裂縫性儲層裸眼井壁失穩(wěn)影響因素分析

劉志遠(yuǎn) 陳 勉 金 衍 楊向同 盧運(yùn)虎

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249； 2.塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000）

碳酸鹽巖裂縫性儲層井壁失穩(wěn)易造成地層垮塌、堵塞、埋卡測試管柱，以及生產(chǎn)過程中隨著地應(yīng)力及井底壓力的變化造成儲層出砂等復(fù)雜情況［1-2］，引起井眼報(bào)廢，嚴(yán)重影響生產(chǎn)施工的進(jìn)程。對于井壁失穩(wěn)問題前人已做過大量的理論研究［3-7］，但針對裂縫性儲層溫度高及弱面水化作用強(qiáng)的裸眼井壁失穩(wěn)的模型研究很少。因此，筆者結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)，選用弱面模型［8］，建立井壁穩(wěn)定的綜合預(yù)測模型，對高溫深井裂縫性裸眼井井壁垮塌原因進(jìn)行分析，為試油過程中井壁穩(wěn)定及測試壓差進(jìn)行評估和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 垮塌井區(qū)域概況

垮塌井主要處于油區(qū)北斜坡上，斷裂十分發(fā)育，其南部隆起，北部邊緣為坡折帶，油氣沉積多以碳酸鹽巖為主，儲層位于奧陶系，油氣富集區(qū)多為縫洞發(fā)育區(qū)，主要特點(diǎn)是天然裂縫發(fā)育，隨機(jī)分布性強(qiáng)，為油氣運(yùn)移的主要通道，但大量縫洞系統(tǒng)的存在為油氣儲存和運(yùn)移提供便利的同時(shí)也給井壁穩(wěn)定造成諸多不利影響。

2 垮塌的影響因素

2.1 水化作用

垮塌井裸眼段均位于奧陶系良里塔格組及鷹山組，巖性段主要表現(xiàn)為顆?；?guī)r段、含泥灰?guī)r段以及含云灰?guī)r段，垮塌層巖性集中表現(xiàn)為含泥灰?guī)r。垮塌井在試油垮塌前巖層受井內(nèi)流體的浸泡時(shí)間較長，一般為30～60 d，在長時(shí)間浸泡作用下，含泥灰?guī)r地層吸水導(dǎo)致巖石的彈性模量與泊松比發(fā)生較大變化易導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性變差［9］，公式（1）及公式（2）為井周巖石彈性模量與泊松比隨吸水量的變化關(guān)系。

式中，E 為吸水后彈性模量；E1、E2為系數(shù)，由試驗(yàn)確定； v 為吸水后的泊松比； v0為原始地層的泊松比； W 為地層含水量； Wa為井壁處的含水量。同時(shí)，對于裂縫發(fā)育層段，井內(nèi)流體在高壓下優(yōu)先滲入縫內(nèi)，使縫內(nèi)膠結(jié)物的物化性質(zhì)發(fā)生變化，弱面強(qiáng)度大幅降低，井壁穩(wěn)定性急劇下降。

2.2 天然裂縫

從現(xiàn)場資料統(tǒng)計(jì)來看，垮塌井裸眼段裂縫較為發(fā)育（圖1），裂縫多為高角度縫，傾角為60～85°，傾向?yàn)?10～150°。鉆遇后地層受到極大擾動(dòng)，此時(shí)大量縫洞系統(tǒng)的存在使井周巖石的松馳程度大幅增加，削弱了井周巖石與整體巖層的聯(lián)接性和固結(jié)性，地層易發(fā)生弱面破壞，使井壁穩(wěn)定的臨界試油壓差減小。對圖1 所示垮塌井段巖性相近而裂縫產(chǎn)狀不同的巖心試樣，在相同條件下進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析縫洞結(jié)構(gòu)不同的情況下巖石強(qiáng)度的變化規(guī)律，結(jié)果見表1。

