含水量與吸水處距離成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與吸水時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)水化作用也會(huì)對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)造成影響。南海目標(biāo)儲(chǔ)層在使用密度為1.12 g/cm3的水基聚合物鉆井液的條件下坍塌周期在10 d左右；當(dāng)鉆井液密度為1.13 g/cm3時(shí)，坍塌周期為21 d。最終從水化坍塌周期圖版可以看出，在鉆開泥頁(yè)巖地層后，將泥漿密度逐漸提升至1.14～1.15 g/cm3之間，有益于長(zhǎng)時(shí)間維持井壁穩(wěn)定，防止井壁坍塌。該研究成果豐富了泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定研究?jī)?nèi)容，為安全鉆井周期的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：坍塌壓力；水化作用；井壁穩(wěn)定；泥頁(yè)巖；力-化耦合

中圖分類號(hào)：TE28" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0071-04

Abstract： In the process of drilling， the hydration strain caused by the interaction between drilling fluid and shale changes the stress distribution around the well， reduces the shale rock strength， and changes the rock mechanical parameters， which leads to wellbore instability and wellbore collapse. Based on the previous studies on the influence of hydration on rock mechanical parameters， as well as the theories of elasticity and rock mechanics， the author obtains the water absorption diffusion coefficient through indoor experiments. Meanwhile， considering the weakening effect of hydration and the stress caused by additional hydration， the prediction model of collapse pressure under mechanical coupling is established， and the period chart of hydration collapse is drawn. The results show that there is a negative correlation between water content and the distance of water absorption， and a positive correlation between water content and water absorption time. At the same time， hydration will also affect the rock mechanical parameters. The collapse period of the target reservoir in the South China Sea is about 10 days under the condition of using water-based polymer drilling fluid with density of 1.12 g/cm3， and 21 days when the density of drilling fluid is 1.13 g/cm3. Finally， the hydration collapse cycle chart shows that after drilling the shale formation， the mud density is gradually increased to 1.14～1.15 g/cm3， which is beneficial to maintain wellbore stability and prevent wellbore collapse for a long time. The research results enrich the research content of shale wellbore stability and provide a theoretical basis for the design of safe drilling cycle.

Keywords： collapse pressure; hydration; sidewall stability; shale; mechanical-chemical coupling

在石油鉆探中，由于泥頁(yè)巖水化作用所導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)問(wèn)題對(duì)儲(chǔ)層的安全高效開發(fā)有著不利影響[1]。我國(guó)南海東部珠江口盆地在開發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)了頻繁的阻卡現(xiàn)象，其原因主要為在鉆井過(guò)程中鉆井液隨著初始巖層初始微裂縫進(jìn)入了巖石內(nèi)部，然后在水化作用下使得泥頁(yè)巖巖層井周應(yīng)力分布規(guī)律發(fā)生了改變，削弱了巖石的力學(xué)性質(zhì)及巖石強(qiáng)度，造成了井壁失穩(wěn)問(wèn)題，并引發(fā)卡鉆、垮塌和縮徑等井下復(fù)雜情況，嚴(yán)重者甚至?xí)斐删蹐?bào)廢，不僅提升了巨量的額外成本，同時(shí)也嚴(yán)重影響油田的勘探和開發(fā)的速度[2-3]。

調(diào)研相關(guān)研究表明，泥頁(yè)巖的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題并非是某個(gè)單一的力學(xué)問(wèn)題或者是化學(xué)問(wèn)題，在力學(xué)平衡的基礎(chǔ)上，水化作用所產(chǎn)生的附加應(yīng)力及水化作用對(duì)巖石強(qiáng)度本身的影響也是重要的影響因素。因此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)此展開了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。1990年，Yew等[4]展開了針對(duì)力-化耦合的研究并進(jìn)行了定量分析；1995年石油大學(xué)的黃榮樽教授等[3]曾采用M.E.Chenevert方法對(duì)泥頁(yè)巖水化研究進(jìn)行類似分析；1992年，Hale等[5]將地層壓力理論應(yīng)用到泥頁(yè)巖與鉆井液的作用上；1998年，Hong[6]采用數(shù)值模擬和室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)等方法展開了對(duì)泥頁(yè)巖水化的分析研究。馬天壽等[7]人結(jié)合弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則，建立了層理性頁(yè)巖水平井井壁穩(wěn)定性分析模型。雖然這些研究都針對(duì)水化作用考慮了其對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響，但是都主要集中在水化作用對(duì)巖石強(qiáng)度及其力學(xué)性質(zhì)的削弱上，很少考慮水化作用在井壁周圍產(chǎn)生額外水化應(yīng)力所造成的影響。

筆者以彈性力學(xué)和巖石力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，通過(guò)室內(nèi)泥頁(yè)巖吸水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)、清水浸泡實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了基于力-化耦合研究的井壁水化坍塌預(yù)測(cè)模型，研究了在井下條件下井周泥頁(yè)巖的水化特性，最終建立水化坍塌周期版圖。根據(jù)該版圖可有效預(yù)測(cè)安全鉆井周期，并根據(jù)版圖適當(dāng)調(diào)整泥漿密度，對(duì)南海海域泥頁(yè)巖地層井壁坍塌問(wèn)題有較大指導(dǎo)意義。

