東部某區(qū)塊頁巖井壁失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)研究

羅 超,劉向君，莊大林，雷 夢(mèng)

（西南石油大學(xué)，四川成都610500）

·石油與鉆掘工程·

東部某區(qū)塊頁巖井壁失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)研究

羅 超*,劉向君，莊大林，雷 夢(mèng)

（西南石油大學(xué)，四川成都610500）

東部區(qū)塊是國家油氣發(fā)展的重點(diǎn)勘探區(qū)塊，該區(qū)塊某地層段經(jīng)常因井壁失穩(wěn)造成井下事故，從而影響該地區(qū)油氣勘探開發(fā)進(jìn)度?；趯?shí)驗(yàn)室室內(nèi)巖石力學(xué)評(píng)價(jià)方法對(duì)該區(qū)塊頁巖的礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)及在流體浸泡作用下力學(xué)性質(zhì)變化等分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；并對(duì)該區(qū)塊頁巖進(jìn)行了物性、力學(xué)狀態(tài)等方面進(jìn)行了深入分析研究。建立了井下巖芯的穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)分析體系，并對(duì)現(xiàn)如今該地區(qū)使用的2種鉆井液進(jìn)行優(yōu)選。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：井下某一組段巖芯微裂縫和溶洞發(fā)育，泥漿易浸入，導(dǎo)致頁巖理化性質(zhì)發(fā)生變化的同時(shí)，力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著浸泡時(shí)間增加，頁巖硬度變?nèi)酰怀赡ゃ@井液體系比抗高溫鉆井液體系影響小。

硬脆性；頁巖；井壁穩(wěn)定；鉆井液浸泡

1 概述

井壁穩(wěn)定問題是鉆井工程經(jīng)常遇到的難題。近年來，隨著勘探領(lǐng)域的擴(kuò)展，各種復(fù)雜地層、井下復(fù)雜情況都不可忽略，特別是近年來得到相當(dāng)重視的頁巖。這其中90%以上的井壁事故都是頁巖地層[1-4]。我國通過近5年的鉆井實(shí)踐，對(duì)頁巖氣鉆進(jìn)優(yōu)劣有了初步的了解和認(rèn)識(shí)，但對(duì)頁巖氣地層的井壁失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入，時(shí)常因?yàn)轫搸r氣井的井壁失穩(wěn)而延誤鉆時(shí)，所以鉆井技術(shù)要求相應(yīng)的提高，需要進(jìn)一步深入研究頁巖力學(xué)性質(zhì)、巖樣特性，弄清井壁失穩(wěn)機(jī)理及影響因素，才能加快頁巖氣勘探開發(fā)過程。

東部地區(qū)是近年來我國著力發(fā)展的新區(qū)塊，在這一區(qū)塊地層鉆井過程中出現(xiàn)很多井下事故以及井下復(fù)雜情況，特別是井下某地層段的井下復(fù)雜情況占90%以上[5]。井壁失穩(wěn)會(huì)造成鉆井工期延長，鉆進(jìn)成本升高。同時(shí)還影響后期作業(yè)的穩(wěn)定性以及安全性。因此，針對(duì)東部地區(qū)這一地層頁巖失穩(wěn)問題，本文通過井下巖芯的室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)該地區(qū)頁巖失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析研究。

2 頁巖組構(gòu)及理化性質(zhì)分析

影響井壁失穩(wěn)的因素主要有內(nèi)在因素，如，地質(zhì)力學(xué)因素和地層巖石的綜合性質(zhì)及使用鉆井液的綜合性質(zhì)和鉆井工程等外在因素。除去鉆井工程因素，針對(duì)井壁穩(wěn)定問題的研究最終歸結(jié)到一套井壁穩(wěn)定力學(xué)模型上，模型中參數(shù)即是這些因素的體現(xiàn)。下面首先對(duì)頁巖的結(jié)構(gòu)、礦物組成及含量進(jìn)行分析。

2.1 礦物組成分析

為了研究頁巖的礦物組成，首先對(duì)井下巖芯進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。從表中可得出該區(qū)塊頁巖礦物主要成分以粘土礦物為主，平均含量高達(dá)46.51%。其次較多成分為石英和方解石。