圖1 垮塌井區(qū)裸眼段巖心裂縫發(fā)育情況

表1 垮塌井段巖石強(qiáng)度隨縫洞結(jié)構(gòu)的變化情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)裂縫傾角為90°及0°時(shí)巖石抗壓強(qiáng)度較高，而當(dāng)裂縫傾角為60°及45°時(shí)巖石抗壓強(qiáng)度值均小于90°及0°時(shí)的情況，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來看，隨著裂縫傾角的增加，巖石強(qiáng)度依次表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢，且孔洞型巖層的巖石強(qiáng)度在本組實(shí)驗(yàn)中小于裂縫性巖石的強(qiáng)度，同時(shí)通過對實(shí)驗(yàn)后孔洞型巖樣的破壞面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析表明，破壞處巖石孔洞發(fā)生粉碎性損傷，孔洞結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，說明在加壓過程中孔洞型巖石的承壓能力有限，一般小于裂縫性巖石。

2.3 地層構(gòu)造

垮塌井的構(gòu)造特點(diǎn)除了裂縫發(fā)育之外，還表現(xiàn)為：（1）處于局部構(gòu)造的高點(diǎn)；（2）垮塌井均位于走滑斷裂上?？逅南嚓P(guān)鄰井均無類似的斷裂構(gòu)造特點(diǎn)。局部構(gòu)造位置的高點(diǎn)處地層應(yīng)力復(fù)雜，巖石受張應(yīng)力作用較大，地層鉆遇后，在較大張力作用下，應(yīng)力嚴(yán)重失衡，易發(fā)生坍塌事故，同時(shí)，在斷裂較為發(fā)育的井周區(qū)域，出現(xiàn)應(yīng)力集中［10］，也極易引發(fā)井壁垮塌。除上述各影響因素以外，裸眼儲層垮塌還與油藏深度、地層壓力、地層膠結(jié)情況、起下管柱等因素有關(guān)。

3 垮塌模型的建立

基于垮塌層井周圍巖層水化作用強(qiáng)、裂縫發(fā)育、構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜等特點(diǎn)，考慮上述3 種主要影響因素建立了垮塌模型，對垮塌井垮塌機(jī)理進(jìn)行了分析及壓差設(shè)計(jì)。模型中假設(shè)裂縫性井壁地層為連續(xù)介質(zhì)體，巖石所受的應(yīng)力是地應(yīng)力、孔隙壓力、井內(nèi)液柱壓力、流體滲流、溫度場及地層水化共同作用的結(jié)果，直井井壁中的應(yīng)力分量在柱坐標(biāo)系中可表示為［9，11］

其中

式中，α 為比奧系數(shù)；a、b 為與溫度有關(guān)的參數(shù)；Rw為井眼半徑，m；pw為井底壓力，MPa；p0為地層壓力，MPa；σr，σθ，σz為柱坐標(biāo)中的應(yīng)力分量，MPa；σH為水平最大地應(yīng)力，MPa；σh為水平最小地應(yīng)力，MPa；σv為垂直地應(yīng)力，MPa；E 為彈性模量，GPa；v0為吸水前原始地層的泊松比，小數(shù)；vfr為巖石骨架泊松比，小數(shù)；θ 為井周角，°； αm為材料的熱膨脹系數(shù)。

假定弱面的抗剪強(qiáng)度服從莫爾庫侖準(zhǔn)則［12］

由莫爾應(yīng)力圓理論，作用于弱面上的法向應(yīng)力σ 和剪應(yīng)力τ 為［12］

將式（5）代入式（4）整理，可得到沿弱面產(chǎn)生剪切破壞的條件為［13］

式中，φw為弱面的內(nèi)摩擦角,°；Cw為弱面的黏聚力，MPa；σ1、σ3為井壁上最大、最小主應(yīng)力，MPa；μw為弱面的內(nèi)摩擦因數(shù)，小數(shù)；β 為弱面的法向與σ1夾角，當(dāng)β →φw或β →90°時(shí)，（σ1–σ3）都趨于無窮大，井壁不可能沿弱面發(fā)生破壞，而只能產(chǎn)生剪斷巖體破壞，破壞面方向?yàn)棣?45°+φ0/2，°；φ0為巖塊的內(nèi)摩擦角，°。

