鉆井液浸泡頁巖裂縫寬度的模擬及應用

康毅力 皇凡生 游利軍 俞楊烽 練章華

（西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500）

鉆井液浸泡頁巖裂縫寬度的模擬及應用

康毅力 皇凡生 游利軍 俞楊烽 練章華

（西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500）

鑒于我國頁巖氣開發(fā)試驗區(qū)水平井油基鉆井液鉆井過程中，頻繁出現(xiàn)嚴重的井壁失穩(wěn)、井漏等井下復雜情況，選取渝東南龍馬溪組露頭頁巖為實驗巖樣，開展了鉆井液浸泡前后頁巖巖石力學性質(zhì)的測試，基于有限元數(shù)值模擬法建立了連通井筒單條垂直裂縫情況下的裂縫動態(tài)寬度預測模型，研究了鉆井液浸泡后頁巖裂縫寬度變化的行為，修正和完善了基于有限元的裂縫動態(tài)寬度預測方法，并討論了裂縫寬度變化模擬在漏失性儲層保護和井壁失穩(wěn)控制方面的應用。結(jié)果表明，鉆井液浸泡后頁巖彈性模量減小，泊松比增加，巖石強度明顯降低；鉆井液浸泡后頁巖裂縫動態(tài)寬度對井筒壓力變化更加敏感，各裂縫長度和井筒正壓差條件下的半縫寬增量均比浸泡前增加了約8%，且半縫寬增量隨井筒正壓差的增加而大幅度增加，動態(tài)縫寬可達數(shù)毫米量級；鉆井液密度—裂縫寬度—架橋封堵顆粒粒徑三者緊密相關(guān)。研究獲得的裂縫動態(tài)寬度參數(shù)對優(yōu)選鉆井堵漏材料和粒徑級配、控制合理鉆井液密度、控制井漏和井壁失穩(wěn)具有重要的意義。

巖石力學；頁巖氣；鉆井液；井漏；裂縫寬度；數(shù)值模擬；威201-H1井

中國海相頁巖、海陸交互碳質(zhì)頁巖和湖相頁巖裂縫系統(tǒng)發(fā)育［1］，長水平段鉆井過程中易發(fā)生井漏、井塌等現(xiàn)象，造成鉆井液的大量漏失、卡鉆、埋鉆等復雜事故，嚴重制約著頁巖氣藏的安全、快速、高效鉆井。以四川盆地威遠構(gòu)造頁巖氣鉆井為例［2-4］，該區(qū)塊鉆井過程中井漏、井塌現(xiàn)象普遍存在，威72井漏失鉆井液39.5 m3，威76井漏失鉆井液42.8 m3，威105井漏失鉆井液67.8 m3；龍?zhí)督M、龍馬溪組、大乘寺組地層均出現(xiàn)不同程度的井壁掉跨和坍塌現(xiàn)象。尤其是龍馬溪組作為頁巖氣井的目的層段之一，大斜度（水平）井鉆井過程中井壁穩(wěn)定性極差，發(fā)生嚴重井塌現(xiàn)象。由于該區(qū)塊頁巖地層層理、裂縫異常發(fā)育，盡管采用油基鉆井液鉆進，井漏和井塌現(xiàn)象仍普遍存在。研究發(fā)現(xiàn)提高油基鉆井液的封堵性能，防止鉆井液濾液沿層理或裂縫漏失，能夠有效控制井漏和井壁失穩(wěn)。