1" 泥頁(yè)巖理化性能研究

國(guó)內(nèi)外針對(duì)泥頁(yè)巖地層水化坍塌問(wèn)題，有大量學(xué)者在數(shù)值模擬、力學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了研究，一些研究成果表明，泥頁(yè)巖在發(fā)生水化作用后，巖石主要受力部位將遠(yuǎn)離初始應(yīng)力集中部位，然后該位置發(fā)生坍塌破壞，因此可以判斷水化作用下的坍塌具有一定的周期性，水化坍塌破壞將導(dǎo)致井壁出現(xiàn)大面積垮塌。針對(duì)該問(wèn)題，經(jīng)常通過(guò)適當(dāng)提高泥漿密度，增加井眼內(nèi)的液柱支撐力來(lái)減少垮塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。但是在使用的泥漿密度過(guò)高時(shí)，使得壓差較大，將導(dǎo)致鉆井液更快地被擠入井壁巖石裂縫中，反而會(huì)縮短安全鉆井周期。因此研究坍塌壓力周期變化規(guī)律是預(yù)測(cè)安全鉆井周期的關(guān)鍵[8]。

1.1" 圍巖吸水?dāng)U散規(guī)律

井眼鉆開后，在井周內(nèi)外壓差及鉆井液與空隙內(nèi)流體之間的活度差的聯(lián)合作用下，鉆井液的水和離子迅速流入泥頁(yè)巖地層。根據(jù)質(zhì)量守恒定律建立的泥頁(yè)巖井壁的吸水?dāng)U散方程為[9-10]

， （1）

式中：erfc（）為誤差補(bǔ)償函數(shù)；W為泥頁(yè)巖巖體的含水量；W0為泥頁(yè)巖巖體的初始含水量；x為離井壁的距離，m；Ws為泥頁(yè)巖的飽和含水量；Cf為泥頁(yè)巖的吸水?dāng)U散系數(shù)。泥頁(yè)巖的吸水?dāng)U散系數(shù)是研究井壁泥頁(yè)巖吸水規(guī)律的關(guān)鍵。由現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方配置鉆井液對(duì)儲(chǔ)層巖芯進(jìn)行吸水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如圖1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)編寫程序采用迭代差分法進(jìn)行了關(guān)于吸水?dāng)U散系數(shù)的計(jì)算，最終計(jì)算得出吸水?dāng)U散系數(shù)Cf=0.028 5 cm2/h。

1.2" 巖石力學(xué)參數(shù)隨含水變化規(guī)律

泥頁(yè)巖如彈性模量和泊松比等的巖石力學(xué)參數(shù)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果具有較高的精確性、可靠性。黃榮樽教授曾經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取出的泥頁(yè)巖巖心進(jìn)行了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得到了含水量與巖石的巖石力學(xué)參數(shù)如彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，筆者在后續(xù)計(jì)算中將借用參考文獻(xiàn)[3]中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

2" 泥頁(yè)巖井壁坍塌預(yù)測(cè)模型

2.1" 考慮水化應(yīng)變作用的井周應(yīng)力

為方便分析計(jì)算，筆者采取以下假設(shè)：

1）假定此泥頁(yè)巖地層橫向各向同性，且地層中的泥頁(yè)巖為線彈性材料。

2）假定此井處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

3）假定地層中的泥頁(yè)巖在水化作用下產(chǎn)生的豎直方向上的應(yīng)變?yōu)?？著h，由水化作用所產(chǎn)生的水平方向上的應(yīng)變?yōu)?？著v和？著h不相等，其關(guān)系可用？著h=m？著v表示，其中，m為各向異性比，且0≤m≤1，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。不同地區(qū)的泥頁(yè)巖的各向異性比也會(huì)不同。

將內(nèi)外邊界條件代入應(yīng)力應(yīng)變平衡方程，最終得到應(yīng)力應(yīng)變平衡方程的通解（即徑向位移？滋）為[11-13]

Ar+B/r，" " " " " " " " （2）

其中

，" " " " " "（3）

，" " " " " （4）

式中：？滓xx和？滓yy分別為井眼直角坐標(biāo)系下x軸和y軸方向的主應(yīng)力，MPa；？滋為徑向位移，m；Pm為井內(nèi)有效液柱壓力，MPa；E為地層含水量為fw時(shí)的彈性模量，MPa；v為地層含水量為fw時(shí)的泊松比；R為井眼半徑，m。

根據(jù)軸對(duì)稱井筒的平面應(yīng)變幾何方程，可求得水化作用產(chǎn)生的徑向和周向水化應(yīng)變?yōu)?/p>

（5）

式中：？著rr為徑向應(yīng)變；？著？茲？茲為切向應(yīng)變。

垂向水化應(yīng)變需通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)獲取，筆者直接采用Yew等的室內(nèi)測(cè)試結(jié)果[14]

