硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩(wěn)定力化耦合研究

溫航，陳勉，金衍，王凱，夏陽，董京楠，牛成成

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；3.中國石化集團股份有限公司石油工程技術(shù)研究院）

硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩(wěn)定力化耦合研究

溫航1，陳勉1，金衍1，王凱2，夏陽1，董京楠1，牛成成3

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；3.中國石化集團股份有限公司石油工程技術(shù)研究院）

建立了考慮結(jié)構(gòu)特點和弱面水化的硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩(wěn)定力化耦合模型，利用模型分析了坍塌壓力分布的影響因素，并進行了現(xiàn)場實例分析?；谟泊嘈阅囗搸r理化性能特點，根據(jù)鉆井液活度-巖石膨脹率、巖石活度-吸水量等關(guān)系，給出了鉆井液活度窗口，進而確定巖石臨界膨脹率及合理吸水量，并給出了坍塌壓力的計算方法。分析發(fā)現(xiàn)：弱面傾角固定時，隨著弱面傾向的變化，坍塌壓力呈四分之一對稱分布，且不存在坍塌壓力單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的井斜方位，危險區(qū)域和安全區(qū)域交替出現(xiàn)；與弱面黏聚力相比，弱面內(nèi)摩擦角的水化程度對坍塌壓力分布的影響更大?，F(xiàn)場實例分析結(jié)果表明：利用提出的力化耦合模型可以準確地預(yù)測坍塌壓力分布，只要將鉆井液活度控制在活度窗口內(nèi)，就能保證井壁穩(wěn)定并降低鉆井液密度。圖9表1參16

硬脆性泥頁巖；鉆井液活度；井壁穩(wěn)定；力化耦合；大斜度井；坍塌壓力

0　引言

硬脆性泥頁巖中裂縫和微裂縫十分發(fā)育，其中一部分裂縫結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致鉆井過程中掉塊、阻卡、坍塌等井下復(fù)雜情況和事故頻發(fā)。對于泥頁巖井壁失穩(wěn)問題，前人進行了大量研究：Deily F H等[1]建立了井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)模型；Chenevert M E[2]首先對泥頁巖進行含水量方面的實驗研究；Aadnoy B S等[3]在井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)模型中考慮了弱面因素；Mody F K等[4]考慮了化學(xué)因素引起的應(yīng)力變化；黃榮樽等[5]提出了水化作用下泥頁巖井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)的簡便計算方法；近年來的研究多為基于先進工具觀察硬脆性泥頁巖內(nèi)部微裂縫結(jié)構(gòu)特點的實驗研究[6-7]。由于產(chǎn)能需求和工程地質(zhì)特點，近年來中國水平井數(shù)量逐步攀升，且在造斜段多鉆遇硬脆性泥頁巖地層。筆者認為，由于硬脆性泥頁巖自身理化性能特點，在接觸性能不穩(wěn)定的鉆井液時，相對巖石本體而言，水化效應(yīng)會對其中的裂縫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，考慮結(jié)構(gòu)缺欠和水化效應(yīng)共同作用而建立起來的力化耦合模型，更能描述硬脆性泥頁巖的井壁穩(wěn)定問題。因此，本文建立考慮弱面破壞和鉆井液活度窗口的硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩(wěn)定模型，從力學(xué)和化學(xué)兩方面為硬脆性泥頁巖斜井段井眼軌跡設(shè)計和鉆井液性能設(shè)計提供理論依據(jù)。

1　硬脆性泥頁巖理化性能分析

1.1礦物組分與微觀描述

圖1為中國西北部A油田志留系硬脆性泥頁巖巖心照片。X衍射礦物分析試驗表明，該巖心石英含量為16%～40%，黏土礦物總含量為18%～37%，其余礦物類型為鉀長石、斜長石、方解石；黏土礦物分析試驗表明，伊蒙混層相對含量為48%～61%，伊利石含量為13%～32%。利用掃描電鏡觀察巖心微觀結(jié)構(gòu)（見圖2）可以看出，主要膠結(jié)物為石英和黏土礦物，巖心中微裂縫發(fā)育，黏土礦物的定向排列增加了微裂縫豐度。