封堵漏失通道、強化井周應力和提高裂縫延伸壓力是解決裂縫性地層漏失和井壁失穩(wěn)的主要方法，其技術(shù)關(guān)鍵是準確預測井壁附近裂縫寬度和優(yōu)選與之匹配的架橋封堵材料及其粒徑級配［5-6］。目前預測裂縫寬度變化主要有如下3種手段：一是通過室內(nèi)實驗模擬應力變化直接或間接獲得裂縫寬度，但室內(nèi)研究僅能獲得巖心柱塞尺度上的裂縫寬度變化；二是建立鉆井液在裂縫內(nèi)的漏失數(shù)學模型預測動態(tài)裂縫寬度變化，該方法因模型假設(shè)條件過于理想，預測結(jié)果與實際情況存在一定差距；三是根據(jù)巖石力學參數(shù)，利用有限元法預測鉆完井過程中的動態(tài)裂縫寬度變化，該方法具有模擬儲層尺度下裂縫寬度變化的技術(shù)優(yōu)勢且結(jié)果實用性強，得到廣泛應用。鉆井過程中鉆遇的裂縫長度可以從幾米到幾十米［7］，如此大尺度裂縫的動態(tài)裂縫寬度變化難以在室內(nèi)開展實驗，主要采用有限元數(shù)值模擬方法進行研究。練章華［8］、李相臣［9］、湯夏嵐［10］等采用有限元數(shù)值模擬法分別建立了與井筒連通的單條垂直裂縫、2條垂直裂縫和平行成組裂縫情況下的裂縫寬度預測模型，研究了不同模型中裂縫寬度、長度及井筒正壓差的關(guān)系。李大奇和康毅力等［11］建立了考慮溶洞存在和漏失動態(tài)的有限元模型，研究了裂縫的寬度變化規(guī)律及其對鉆井液漏失的影響。李松和康毅力等［12］建立了不同縫洞組合情況下裂縫寬度變化的有限元模型，研究了裂縫寬度、長度與井筒正壓差以及溶洞發(fā)育情況的關(guān)系。然而上述研究所涉及的巖石力學參數(shù)均通過干巖樣三軸巖石力學實驗獲取，尚未考慮鉆井液浸泡對巖石力學性質(zhì)的影響。作為裂縫寬度變化有限元模擬的基礎(chǔ)參數(shù)，浸泡前后巖石力學參數(shù)的變化必將導致裂縫寬度變化行為的不同。因此，為了研究鉆井液浸泡對裂縫寬度變化行為的影響，更為準確地預測不同正壓差條件下連通井筒裂縫的縫寬變化規(guī)律，文中以渝東南龍馬溪組露頭頁巖為實驗對象，分析了鉆井液浸泡對頁巖巖石力學性質(zhì)的影響，基于ANSYS有限元法模擬和對比了鉆井液浸泡前后連通井筒單條垂直裂縫的縫寬變化規(guī)律，并討論了裂縫寬度變化模擬在漏失性儲層保護和井壁失穩(wěn)控制方面的應用。

1 鉆井液浸泡對頁巖力學性質(zhì)的影響

1.1 頁巖礦物特征分析

實驗以重慶彭水縣長灘（CT）鄉(xiāng)下志留統(tǒng)龍馬溪組露頭頁巖為研究對象，選取3處不同位置的巖塊（CT1、CT2、CT3）開展了全巖礦物和X線衍射分析實驗，分析了全巖礦物組分和黏土礦物含量，實驗結(jié)果如表1、表2所示。

表1 龍馬溪組露頭頁巖巖樣全巖礦物分析

表2 龍馬溪組露頭頁巖巖樣黏土礦物相對含量分析

分析實驗結(jié)果可知，長灘區(qū)龍馬溪組露頭頁巖脆性礦物含量豐富，水化膨脹性弱，具備古生界海相硬脆性頁巖的特征。

圖1為鉆井液浸泡前長灘區(qū)龍馬溪組露頭頁巖掃描電鏡圖像，分析可知，龍馬溪組露頭頁巖微孔隙和微裂縫發(fā)育，石英、長石等構(gòu)成巖石的骨架，黏土礦物呈片狀充填于骨架顆粒之間和微裂縫中，起到膠結(jié)的作用。鉆井過程中，鉆井液的液相會沿微裂縫、微節(jié)理滲入地層內(nèi)部，與黏土礦物發(fā)生物理、化學的反應，破壞巖石原始環(huán)境狀態(tài)的平衡，導致頁巖巖石力學性質(zhì)發(fā)生變化。