對于σθ＞σz＞σr的情況，將式（3）代入式（6），可得到井壁穩(wěn)定的最小井底壓力

對于σz＞σθ＞σr的情況，由式（3）和式（6），可得井壁沿著裂縫破壞時(shí)的臨界井底壓力

對于σz＞σr＞σθ的情況，由式（3）和式（6）得井壁沿著裂縫破壞時(shí)的臨界井底壓力為

其中 ξ= (1-μwcotβ )sin2β

μw=tanφw

4 井壁穩(wěn)定的影響因素分析

由垮塌井區(qū)應(yīng)力分布特點(diǎn)，討論σθ＞σr＞σz的情況。選取垮塌井深6 219 m，計(jì)算并分析各因素對井壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律，上覆巖層壓力2.45 MPa/100 m，水平最大地應(yīng)力2.2 MPa/100 m，水平最小地應(yīng)力1.95 MPa/100 m，地層孔隙壓力71 MPa，弱面黏聚力7 MPa，弱面內(nèi)摩擦角20°，本體黏聚力14 MPa，本體內(nèi)摩擦角32°，彈性模量41 GPa，泊松比0.24，比奧系數(shù)0.85。

4.1 水化后弱面強(qiáng)度的影響

垮塌層段天然裂縫發(fā)育，受井內(nèi)流體的浸泡時(shí)間長，易產(chǎn)生水化作用，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，同時(shí)，由上述垮塌模型分析知，隨著水化后弱面黏聚力及弱面內(nèi)摩擦因數(shù)的降低（圖2），維持井壁穩(wěn)定的最小井底壓力增加，生產(chǎn)壓差減小，即弱面強(qiáng)度越低井壁的穩(wěn)定性越差，因此，在鉆井及試油過程中應(yīng)避免儲層長時(shí)間浸泡在鉆井液或其他外來流體中對井壁穩(wěn)定造成不利的影響。

圖2 水化后弱面摩擦因素、黏聚力對井壁穩(wěn)定的影響

4.2 裂縫產(chǎn)狀的影響

裂縫的存在使井壁相對容易失穩(wěn)，通過模型分析了碳酸鹽巖裸眼儲層水化后不同裂縫產(chǎn)狀對井壁穩(wěn)定的影響，分析認(rèn)為：（1）最不穩(wěn)定的點(diǎn)在地層弱面法向與最大水平地應(yīng)力夾角60°±5°范圍內(nèi)；（2）一般說來，在地層傾向近水平最小地應(yīng)力方位范圍時(shí)，地層傾角越大，井壁越不穩(wěn)定。在地層傾向近水平最大地應(yīng)力方位范圍時(shí)，地層傾角越大，井壁的不穩(wěn)定性先增強(qiáng)后削弱，在傾角30°處達(dá)到極大值；（3）鉆井最為安全的地層是低傾角（小于20°），弱面傾向近水平最小地應(yīng)力方位；其次是高傾角（大于60°），弱面傾向近水平最大地應(yīng)力方位；最不安全的是傾向近水平最大地應(yīng)力方位，傾角30°附近處，并隨著傾向偏離水平最大地應(yīng)力方位，傾角增大，穩(wěn)定性沒有明顯的提高（圖3）。

圖3 垂直井井壁穩(wěn)定的最小井底壓力與弱面產(chǎn)狀的關(guān)系

從垮塌井的裂縫分布特征來看，裂縫傾角為60～85°，傾向?yàn)?10～150°，處在井壁不穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

同時(shí)，該綜合模型與不考慮弱面水化強(qiáng)度及溫度場效應(yīng)的模型相比，其對維持井壁穩(wěn)定的最小井底壓力的預(yù)測值高出2～3 MPa，預(yù)測精度提高，極大地降低了井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 地應(yīng)力的影響