圖1　層理明顯的硬脆性泥頁巖

圖2　硬脆性泥頁巖微觀結(jié)構(gòu)

1.2鉆井液活度與泥頁巖吸水量

研究表明，鉆井液活度與地層巖石膨脹率有密切關(guān)系，且可依此界定巖石水化程度[8-13]：

其中 x=Swell+e

根據(jù)（1）式可以得到鉆井液活度-地層巖石標準膨脹率曲線（見圖3），將地層巖石活度值作為控制地層井壁穩(wěn)定的鉆井液活度窗口上限Awshale，對應(yīng)的巖石膨脹率為界定表面水化和滲透水化的臨界膨脹率Swellc，零膨脹率對應(yīng)的鉆井液活度Awlower為活度窗口下限。只有將外界濾液活度控制在活度窗口內(nèi)，才能保證地層巖石處于臨界膨脹率之內(nèi)的表面水化階段，膨脹率過高、處于滲透水化階段和膨脹率過低（甚至為負）、處于去水化階段，都會導(dǎo)致地層巖石強度大幅劣化，引起地層分散垮塌。

圖3　鉆井液活度-地層巖石標準膨脹率曲線

對外界濾液活度的控制直接影響地層巖石的吸水量。地層巖石活度與吸水量的關(guān)系雖在基本形式上遵從常用建筑材料平衡含濕量曲線數(shù)學(xué)表達式[14]，但改進后的形式更加符合二者的實際關(guān)系：

通過對活度的限定，可以得出地層巖石標準吸水量窗口（見圖4中Ⅱ區(qū)），只有在吸水量窗口內(nèi)，地層巖石才可以承受水化作用。圖4中Ⅰ區(qū)以化合水為主，即水分子和巖石成分中的離子基團通過離子-偶極相互作用牢固結(jié)合，可以認為是巖石的固有部分，若巖石活度在此范圍則認為是干物質(zhì)，不是本文研究范圍；Ⅱ區(qū)以吸附水為主，即水在干物質(zhì)親水基團周圍形成多層吸附，這部分水可以通過物理手段從巖石中抽離，若巖石活度在此范圍則認為處于自然狀態(tài)下；Ⅲ區(qū)以體相水為主，即所含水分僅是因為人為原因出現(xiàn)在巖石當中，屬于自由水，當巖石活度處于此范圍則認為其力學(xué)性質(zhì)已發(fā)生質(zhì)的變化。

圖4　地層巖石標準吸水量窗口

為保證井壁圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)該明確鉆井液活度窗口，從而嚴格控制泥頁巖吸水量，在鉆井液接觸地層巖石之前為井壁穩(wěn)定提供先行保障。

2　斜井段井壁穩(wěn)定力化耦合模型

基于硬脆性泥頁巖理化性能特點，認為巖石屬小變形彈性體，建立考慮地應(yīng)力、液柱壓力、鉆井液滲流效應(yīng)、地層水化效應(yīng)的斜井段井壁穩(wěn)定力化耦合應(yīng)力分布模型，該模型假設(shè)地層為均勻各向同性、線彈性多孔材料，并認為井壁圍巖處于平面應(yīng)變狀態(tài)[15-16]。

圖5為地應(yīng)力與井壁、弱面坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，井壁應(yīng)力分量在斜井狀態(tài)下可表示為：

圖5　地應(yīng)力與井壁、弱面坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系

由于硬脆性泥頁巖微裂縫發(fā)育，認為巖石破壞服從考慮裂縫、節(jié)理存在的橫觀各向同性的弱面破壞準則，斜井柱坐標系中井壁的最小、最大主應(yīng)力可表示為：

井壁最大主應(yīng)力與z軸夾角為：

弱面法向的方向矢量為：

井壁最大主應(yīng)力的方向矢量在斜井直角坐標系中可表示為：

井壁最大主應(yīng)力與弱面法向的夾角滿足以下關(guān)系：

考慮水化作用對硬脆性泥頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)影響，弱面吸水后黏聚力及內(nèi)摩擦系數(shù)分別為：