1.2 力學測試巖樣制備及實驗方案

圖1 鉆井液浸泡前長灘區(qū)龍馬溪組露頭頁巖SEM圖像

考慮到各向異性對巖石強度和變形特征的影響，加工時需沿同一方向進行取樣。根據(jù)國際巖石力學實驗標準，把所取巖心制備成 25 mm×50 mm的標準巖樣，并在相同條件下測量其孔隙度、滲透率等參數(shù)，從中選取2塊物性接近的巖心（CT1-16和CT1-37），采用RTR-1000靜（動）態(tài)三軸巖石力學伺服測試系統(tǒng)開展頁巖力學實驗研究。經(jīng)測定某區(qū)塊所用油基鉆井液pH=11.59，故選用pH=12的NaOH+3%KCl溶液模擬該油基鉆井液濾液。把巖樣CT1-16放置于該鉆井液濾液中，70 ℃條件下浸泡168 h，CT1-37不做任何處理。168 h后對浸泡巖樣和干巖樣進行三軸巖石力學測試，實驗圍壓30 MPa，測試溫度70 ℃。

1.3 實驗結(jié)果分析

圖2所示為頁巖干巖樣和受鉆井液浸泡巖樣的應力—應變曲線，從圖中可以看出，受鉆井液浸泡后頁巖巖石強度明顯降低，從鉆井液浸泡前的221.2 MPa降低到浸泡后的167.7 MPa。由表3可知，鉆井液浸泡作用使頁巖巖石力學參數(shù)發(fā)生了明顯變化，表現(xiàn)為彈性模量減小，泊松比增加，該實驗現(xiàn)象也在諸多文獻中被證實［13-15］。

圖2 鉆井液浸泡對頁巖變形和破壞規(guī)律的影響

表3 鉆井液浸泡前后頁巖三軸壓縮實驗結(jié)果

2 鉆井液浸泡前后頁巖裂縫寬度動態(tài)變化模擬

2.1 有限元力學模型

（1）基本假設(shè)。①地層巖石為各向同性；②地層巖體為彈性變形體；③裂縫面為平面；④裂縫面滲透率為零。

（2）力學模型的建立。由巖心和測井資料分析可知，威遠氣田志留系龍馬溪組頁巖層段裂縫發(fā)育，以垂直縫、高角度縫為主，呈多組系交錯切割分布［2］。根據(jù)該儲層段裂縫發(fā)育特征，選擇連通井筒的單條垂直裂縫情形進行模擬研究，實體模型如圖3所示。根據(jù)彈塑性力學有限元法的理論，本研究屬于平面應變問題，由于模型具有對稱性，取其四分之一進行研究，建立了有限元力學模型，如圖4所示。

圖3 與井筒連通單條垂直裂縫實體模型

圖4 與井筒連通單條垂直裂縫有限元力學模型

（3）邊界條件。FA圓弧為井筒，AB為裂縫段，假設(shè)裂縫內(nèi)壓力與井筒內(nèi)壓力相等，即分析過程中，F(xiàn)AB施加井筒有效壓力Δp，BC和EF段為對稱段，施加對稱位移。CD段施加最大有效水平地應力P1，DE段施加最小有效水平地應力P2，即裂縫AB是沿最大有效地應力P1方向。

（4）基本參數(shù)。鉆井液浸泡前后的彈性模量和泊松比參考表3數(shù)據(jù)。由威201-H1井龍馬溪組頁巖地層的地應力［16］測試結(jié)果（見表4）可知，孔隙壓力P0為28.55 MPa，最大水平主應力72.23 MPa，最小水平主應力49.11 MPa。

表4 威201-H1井龍馬溪組地應力

選取比奧特系數(shù)α=0.5，根據(jù)孔隙彈性效應，有限元有效載荷如下：最大有效水平主應力P1=57.96 MPa，最小有效水平主應力P2=34.84 MPa，井筒正壓差ΔP可以通過井筒壓力P井筒調(diào)節(jié)大小，分析和預測裂縫動態(tài)寬度變化情況。

2.2 計算機模擬結(jié)果

設(shè)定井筒正壓差為3 MPa、5 MPa、7 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa，裂縫長度為1 000 mm、5 000 mm、10 000 mm，分別模擬鉆井液浸泡前后的裂縫寬度變化，預測結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 未考慮鉆井液浸泡的半縫寬增量預測結(jié)果

