硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定滲流-力化耦合研究

梁利喜，丁 乙，劉向君，許 麗

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

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硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定滲流-力化耦合研究

梁利喜1，2，丁 乙1，2，劉向君1，2，許 麗1，2

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

硬脆性泥頁(yè)巖發(fā)育弱面結(jié)構(gòu)且具有水化特性，易造成鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)問(wèn)題。在室內(nèi)定量分析了鉆井液對(duì)巖石弱面強(qiáng)度、基體強(qiáng)度、孔隙空間的影響程度?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，利用線彈性理論和單一弱面準(zhǔn)則，建立了考慮弱面結(jié)構(gòu)、水化和滲流作用的滲流-力化耦合井壁穩(wěn)定模型。實(shí)例計(jì)算表明：弱面結(jié)構(gòu)的存在使得坍塌壓力上升；弱面結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀變化，造成坍塌壓力分布復(fù)雜，不再存在單調(diào)變化的井斜方位；滲流應(yīng)力變化對(duì)鉆井初期坍塌壓力影響較小，但在后期影響明顯。該模型能準(zhǔn)確地計(jì)算硬脆性泥頁(yè)巖地層坍塌壓力，對(duì)鉆井工程有一定指導(dǎo)意義。

硬脆性泥頁(yè)巖；井壁穩(wěn)定；坍塌壓力；力化耦合；滲流應(yīng)力

0 引 言

硬脆性泥頁(yè)巖地層的安全鉆進(jìn)是鉆井領(lǐng)域的一大難點(diǎn)，其主要原因在于硬脆性泥頁(yè)巖發(fā)育層理弱面，且具有較強(qiáng)水化特性，兩者結(jié)合使得硬脆性泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定性問(wèn)題更加復(fù)雜[1-4]。針對(duì)該類(lèi)地層井壁失穩(wěn)問(wèn)題，前人做了大量的研究[5-8]，但目前對(duì)于弱面結(jié)構(gòu)、水化作用和滲流應(yīng)力共同作用下的研究較少。因此，結(jié)合以上影響因素，建立了井壁穩(wěn)定分析模型，為硬脆性泥頁(yè)巖地層鉆井設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 泥頁(yè)巖滲流-力化特性

1.1 泥頁(yè)巖力化耦合分析

研究選用中國(guó)某油田流沙港組泥頁(yè)巖，采用該層段鉆井液體系，對(duì)鉆井液作用不同時(shí)間后的巖石進(jìn)行平行和垂直于層理面的剪切實(shí)驗(yàn)，了解層理面與基體在鉆井液作用下的力學(xué)特性變化。剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：層理面和基體強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為一致，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均在2 d后明顯變小，后期趨于穩(wěn)定。相比巖石基體，層理面強(qiáng)度下降幅度較大，受鉆井液影響更為明顯。

1.2 泥頁(yè)巖滲流應(yīng)力分析

當(dāng)鉆井液滲入井壁地層，造成巖石內(nèi)部裂縫擴(kuò)張延伸，流體滲流空間變大，從而產(chǎn)生滲流應(yīng)力變化。采用孔隙度變化值來(lái)衡量巖石與鉆井液作用后的內(nèi)部孔隙空間變化，對(duì)鉆井液浸泡不同時(shí)間后的巖樣進(jìn)行孔隙度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，孔隙度在前期增幅明顯，后期趨于穩(wěn)定?；诖?，根據(jù)LUBINSKI[9]理論，得到井周滲流應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律：隨鉆井時(shí)間增加，徑向應(yīng)力變大，軸向和周向應(yīng)力減小；三向滲流應(yīng)力變化趨勢(shì)相似，在前期變化趨勢(shì)明顯，后期趨于穩(wěn)定，與孔隙度變化趨勢(shì)具有一定對(duì)應(yīng)性。

2 泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定模型

井周應(yīng)力狀態(tài)是井壁穩(wěn)定性力學(xué)分析的基礎(chǔ)，任意井眼的井眼軌跡由井斜角和方位角控制，原地應(yīng)力采用三向主應(yīng)力描述。對(duì)井眼坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖1所示。視地層為橫觀各向同性和線彈性均勻連續(xù)介質(zhì)[10]，考慮滲流附加應(yīng)力，建立井壁圍巖應(yīng)力弱面-滲流耦合模型：

圖1 井眼坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

(1)

根據(jù)井周應(yīng)力分布，可知井壁主應(yīng)力為：

(2)