粘土礦物中主要為伊利石，平均含量為40.84%，伊/蒙混層含量也較多，為38.17%，含少量高嶺石和綠泥石。單從成分組成可知，該頁巖地層中強(qiáng)烈膨脹性礦物蒙脫石含量為零，但是伊蒙混層的含量偏高，因此該地層應(yīng)該表現(xiàn)出一定的膨脹性，因此，在鉆井過程中井壁巖石將出現(xiàn)縮徑等現(xiàn)象。

圖1 井下某地層段頁巖礦物組成

圖2 井下某地層段頁巖粘土礦物組成

2.2 頁巖微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)井下頁巖巖樣切片，選取新鮮斷面進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)。從掃描電鏡照片上看：來自不同取樣點(diǎn)的頁巖壓實(shí)程度高、結(jié)構(gòu)緊密，微裂縫和溶洞都較為發(fā)育（圖3）。裂縫和溶洞的發(fā)育給水侵提供了良好的通道。

圖3 頁巖電鏡掃描結(jié)果

3 頁巖力學(xué)特征研究

頁巖的力學(xué)特征是影響井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)特征，特別是實(shí)際鉆井過程中，鉆井液與地層巖石之間的物化作用導(dǎo)致地層失穩(wěn)現(xiàn)象也是很重要的因素。因此很有必要研究鉆井液對(duì)巖石力學(xué)特征的影響，分析不同浸泡鉆井液的破壞機(jī)理，有利于鉆井液優(yōu)選[6]。因此本文針對(duì)南堡地區(qū)現(xiàn)用鉆井液的浸泡前后硬度實(shí)驗(yàn)和三軸實(shí)驗(yàn)，來分析鉆井液對(duì)頁巖的影響。

3.1 頁巖硬度分析

巖石硬度是反映巖石軟硬、鉆井難易程度的重要指標(biāo)。如果鉆井液能在保持井壁穩(wěn)定的前提下，快速降低巖石硬度提高破巖效率，即可大幅度提高鉆井速度，從而降低鉆井速度，加快勘探開發(fā)過程。巖石硬度測定方法多種多樣，本文擬采用史式硬度測定方法。將圓柱巖樣放入硬度儀，由一定形狀壓頭壓入并破碎巖石，用載荷除以表面積的數(shù)值表示試件的硬度值。

巖樣制備：首先制作壓入硬度實(shí)驗(yàn)巖樣，將巖芯加工為?25mm×10mm小圓柱體。保證試件兩端光滑、平行（平行度小于0.01mm）且和中軸線垂直（角度偏差不大于0.05°）。

將巖樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)之后，由巖樣前后破裂圖（圖4、圖5），巖樣表面由硬度儀壓頭造成的破壞點(diǎn)附近有微裂縫發(fā)育，整個(gè)巖樣沿一條主裂縫斷裂破壞，展現(xiàn)高脆性特點(diǎn)。根據(jù)壓入硬度曲線圖（圖6、圖7），在2種流體浸泡[7]下，隨著浸泡時(shí)間的增加，巖石硬度變小，同時(shí)表現(xiàn)出塑性特點(diǎn)，在浸泡鉆井液之后隨著時(shí)間增加，因塑性的變化，導(dǎo)致頁巖出現(xiàn)極限破壞時(shí)間增加，因此長時(shí)間的浸泡導(dǎo)致巖石變軟而不易壓碎。由此可以看出，在這套地層實(shí)際鉆井過程中，會(huì)導(dǎo)致井壁巖石軟化造成縮徑等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。因此該頁巖地層防止井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵在于防止鉆井液浸入地層。

圖4 頁巖壓入硬度實(shí)驗(yàn)破壞前

圖5 頁巖壓入硬度實(shí)驗(yàn)破壞后

3.2 頁巖強(qiáng)度特性研究

選取井下頁巖巖芯，將巖芯加工成?25mm×50mm圓柱體，并對(duì)巖芯做孔隙度、滲透率和聲波測速，根據(jù)以上物理性質(zhì)進(jìn)行分組，保證巖芯一致性。將選取好的巖芯分別浸泡在KCl成膜鉆井液、KCl抗高溫鉆井液中浸泡48h，在圍壓為30MPa下，進(jìn)行三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

從圖8能夠看出，2種流體浸泡下的頁巖比原巖彈性模量、抗壓強(qiáng)度都有所下降，其中浸泡抗高溫鉆井液的頁巖彈性模量和抗壓強(qiáng)度都下降最大，而泊松比增加最大?？梢姡垢邷劂@井液對(duì)此頁巖的影響不論是從水化性能和力學(xué)強(qiáng)度都非常大。因此在此套地層進(jìn)行鉆井作業(yè)的時(shí)候要注意泥漿浸入地層。