圖6 鉆井液浸泡條件下半縫寬增量預測結(jié)果

2.3 模擬結(jié)果對比分析

堵漏材料能否在井壁裂縫較淺深度范圍內(nèi)穩(wěn)定架橋（封喉）是漏失控制的關(guān)鍵［17-18］，故模擬研究注重于靠近井壁附近的裂縫寬度變化。表5給出了鉆井液浸泡前后井壁處裂縫半縫寬增量的模擬結(jié)果。由表5可知，鉆井液浸泡后，在各給定裂縫長度及井筒正壓差條件下半縫寬增量均比浸泡前有所增加，增加幅度約8%，且半縫寬增量隨井筒正壓差的增加而大幅度增加，動態(tài)縫寬可達數(shù)毫米量級。

表5 鉆井液浸泡前后井壁處半縫寬增量對比 mm

由于地層的巖石力學參數(shù)會隨著鉆井工程等作業(yè)發(fā)生變化，因此在實際應用中，如地層坍塌壓力、破裂壓力計算、連通井筒裂縫的縫寬變化預測等，應當考慮當時狀態(tài)下的巖石力學參數(shù)值。以往有限元法預測裂縫寬度時采用的均是干巖樣巖石力學參數(shù)，忽略了實際鉆井過程中鉆井液浸泡對巖石力學性質(zhì)的影響，其模擬結(jié)果無法反映真實狀態(tài)下裂縫寬度的變化情況。今后在儲層保護鉆井液設(shè)計前應首先開展鉆井液浸泡對儲層巖石力學性質(zhì)的影響研究，然后基于浸泡后的巖石力學參數(shù)進行裂縫寬度變化的計算機模擬，只有這樣才能更為準確地預測井壁附近裂縫的真實縫寬變化，提高裂縫寬度預測的精度，增強模擬結(jié)果的實用性。

3 工程應用

3.1 漏失性儲層保護方面的應用

屏蔽暫堵技術(shù)是解決裂縫性漏失的主要手段，它主要是通過固相顆粒對孔喉或裂縫的架橋封堵作用，在井壁附近形成滲透率近于零的屏蔽暫堵帶，從而有效地封堵漏失通道，其技術(shù)關(guān)鍵是需要準確預測井壁附近裂縫寬度的動態(tài)變化。而針對井筒壓力高于地層破裂壓力時產(chǎn)生的誘導裂縫性漏失，主要的預防和控制措施是采用井壁強化技術(shù)，它包括強化井周應力和提高裂縫延伸壓力2種方法。

（1）強化井周應力。Aston等［19］引入了“應力籠”的概念，通過把固相顆粒像“楔子”一樣楔進裂縫（即架橋和封堵），壓縮井周地層，在近井眼地帶產(chǎn)生一個附加周向應力（如圖7），從而提高地層破裂壓力或裂縫閉合應力，并在井壁附近形成致密封堵帶，阻止流體向裂縫內(nèi)的進一步漏失。該方法的技術(shù)關(guān)鍵是需要知道裂縫的縫寬，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)選架橋封堵材料及其粒徑級配［20］。

圖7 “應力籠”形成基本原理

（2）提高裂縫延伸壓力。通過固相材料在裂縫內(nèi)部的架橋封堵，對裂縫形成末端隔離，阻斷壓力向裂縫尖端的傳遞，從而有效提高裂縫延伸的阻力，如圖8所示。該方法的技術(shù)關(guān)鍵也是需要知道應力擾動下裂縫的動態(tài)寬度變化。