式中：σi、σj、σk為井壁處三向主應(yīng)力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；φ為孔隙度，%；δ為井壁滲透系數(shù)。

層理產(chǎn)狀則采用層理傾向α1和層理走向β1描述，層面法向方向矢量n為[11]：

n=sinα1cosβ1i+sinα1sinβ1j+cosα1k

(3)

基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，進(jìn)行巖石破壞判斷，認(rèn)為層理發(fā)育的地層存在巖石基體和層理面2種破壞模式。

巖石基體破壞模式：

(4)

層理面破壞模式：

(5)

式中：σ1、σ3分別為井壁主應(yīng)力中最大、最小主應(yīng)力，MPa；Co、C分別為基體、層理的內(nèi)聚力，MPa；φ0、φ分別為基體、層理內(nèi)摩擦角，°；ω0、ω分別為破壞面與主應(yīng)力夾角、主應(yīng)力與層理面夾角，°。

3 算例分析

利用該模型對(duì)研究工區(qū)X井進(jìn)行分析，計(jì)算參數(shù)為：地層深度為2 050m，上覆巖層壓力為47MPa，最大水平地應(yīng)力為41MPa，最小水平地應(yīng)力為34MPa，孔隙壓力為24MPa，孔隙度為7.2%，泊松比為0.23。巖石力學(xué)參數(shù)采用力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：弱面傾角為18 °，傾向與最大水平地應(yīng)力方向相差約20 °。

3.1 弱面結(jié)構(gòu)影響

采用井壁穩(wěn)定計(jì)算模型，分析層理產(chǎn)狀對(duì)坍塌壓力分布的影響。以層理傾角60 °為例，層理面走向?qū)μ鷫毫Ψ植加绊懭鐖D2所示；以層理走向60 °為例，層理面傾角對(duì)坍塌壓力分布影響如圖3所示。

由圖2、3可知：當(dāng)層理走向一定時(shí)，傾角改變，坍塌壓力隨傾角變化較為復(fù)雜且無(wú)明顯規(guī)律；在層理傾角一定時(shí)，隨著走向變化，坍塌壓力分布以走向90 °呈軸對(duì)稱(chēng)?？傮w分析認(rèn)為，層理面使得坍塌壓力分布不再如均質(zhì)地層一樣呈現(xiàn)明顯對(duì)稱(chēng)性。因此，在鉆井設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮層面產(chǎn)狀影響，選取合理鉆井方位，降低井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 鉆井液影響

鉆井液對(duì)整體地層坍塌壓力影響如圖4所示。在原狀地層情況下，圖中A區(qū)域，深藍(lán)色區(qū)域顯示坍塌壓力當(dāng)量梯度在1.1g/cm3以下，處于相對(duì)安全的鉆進(jìn)方向。而在B區(qū)域和C區(qū)域坍塌壓力相對(duì)較大，屬于較危險(xiǎn)區(qū)域。隨著鉆井液作用時(shí)間增加，整體坍塌壓力上升，安全鉆井區(qū)域減小，且紅色危險(xiǎn)區(qū)域不斷擴(kuò)大。尤其在2～3d內(nèi)，坍塌壓力分布變化最為明顯。

圖2 層理走向?qū)μ鷫毫Ψ植加绊?/p>

圖3 層理傾角對(duì)坍塌壓力分布影響

圖4 鉆井液作用對(duì)坍塌壓力分布影響

基于以上分析，在該地層條件下，安全鉆井軌跡為沿井斜角80 °、方位角270 °的大部分方向。在該方向上，隨鉆井時(shí)間增加，坍塌壓力當(dāng)量梯度從約1.01g/cm3上升至1.25g/cm3左右。因此，鉆井過(guò)程中鉆井液密度應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整，從而保持井壁穩(wěn)定。

3.3 滲流應(yīng)力影響

僅考慮鉆井液作用下巖石滲流應(yīng)力變化，忽略鉆井液作用對(duì)巖石強(qiáng)度影響，以水平井為例，計(jì)算鉆井液作用不同時(shí)間后坍塌壓力變化(圖5)。

由圖5可知：在部分方位，滲流應(yīng)力對(duì)地層坍塌壓力影響較小，可以忽略。而在其他方位，例如在方位角90～110 °范圍內(nèi)，坍塌壓力當(dāng)量梯度呈明顯增大趨勢(shì)，最大增量能達(dá)到約0.3g/cm3。因此，若忽略滲流應(yīng)力變化，會(huì)造成部分方位坍塌壓力預(yù)測(cè)偏低，從而導(dǎo)致鉆井液密度使用不當(dāng)，不能穩(wěn)定井壁。