垮塌井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地應(yīng)力受地層情況的影響波動(dòng)幅度大，最大水平地應(yīng)力在高應(yīng)力區(qū)接近上覆巖層壓力，該不穩(wěn)定的地應(yīng)力環(huán)境造成儲層井眼剖面上的井壁穩(wěn)定性變化大，圖4b 所示為R1 井在6 125～6 345 m 井段內(nèi)其他參數(shù)變化不大的條件下隨著圖4a 中地應(yīng)力的變化維持井壁穩(wěn)定的最小井底壓力的變化情況，分析可知，在地應(yīng)力突變區(qū)維持井壁穩(wěn)定的最小井底壓力變化較大，但總體上最小井底壓力隨著地應(yīng)力差的增減而相應(yīng)地表現(xiàn)出增加和減小的趨勢。因此，在地層構(gòu)造復(fù)雜的高應(yīng)力區(qū)或應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)做好防塌準(zhǔn)備。

圖4 地應(yīng)力對井底壓力的影響

5 實(shí)例分析

R2 井裸眼儲層段為5 917.46～6 300 m，處在局部構(gòu)造的高點(diǎn)位置，緊鄰井點(diǎn)東北部有走滑斷裂發(fā)育。儲層由眾多溶洞體構(gòu)成，裂縫相對發(fā)育，儲層巖性為含泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r以及灰?guī)r。裂縫傾向120～140°，傾角55～75°，最大主地應(yīng)力方位為120～160°。R2 井在測試前受井內(nèi)流體的浸泡時(shí)間為45 d，下一體化測試管柱后放噴排液，油壓0 MPa，井口不出液，過油管射孔，起出管柱，封隔器膠筒3/4 落井，底部5 根油管全部被砂子堵死。

通過上述模型，考慮裂縫產(chǎn)狀、水化強(qiáng)度、弱面強(qiáng)度以及地應(yīng)力分布情況，對失穩(wěn)井段的臨界測試壓差進(jìn)行計(jì)算，如圖5 所示，結(jié)果表明，試油過程中的實(shí)際測試壓差27.95 MPa 大于臨界測試壓差23.4 MPa，使得井底壓差過大，井壁嚴(yán)重失穩(wěn)，導(dǎo)致出砂，井眼砂埋，同時(shí)表明，模型對試油過程中井壁穩(wěn)定性及測試壓差能進(jìn)行準(zhǔn)確地評估和設(shè)計(jì)。

圖5 R2 井井壁穩(wěn)定的測試壓差

6 結(jié)論與建議

（1）針對垮塌井區(qū)碳酸鹽巖裸眼地層溫度高、壓力大、裂縫發(fā)育、水化作用及地應(yīng)力各向異性強(qiáng)等特點(diǎn)建立了井壁垮塌預(yù)測模型，該模型能準(zhǔn)確地對裂縫性碳酸鹽巖深井高溫水化地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測和評估。

（2）由于考慮了深井溫度場及弱面水化強(qiáng)度的影響，模型預(yù)測的維持井壁穩(wěn)定的最小井底壓力比常規(guī)模型高2～3 MPa，提升了預(yù)測精度，極大地降低了井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）對于不同傾角的巖石強(qiáng)度，隨著裂縫傾角的增加，巖石強(qiáng)度依次表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢，即傾角為90°及0°時(shí)巖石強(qiáng)度高于60°及45°時(shí)的強(qiáng)度值，且孔洞型巖層的巖石強(qiáng)度一般小于裂縫性巖石的強(qiáng)度。

（4）井壁最為安全的地層是低傾角（小于20°），弱面傾向近水平最小地應(yīng)力方位；其次是高傾角（大于60°），弱面傾向近水平最大地應(yīng)力方位。

（5）維持井壁穩(wěn)定的最小井底壓力隨著水化后弱面內(nèi)摩擦因數(shù)及弱面黏聚力的降低而增加，隨著應(yīng)力差的增加而增加。試油壓差設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度場、弱面水化強(qiáng)度、裂縫產(chǎn)狀及構(gòu)造應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，防止壓差過大井眼垮塌。

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