根據(jù)弱面破壞準則求取地層沿弱面產(chǎn)生剪切破壞時的坍塌壓力：

3　坍塌壓力分布影響因素

進行坍塌壓力分布影響因素分析時模型中地層巖石力學(xué)參數(shù)設(shè)定為：地層深度5 200 m，上覆巖層壓力梯度2.30 MPa/100 m，最大水平地應(yīng)力梯度2.4 MPa/100 m，最小水平地應(yīng)力梯度1.7 MPa/100 m，孔隙壓力梯度1.09 MPa/100 m，孔隙度8.5%，比奧系數(shù)0.85，泊松比0.24，巖石本體黏聚力40 MPa，本體內(nèi)摩擦角43°，弱面原始黏聚力10 MPa，弱面原始內(nèi)摩擦角26°。

3.1弱面產(chǎn)狀

地層巖石力學(xué)參數(shù)固定時，弱面傾角和傾向?qū)μ鷫毫Ψ植籍a(chǎn)生重要影響。當弱面傾角固定僅考慮弱面傾向時，坍塌壓力分布呈四分之一軸對稱（見圖6）。因此，在分析弱面傾角和傾向?qū)μ鷫毫Φ挠绊憰r，僅考慮弱面傾向60°（最大地應(yīng)力方向）、105°、150°（最小地應(yīng)力方向）的情況及弱面傾角15°、45°、75°的情況（見圖7）。從圖7可以看出：由于弱面的存在，不再存在坍塌壓力單調(diào)遞增或遞減的井斜方位；隨著井斜角的增加，危險區(qū)域（紅色部分）和安全區(qū)域（藍色部分）交替出現(xiàn)，其中弱面傾角75°、傾向150°時趨勢比較明顯；最佳井眼軌跡可沿以井斜方位60°、240°為軸的西北方的大部分方向。

3.2化學(xué)因素

分析化學(xué)因素時，主要考慮弱面水化的影響，水化后弱面黏聚力和內(nèi)摩擦角都會發(fā)生變化，隨水化程度的加深，二者均呈下降趨勢，且弱面黏聚力對坍塌壓力的影響遠不及弱面內(nèi)摩擦角。圖8為井斜角30°、弱面傾角75°、弱面傾向150°時弱面水化程度對坍塌壓力分布的影響，可以看出：坍塌壓力最小值出現(xiàn)在井斜方位30°和270°附近，危險區(qū)域在60°～240°，與僅考慮本體計算時走滑斷層條件下最佳井眼軌跡方位應(yīng)沿最小地應(yīng)力方向（150°）不同；僅考慮弱面黏聚力水化影響時，坍塌壓力梯度在（0.9～1.6）MPa/100 m，僅考慮弱面內(nèi)摩擦角水化影響時，坍塌壓力梯度在（0.9～2.7）MPa/100 m。

圖6　弱面傾角15°時坍塌壓力隨弱面傾向的變化

4　實例分析

以中國西北部A油田S水平井為例：該井位于志留系的斜井段剝落掉塊嚴重，通井劃眼期間遇阻嚴重，共耗時27 d；四開定向鉆進下鉆遇阻，劃眼困難，扭矩大，鉆井液密度提至1.45 g/cm3，反復(fù)劃眼效果不明顯，后改用油基鉆井液體系，鉆井液密度提至1.80 g/cm3，發(fā)生井漏事故后降低至1.70 g/cm3；造斜段平均井徑擴大率達28.73%，最高達46.20%。

相關(guān)地層巖石力學(xué)參數(shù)為：地層深度5 313 m，上覆巖層壓力梯度2.4 MPa/100 m，最大水平地應(yīng)力梯度2.5 MPa/100 m，水平最小地應(yīng)力梯度1.9 MPa/100 m，孔隙壓力梯度1.33 MPa/100 m，孔隙度7.5%，比奧系數(shù)0.85，泊松比0.20，巖石本體黏聚力35 MPa，本體內(nèi)摩擦角40°，弱面黏聚力19 MPa，弱面內(nèi)摩擦角22°，弱面傾角15°，弱面傾向130°左右，最大地應(yīng)力方向40°左右。