3.2 井壁失穩(wěn)控制方面的應用

圖8 提高裂縫延伸壓力原理

統(tǒng)計表明，90%以上的井壁失穩(wěn)發(fā)生在泥頁巖地層［21］。頁巖層段井壁失穩(wěn)除了由水化膨脹和地應力不平衡造成的外，鉆井液與頁巖的物理化學作用導致的裂縫擴展、層理滑移也是井壁失穩(wěn)的主要機理之一。當頁巖浸泡于鉆井液中，鉆井液濾液沿層理面或微裂縫進入巖石，導致裂縫縫尖應力強度因子增加、臨界斷裂韌性降低、裂縫擴展，同時鉆井液濾液改變層理面充填物的礦物成分，降低層理面的摩擦因數(shù)，導致層理滑移，從而誘發(fā)井壁失穩(wěn)［14］。

使用油基鉆井液、調(diào)整鉆井液密度能有效減小頁巖水化膨脹和地應力不平衡造成的井壁失穩(wěn)，而針對裂縫擴展、層理滑移造成的井壁失穩(wěn)，一般通過控制鉆井液濾液滲入裂縫和阻止井筒壓力向裂縫內(nèi)部傳遞來解決，采用的主要方法是封堵漏失通道、強化井周應力和提高裂縫延伸壓力，而這3種方法均需知道應力擾動下裂縫寬度的動態(tài)變化情況。

3.3 工程實例及分析

威201-H1井是中國第1口頁巖氣水平井，目的層段為龍馬溪組，設(shè)計井深3 032 m，水平段長1 200 m，最終該井因水平段井壁坍塌而提前完鉆，實鉆井深2 823.48 m，水平段長991.48 m，處理復雜工況時間37.66 d，占總鉆井時間的52.26%。

威201-H1井鉆至井深1 865 m龍馬溪組上部地層時，采用密度為1.20~1.22 g/cm3的油基鉆井液發(fā)生井壁坍塌，并伴隨井漏，隨后把鉆井液密度提至1.62 g/cm3，井壁坍塌依然存在，而且隨著鉆井液密度的提高，井漏現(xiàn)象也變得更加突出，最后把鉆井液密度迅速提至2.21~2.30 g/cm3，并在鉆井液中加入一些暫堵材料后，井下復雜狀況才明顯減少。

經(jīng)分析鉆井液封堵性能失效是誘發(fā)威201-H1井龍馬溪組水平段復雜工況的主要原因。威遠構(gòu)造志留系龍馬溪組頁巖微孔隙、微裂縫發(fā)育，微孔隙直徑主要在0.1~1 μm，微裂縫寬度主要在10~23 μm［2］。對該區(qū)塊所用油基鉆井液進行抽樣，應用Mastersizer2000激光粒度儀測得其粒度分布為：D10=1.593 μm、D50=12.573 μm、D90=33.760 μm。室內(nèi)實驗表明該鉆井液體系能夠?qū)鶋K孔喉和裂縫形成有效封堵，但由數(shù)值模擬結(jié)果可知，應力擾動下裂縫的動態(tài)寬度在幾兆帕下就可達到數(shù)毫米量級，遠遠超過了鉆井液的封堵能力。油基鉆井液水平井鉆井過程中井壁失穩(wěn)主要是應力失穩(wěn)和層理、裂縫失穩(wěn)共同作用的結(jié)果。雖然增加鉆井液密度能夠有效解決應力失穩(wěn)，但連通井筒裂縫的縫寬會隨鉆井液密度的增加而增加，當裂縫寬度超過鉆井液的封堵能力時，鉆井液就會沿層理和裂縫大量漏失，誘發(fā)層理、裂縫失穩(wěn)。同時鉆井液密度過大也會壓破地層，進一步加劇井壁失穩(wěn)。

勝利油田T2Y、T3W和T3L井鉆井過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)，經(jīng)分析鉆井液封堵性能失效和鉆井液的高pH值是誘發(fā)井壁失穩(wěn)的主要原因，之后通過加入LF-2（一種暫堵材料）和降低pH值對該區(qū)所用鉆井液進行改進，并把該改性鉆井液體系應用于鄰井T3ZV和T3ZS的鉆進過程中，測井解釋發(fā)現(xiàn)井徑曲線規(guī)則，且取心、測井、完井等作業(yè)均順利完成，取得了較好地穩(wěn)定井壁的效果。