泥漿的浸泡導(dǎo)致頁巖力學(xué)強(qiáng)度減弱，同時(shí)也使頁巖軟化，不同流體浸泡后三軸實(shí)驗(yàn)的破壞形式主要是單剪切破壞（圖9），少部分為多重剪切，其主要原因在于頁巖本身的微裂縫發(fā)育、層理發(fā)育以及弱面的裂縫擴(kuò)展，從而傾向于弱面破壞[8]。從圖9看出，浸泡抗高溫鉆井液的巖芯裂紋擴(kuò)展最多，浸泡成膜鉆井液巖芯擴(kuò)展較少?？梢娍垢邷劂@井液對(duì)地層巖石強(qiáng)度影響比成膜鉆井液要強(qiáng)，因此在實(shí)際鉆井過程中應(yīng)選擇成膜鉆井液。

圖6 浸泡抗高溫鉆井液頁巖壓入硬度曲線圖

圖7 浸泡成膜鉆井液頁巖壓入硬度曲線圖

圖8 浸泡前后三軸數(shù)據(jù)

圖9 不同流體浸泡壓后破壞形式

4 結(jié)論

（1）東部地區(qū)頁巖粘土含量比較高，而粘土礦物主要由伊利石和伊蒙混層構(gòu)成，因此遇水后會(huì)出現(xiàn)由伊蒙混層造成的膨脹。從電鏡資料看出，頁巖中含有大量的微裂縫、溶洞，這些都為泥漿的進(jìn)入都提供了孔道。因此在實(shí)際鉆井活動(dòng)中要注意泥漿的水侵。

（2）隨著巖石浸泡2種鉆井液時(shí)間增加，巖石的硬度變小，同時(shí)極限破壞時(shí)間變長，原因在于巖石中粘土礦物含量比較高，而浸泡抗高溫鉆井液比浸泡成膜鉆井液對(duì)巖石影響大，硬度變化大。

（3）從井下頁巖力學(xué)特征研究發(fā)現(xiàn)，在2種鉆井液的浸泡作用下，巖石硬度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量都出現(xiàn)減弱趨向，而泊松比有增加趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，浸泡抗高溫鉆井液的頁巖趨勢(shì)變化較大。因此在鉆井活動(dòng)中以井壁穩(wěn)定為前提，成膜鉆井液體系比抗高溫鉆井液體系效果好，同時(shí)應(yīng)注意防止泥漿水侵。

[1]劉向君，羅平亞.測井在井壁穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用及發(fā)展[J].天然氣工業(yè)，1999(6):33-35.

[2]王正良，佘躍惠，李淑廉，等.雙南等地區(qū)防塌鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，1998(3):41-43.

[3]王倩，周英操，唐玉林，等.泥頁巖井壁穩(wěn)定影響因素分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012(1):171-179.

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[8]李慶輝，陳勉，金衍.含氣頁巖破壞模式及力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012(S2):3763-3771.

Experimental Research of Shale Wellbore Stability in an EastArea

Luo Chao,Liu Xiang-jun,Zhuang Da-lin,Lei Meng
(State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500,China)

The area is the main oil and gas exploration and development blocks of China.The underground accidents were often caused by the wellbore instability in some Formation,which always influences oilfield development progress.Based on the rock mechanics evaluation method,the mineral composition,microstructure and mechanical properties and those items under immersion fluid are obtained by experiments about the shale from the area.The mechanical properties,physical properties and mechanics properties of the core are deeply analyzed for this block.Then,the evaluation analysis system about the stability of the underground core is established,which could be used for the preferred drilling fluid in this area.Experimental results are shown that the micro fissure and caverns are well developed on the cores from that formation of the area.The mud easily penetrated into the shale,which changed the physical properties,chemical properties and mechanical properties of the shale.The research also finds that the shale hardness become worse with longer the mud immersing.The film forming drilling fluid system is much better than the Anti-high temperature drilling fluid system.

hard brittle；shale；wellbore stability；mud soak

TE28

A

1004-5716(2015)11-0026-04

2014-11-20

2015-03-25

羅超（1987-），男（漢族），四川江油人，西南石油大學(xué)石油工程測井在讀碩士研究生，研究方向：井壁穩(wěn)定。