，" " " "（6）

式中：K1=0.070 8；K2=11.08；？著v為垂向水化應(yīng)變；？駐fw為含水量的增量，？駐fw=fw-fwi，fwi為原始地層含水量。

井眼總有效應(yīng)力可分為泥頁(yè)巖因水化作用發(fā)生膨脹所產(chǎn)生的水化應(yīng)力及初始地層應(yīng)力，當(dāng)r=R時(shí)，即可得到井壁上的總有效應(yīng)力

（7）

2.2" 泥頁(yè)巖坍塌周期計(jì)算求解

從力學(xué)角度分析，造成井壁坍塌的原因主要是鉆井過(guò)程中的壓差過(guò)大，此時(shí)由于內(nèi)外壓差所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力要大于巖石本身強(qiáng)度所能承受的極限，從而導(dǎo)致井壁坍塌。摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則假定在巖石單元體所受到的應(yīng)力中，只有最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力參與了對(duì)巖石破壞[15-16]。

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所得到的泥頁(yè)巖巖石含水量隨時(shí)間的變化規(guī)律及泥頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)隨含水量的變化規(guī)律，通過(guò)摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則即可得到坍塌周期規(guī)律。結(jié)合前期針對(duì)目標(biāo)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層研究及調(diào)研結(jié)果，通過(guò)室內(nèi)吸水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)及泡水巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)泥漿體系下泥頁(yè)巖含水率變化規(guī)律及目標(biāo)儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度變化規(guī)律，利用Matlab所編程序進(jìn)行迭代計(jì)算，對(duì)井壁坍塌周期的定量預(yù)測(cè)流程圖如圖2所示[17-18]。

3" 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

泥頁(yè)巖與泥漿液接觸后，改變了泥頁(yè)巖巖石強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、彈性模量和泊松比等力學(xué)特征參數(shù)；同時(shí)泥頁(yè)巖產(chǎn)生水化作用，發(fā)生了水化膨脹，出現(xiàn)了附加應(yīng)力，使井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變。井壁力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力狀態(tài)隨距離井眼鉆開時(shí)間呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系。這一函數(shù)關(guān)系使得對(duì)于泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性預(yù)測(cè)產(chǎn)生了許多未知性，常規(guī)方法所預(yù)測(cè)的維持井壁穩(wěn)定的泥漿密度，在初始時(shí)候可能有用，但是在水化作用下，一段時(shí)間后就會(huì)失效。因此，在泥頁(yè)巖地層中，通過(guò)坍塌壓力計(jì)算圖版觀察其在不同時(shí)間下的變化規(guī)律是很有必要的。

取芯段地層原始參數(shù)如下：埋深為2 822 m，上覆巖層壓力52.77 MPa，最大水平主應(yīng)力為44.87 MPa，最小水平主應(yīng)力為38.66 MPa，內(nèi)聚力為3.87 MPa，內(nèi)摩擦角為37.16°，泊松比為0.19，安全系數(shù)為0.8，孔隙壓力為1.06 g/cm3，由圖1可以得出吸水?dāng)U散系數(shù)為0.028 5 cm2/h。將數(shù)據(jù)代入圖2中可以得出泥頁(yè)巖水化坍塌周期圖版如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出，在泥頁(yè)巖水化作用下，坍塌壓力隨井眼鉆開時(shí)間呈指數(shù)變化趨勢(shì)，在井眼剛開始裸露階段，坍塌壓力迅速上升，在裸露一段時(shí)間之后，坍塌壓力增加趨勢(shì)減緩，后趨于穩(wěn)定。在使用密度為1.12 g/cm3的水基聚合物鉆井液的條件下，坍塌周期在10 d左右；當(dāng)鉆井液密度為1.13 g/cm3時(shí)，坍塌周期為21 d。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，在鉆開泥頁(yè)巖地層后，逐漸將泥漿密度增加至1.14～1.15 g/cm3之間，有利于長(zhǎng)時(shí)間維持井壁穩(wěn)定，防止井壁坍塌。

4" 結(jié)論

1）通過(guò)吸水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)表明泥頁(yè)巖吸水是一個(gè)既有時(shí)間參與也有空間參與的過(guò)程，含水量與吸水處距離呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系并隨著時(shí)間而增加。

2）基于泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定力學(xué)與化學(xué)耦合理論研究及添加了水化膨脹應(yīng)變和地層壓力2種影響因素，繪制了泥頁(yè)巖水化坍塌周期圖版。該圖版考慮了泥頁(yè)巖地層水化作用中的彈性模量、內(nèi)聚力及泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)和地層壓力所產(chǎn)生的影響，以及地層壓力發(fā)生變化后，圍巖所產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響。

3）根據(jù)水化坍塌周期圖版可以看出，泥頁(yè)巖水化地層中，井壁坍塌壓力隨時(shí)間快速增加，后趨于穩(wěn)定。南海目標(biāo)儲(chǔ)層在使用密度為1.12 g/cm3的水基聚合物鉆井液的條件下，坍塌周期在10 d左右；當(dāng)鉆井液密度為1.13 g/cm3時(shí)，坍塌周期為21 d。依據(jù)該圖版可以為安全鉆井周期的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，穩(wěn)定地層壓力，避免井壁發(fā)生垮塌。

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