因此，鉆井液密度—裂縫寬度—架橋封堵顆粒粒徑三者緊密相關(guān)。為綜合解決頁巖地層水平井鉆井過程中井壁失穩(wěn)、井漏等問題，須在調(diào)整油基鉆井液密度的同時，對架橋封堵材料及其粒徑級配也進行相應調(diào)整，以保證鉆井液封堵性能的有效性。

4 結(jié)論

（1）頁巖儲層鉆井過程中，受鉆井液長時間浸泡的影響，其巖石力學性質(zhì)將發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為彈性模量減小，泊松比增加，巖石強度降低。

（2）鉆井液浸泡后，頁巖裂縫動態(tài)寬度對井筒壓力變化更加敏感，各裂縫長度和井筒正壓差條件下的半縫寬增量均比浸泡前增加了約8%，且半縫寬增量隨井筒正壓差的增加而大幅度增加，動態(tài)縫寬可達數(shù)毫米量級。

（3）鉆井液密度—裂縫寬度—架橋封堵顆粒粒徑三者緊密相關(guān)，鉆井液優(yōu)化設(shè)計時，須在保證鉆井液封堵性能的前提下，調(diào)整鉆井液的密度，從而協(xié)同作用來穩(wěn)定井壁和控制井漏。

（4）準確預測井筒附近裂縫寬度，明確其對井筒壓力的動態(tài)響應規(guī)律，對優(yōu)選鉆井堵漏材料和粒徑級配、控制合理的鉆井液密度，從而更加有效地保護儲層、控制井漏和井壁穩(wěn)定具有重要的意義。

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（修改稿收到日期 2014-06-21）

〔編輯 薛改珍〕

Simulation and application of shale fracture width immersed in drilling fluid

KANG Yili,HUANG Fansheng,YOU Lijun,YU Yangfeng,LIAN Zhanghua
（State Key Laboratory of Oil &Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China）

In consideration of the fact that,during drilling of horizontal wells with oil-base mud in the pilot area for development of shale gas in our country,down-hole troubles like severe wellbore instability and lost circulation frequently occur,the outcrops of Longmaxi shale in the southeast of Chongqing were taken as experimental objects in order to carry out the tests of shale rock mechanical properties before and after immersion in drilling fluid;based on finite element numerical model,a model was built for predicting the dynamic fracture under the condition of single vertical fracture connecting the wellbore,the behaviour of shale fracture width variation after immersion was studied,the method for prediction of dynamic fracture width based on finite element was corrected and improved,and the application of fracture width variation simulation was discussed to the protection of leaking reservoirs and control of wellbore instability.The results show that,after immersion in drilling fluid,the elasticity modulus of shale decreased,the Poisson’s ratio increased and the rock strength reduced significantly;after immersion,the dynamic shale fracture width was more sensite to changes in wellbore pressures;the half-fracture width increment under posite pressure differential of each fracture length and wellbore all increased by about 8% compared with pre-immersion;and the increment of half width increased greatly with the increase of posite pressure differential in the wellbore,and the dynamic fracture width could be up to several millimeter order;the three factors:drilling density,fracture width and bridging grain sizes were closely related.The parameters of dynamic fracture width obtained by the research work are very significant for selecting the LCM materials and grain size grading,controlling proper drilling fluid density and hence more effectely protecting the reservoir,controlling lost circulation and wellbore instability.

rock mechanics;shale gas;drilling fluid;lost circulation;fracture width;numerical simulation;W201-H1 well

康毅力，皇凡生，游利軍，等.鉆井液浸泡頁巖裂縫寬度的模擬及應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：41-46.

TE21

：A

1000–7393（2014） 04–0041–06

10.13639/j.odpt.2014.04.011

973計劃課題“深井復雜地層漏失與井壁失穩(wěn)機理及預測”（編號：2010CB226705）資助。

康毅力，1964年生?，F(xiàn)主要從事儲層保護理論及技術(shù)、非常規(guī)天然氣開發(fā)、油氣田開發(fā)地質(zhì)研究與教學工作，教授，博士生導師。電話：028-83032872，83032118。E-mail：cwctkyl@vip.sina.com。