圖7　坍塌壓力隨弱面傾角和傾向的變化

圖8　弱面水化程度對坍塌壓力分布規(guī)律的影響

根據(jù)本文建立的模型，對25塊現(xiàn)場垮塌段巖心進行測試，其中6塊用于巖石膨脹率與活度關(guān)系測試，6塊用于巖石活度與吸水量關(guān)系測試，7塊用于巖石力學(xué)性能測試，6塊用水基鉆井液浸泡后巖石弱面強度測試。表1為各關(guān)系式中待定系數(shù)的擬合值。

分析可知，該井段合理的鉆井液活度窗口為0.30～0.56，臨界膨脹率為3.3%，則地層巖石標準吸水量窗口上限為1.8%；實際接觸了活度為0.98的水基鉆井液之后，地層吸水量達到2.5%，吸水后巖石弱面黏聚力15 MPa，降低21.1%，內(nèi)摩擦角19°，降低13.6%。

表1　S井各關(guān)系式中待定系數(shù)擬合值

S井井深5 313 m時井眼軌跡在井斜方位285°、井斜角13°上，分別利用不考慮弱面和水化影響的本體模型、考慮天然裂縫的弱面模型和本文力化耦合模型進行坍塌壓力計算，結(jié)果（見圖9）表明：①本體模型計算的坍塌壓力梯度在（1.04～1.20）MPa/100 m，隨井斜角增大而降低，考慮到地層異常高壓情況，由于地層孔隙壓力梯度為1.33 MPa/100 m，鉆井液密度需高于1.33 g/cm3。②弱面模型計算的坍塌壓力梯度在（1.15～1.44）MPa/100 m，不僅數(shù)值整體提高，變化趨勢也不再隨井斜角單調(diào)遞減，而是在10°附近出現(xiàn)高危區(qū)域。③本文力化耦合模型計算的坍塌壓力變化趨勢與弱面模型相似，在活度0.98的水基鉆井液環(huán)境下，由于化學(xué)因素影響，地層已經(jīng)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，即使鉆井液密度能達到1.40～1.71 g/cm3，井壁也隨時有因過度吸水而產(chǎn)生裂縫的危險；在活度0.56（活度窗口上限）的鉆井液環(huán)境下，坍塌壓力梯度在（1.24～1.55）MPa/100 m，則在相同地質(zhì)條件下，僅需將鉆井液活度控制在活度窗口內(nèi)，可將鉆井液密度降低10%左右，既節(jié)約成本，又可保證井壁穩(wěn)定。

圖9　S井井深5 313 m、井斜方位285°時坍塌壓力分布規(guī)律

5　結(jié)論

根據(jù)硬脆性泥頁巖理化性能特點，研究大斜度井造斜段的井壁穩(wěn)定問題，建立了考慮弱面水化的力化耦合模型，通過膨脹率-活度-含水量-弱面力學(xué)參數(shù)關(guān)系的建立，給出合理的鉆井液活度窗口，從而界定能夠保持巖石力學(xué)穩(wěn)定的巖石臨界膨脹率及合理吸水量，得到弱面力學(xué)參數(shù)可承受的水化程度，計算坍塌壓力。

弱面產(chǎn)狀對坍塌壓力分布有重要影響，弱面傾角固定時，坍塌壓力隨弱面傾向變化且呈四分之一對稱分布，不存在坍塌壓力單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的井斜方位，危險區(qū)域和安全區(qū)域交替出現(xiàn)。對于硬脆性泥頁巖，認為可以忽略程度不明顯的本體水化作用，但其內(nèi)部發(fā)育的裂縫作為弱面結(jié)構(gòu)則需要考慮水化產(chǎn)生的影響。與弱面黏聚力相比，硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性對弱面內(nèi)摩擦角的弱化更敏感，即弱面內(nèi)摩擦角的水化程度對坍塌壓力分布有更大影響。

實例分析結(jié)果表明：與不考慮弱面和水化影響的本體模型及考慮天然裂縫的弱面模型相比，本文建立的力化耦合模型可以更準確地預(yù)測坍塌壓力，且只需將鉆井液活度控制在活度窗口內(nèi)，就能保證井壁穩(wěn)定，還能降低鉆井液密度。