圖5 不同滲流應(yīng)力對(duì)坍塌壓力分布影響

3.4 實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)該井資料，采用均質(zhì)模型、均質(zhì)-滲流、弱面模型和弱面-滲流模型進(jìn)行計(jì)算(井斜角為23 °，方位角為320 °)，其中均質(zhì)、弱面模型均不考慮滲流應(yīng)力變化，分別以均質(zhì)地層和存在弱面結(jié)構(gòu)地層建立模型；而均質(zhì)-滲流和弱面-滲流模型則在以上2個(gè)模型基礎(chǔ)上，考慮滲流應(yīng)力變化的影響(圖6)。

圖6 坍塌壓力隨鉆井時(shí)間變化

由圖6可知：考慮弱面結(jié)構(gòu)后，坍塌壓力明顯上升，而滲流作用引起的坍塌壓力變化相對(duì)較小，弱面結(jié)構(gòu)是該類(lèi)地層井壁失穩(wěn)的主要誘因；滲流作用對(duì)坍塌壓力的影響在鉆井初期不明顯，但隨著鉆井時(shí)間增加，影響逐漸增強(qiáng)。

與實(shí)際資料對(duì)比，鉆井初期鉆井液密度為1.30～1.35g/cm3，后續(xù)鉆進(jìn)出現(xiàn)憋扭矩、返出泥餅及掉塊等現(xiàn)象，密度提升至1.60～1.65g/cm3后，垮塌現(xiàn)象減少。未考慮弱面結(jié)構(gòu)時(shí)，均質(zhì)模型和均質(zhì)-滲流模型計(jì)算的坍塌壓力為1.17～1.31g/cm3，明顯低于實(shí)際鉆井液密度。考慮弱面結(jié)構(gòu)后，對(duì)比弱面模型和滲流-弱面模型，初期坍塌壓力計(jì)算結(jié)果差異較小，與實(shí)際情況吻合。但鉆井時(shí)間增加后，兩者計(jì)算結(jié)果差異增大。弱面模型計(jì)算結(jié)果僅為1.54g/cm3，滲流-弱面模型結(jié)果為1.62g/cm3，與實(shí)際情況(1.60～1.65g/cm3)吻合更好。

實(shí)例分析結(jié)果表明：與不考慮弱面和滲流應(yīng)力變化的計(jì)算模型相比，在考慮弱面結(jié)構(gòu)和滲流應(yīng)力變化后，對(duì)不同鉆井時(shí)間的地層坍塌壓力預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，從而能選取合理鉆井液密度，保證井壁穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1) 弱面結(jié)構(gòu)的存在增加了地層坍塌壓力，隨著弱面結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀不同，坍塌壓力分布發(fā)生相應(yīng)變化。在傾向一定時(shí)，坍塌壓力分布以?xún)A向90 °為軸對(duì)稱(chēng)。當(dāng)走向一定時(shí)，傾向改變，坍塌壓力隨傾向變化較為復(fù)雜且無(wú)明顯規(guī)律。

(2) 單獨(dú)考慮滲流應(yīng)力影響，隨著鉆井時(shí)間增加，滲流應(yīng)力變化造成坍塌壓力上升。雖然在部分方位增加幅度很小，但整體上坍塌壓力增幅較為明顯。

(3) 不考慮弱面結(jié)構(gòu)下的計(jì)算模型結(jié)果明顯偏小。考慮弱面結(jié)構(gòu)后，與實(shí)際更為接近。但若忽略滲流應(yīng)力變化，在鉆井初期計(jì)算結(jié)果較好，隨著鉆井液作用時(shí)間增加，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有明顯偏差。

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編輯 孟凡勤

20151014；改回日期：20151230

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目“頁(yè)巖氣低成本高效鉆完井技術(shù)基礎(chǔ)研究”(U1262209)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目 “形成大規(guī)模壓裂縫網(wǎng)的水平井井眼軌跡優(yōu)化研究” (2014JY0092)；國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)“測(cè)井工程應(yīng)用軟件包研發(fā)”(2011ZX05020-007-06)

梁利喜(1976-)，男，講師，2000年畢業(yè)于西南石油大學(xué)資源勘查工程專(zhuān)業(yè)，2008年畢業(yè)于成都理工大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事地質(zhì)工程、非常規(guī)頁(yè)巖巖石力學(xué)研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.034

TE355.5

A

1006-6535(2016)02-0140-04