符號注釋：

Aw——鉆井液活度；a，b，c，d——待定系數(shù)；Swell——與外界濾液接觸后地層巖石標準膨脹率，%；e——對膨脹實驗中出現(xiàn)的負膨脹率的修正值，一般取負膨脹率絕對值加0.1；Swellc——用以界定表面水化和滲透水化的臨界膨脹率，%；Awshale，Awlower——可控制井壁穩(wěn)定的鉆井液活度窗口上限和下限；W——地層巖石吸水量，%；Aws——地層巖石活度；p，q，t，s——待定系數(shù)；Wshale，Wlower——地層巖石吸水量上限和下限，%；σr，σθ，σz，σθz——柱坐標系中的應(yīng)力分量，MPa；pi——井內(nèi)液柱壓力，MPa；pp——地層孔隙壓力，MPa；φ——地層孔隙度，%；σxx，σxy，σxz，σyx，σyy，σyz，σzx，σzy，σzz——地應(yīng)力分量，MPa；K1——滲流效應(yīng)系數(shù)；θ——井周角，（°）；υ——泊松比；α——比奧系數(shù)；δ——井壁滲透系數(shù)；σv——上覆巖層壓力，MPa；σh——水平最小地應(yīng)力，MPa；σH——水平最大地應(yīng)力，MPa；?——相對于最大水平地應(yīng)力的井斜方位，（°）；ψ——井斜角，（°）；σ1，σ3——井壁處最大及最小主應(yīng)力，MPa；γ——井壁最大主應(yīng)力與z軸的夾角，（°）；n——弱面法向的方向矢量；i，j，k——x、y、z軸的方向矢量；θDIP——弱面傾角，（°）；θTR——弱面傾向，（°）； N——井壁最大主應(yīng)力的方向矢量；β——井壁最大主應(yīng)力與弱面法向的夾角，（°）；Fw0——弱面原始黏聚力，MPa；μw0——弱面原始內(nèi)摩擦系數(shù)；Fw——弱面吸水后黏聚力，MPa；μw——弱面吸水后內(nèi)摩擦系數(shù)；m1，m2，n1，n2——待定系數(shù)。

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（編輯 胡葦瑋 繪圖 劉方方）

A chemo-mechanical coupling model of deviated borehole stability in hard brittle shale

Wen Hang1,Chen Mian1,Jin Yan1,Wang Kai2,Xia Yang1,Dong Jingnan1,Niu Chengcheng3
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;2.CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.,Beijing 100010,China;3.Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100010,China)

A chemo-mechanical coupling model of borehole stability in hard brittle shale considering structure characteristics and targeted hydration was established,the influencing factors of the distribution of collapse pressure were analyzed based on the model,and a field case analysis was conducted.Based on the physicochemical properties of hard brittle shale,a drilling fluid activity window was proposed for calculating collapse pressure by establishing the relationships of drilling fluid activity vs.swelling ratio of rock and rock activity vs.moisture content to determine critical swelling ratio of rock and reasonable moisture content.The results show that,when fixing the dip angle of weak plane,the collapse pressure appears a quarter symmetric distribution with the change in tendency,there is no azimuth angle who has a monotonic increasing or decreasing collapse pressure,and dangerous sections and safe sections exist alternately;compared with cohesion of weak plane,collapse pressure is more sensitive to internal friction angle.Field case shows that,accurate prediction of collapse pressure distribution can be obtained by the chemo-mechanical coupling model,in which borehole stability can be ensured and the density of drilling fluid can be decreased as long as the drilling fluid activity is controlled in the window.

hard brittle shale;drilling fluid activity;borehole stability;chemo-mechanical coupling;deviated well;collapse pressure

國家科技重大專項（2011ZX0503-004-001-001）；國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項目“石油工程巖石力學(xué)”（51325402）

TE243

：A

1000-0747(2014)06-0748-07

10.11698/PED.2014.06.16

溫航（1984-），女，黑龍江齊齊哈爾人，現(xiàn)為中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事油氣井巖石力學(xué)與工程方面的研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號，中國石油大學(xué)（北京）289信箱，郵政編碼：102249。E-mail：wenhang6024@126.com

聯(lián)系作者：金衍（1972-），男，浙江臨海人，中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教授，主要從事油氣井巖石力學(xué)與工程方面的研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號，中國石油大學(xué)（北京）289信箱，郵政編碼：102249。E-mail:jinyancup@163.com

2014-03-05

2014-08-26