頁巖水化特征及其井壁穩(wěn)定分析*

梁利喜，王光兵，劉向君，張明明

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

0　引言

美國頁巖氣開發(fā)項目獲得巨大商業(yè)利益后，頁巖氣作為1種非常規(guī)油氣資源得到全世界的高度關(guān)注，而頁巖地層的井壁失穩(wěn)已嚴重制約著頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源高效勘探開發(fā)?；陧搸r礦物組成的認識，學(xué)者們認為頁巖水化是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的1個非常重要的因素，針對該類地層井壁失穩(wěn)問題，前人做了大量的研究工作，主要集中在水化對井壁穩(wěn)定的影響以及考慮水化作用后井壁穩(wěn)定模型的建立[1-11]，而關(guān)于頁巖水化特征的研究還很缺乏，尤其利用超聲波信號研究水化現(xiàn)象鮮見于文獻中，這也直接影響到了頁巖地層中進行油氣資源勘探與開發(fā)等工程活動的安全性?；谏鲜隹紤]，通過開展超聲波透射實驗與巖石力學(xué)實驗全方位多角度認識頁巖的水化特征，并分析水化對井壁穩(wěn)定的影響，為優(yōu)化頁巖地層的井壁穩(wěn)定技術(shù)提供參考依據(jù)。

1　實驗過程

為揭示頁巖水化特征，用現(xiàn)場水基鉆井液對巖樣進行浸泡，浸泡壓差為3 MPa，溫度100℃。對比鉆井液作用前后的巖樣聲學(xué)與力學(xué)性質(zhì)的差異來研究頁巖水化特征。鉆井液浸泡后發(fā)現(xiàn)，巖樣膨脹效果不明顯，外觀結(jié)構(gòu)保持完整(見圖1)，沒有出現(xiàn)明顯剝落與掉塊，由于外觀結(jié)構(gòu)依舊完整，浸泡后的巖樣完全可以如浸泡之前的巖樣進行相關(guān)實驗。

圖1　實驗巖樣Fig.1　The experimental sample

1.1　超聲波透射實驗

超聲波透射實驗選用激發(fā)頻率為25 kHz的縱波探頭發(fā)射出超聲波脈沖穿透巖樣，接收探頭接收信號后傳遞到示波器上以波的形式顯示出來，由與示波器匹配的Ultra Scope軟件采集信號保存到計算機中，采樣間隔為2 μs，能對超聲波波形進行精確的記錄。

超聲波透射實驗按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6351-2012[14]的規(guī)范與建議進行，對制取的柱塞巖樣烘干后進行第1次超聲波透射實驗，然后用鉆井液浸泡3d后進行第2次超聲波透射實驗，實驗結(jié)果見表1。在超聲波透射實驗過程中，利用示波器調(diào)出完整波形圖，待波形穩(wěn)定后，保持1次波形圖，然后找出波形圖首波的位置，利用示波器對首波放大，讀出首波的振幅與首波的起跳時間，依此計算聲波時差與衰減系數(shù)，根據(jù)波形圖記錄的數(shù)據(jù)作出時域信號圖，由時域信號利用傅里葉變換作出頻域信號圖。

表1　超聲波透射實驗結(jié)果

1.2　層理面直剪與三軸壓縮實驗

層理面直剪實驗與三軸壓縮實驗按照GB/T 50266-2013[15]的相關(guān)規(guī)定與建議進行，層理面直剪實驗選用方塊巖樣，三軸壓縮實驗選用柱塞巖樣。直剪實驗與三軸壓縮實驗均由伺服控制，計算機自動記錄數(shù)據(jù)，可以精準(zhǔn)的記錄實驗過程。實驗結(jié)果見表2-3。

表2　三軸壓縮實驗結(jié)果

表3　直剪實驗結(jié)果

2　頁巖水化特征討論

表1顯示，鉆井液作用后巖石聲波時差普遍增大，說明水化后巖石物性或微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，超聲波穿透巖樣需要更長的時間。鉆井液作用后除個別巖樣聲波時差變化不大以外，其余樣品聲波時差都變大，呈現(xiàn)出整體變大的趨勢。巖樣經(jīng)鉆井液浸泡后，衰減系數(shù)均增大。鉆井液浸泡后，頁巖內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)，聲衰減較原巖增大。衰減系數(shù)與水化程度呈現(xiàn)很好的相關(guān)性，衰減系數(shù)同聲波時差一樣，能在一定程度上反映了頁巖的水化特征。

通過對比同一塊巖樣在水化前后的時域信號發(fā)現(xiàn)，時域信號明顯發(fā)生變化。頁巖水化后，最顯著的變化就是首波振幅的減小，首波起跳時間的延遲。振幅代表超聲波在巖樣內(nèi)部傳遞時具有的能量，原巖基本上在10個脈沖之內(nèi)振幅達最大，之后聲波能量逐漸衰減，鉆井液浸泡后，衰減相對原巖變慢，可以說明，原巖內(nèi)部孔隙空間對聲能量吸收明顯，鉆井液浸泡后，內(nèi)部充斥著流體，流體對聲能的衰減弱于孔隙對聲能的衰減，鉆井液浸泡后延遲了聲能量的衰減過程。最大振幅的變化沒有明顯的規(guī)律，部分巖樣水化后超聲波透射時最大振幅反而增大，反映出水化后內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的隨機性。

圖2　時域信號與頻域信號Fig.2　Time domain signals and frequency domain signals

通過對巖樣頻域信號分析發(fā)現(xiàn)，信號能量集中在頻率為25 kHz附近，主頻突出，呈漏斗狀，表明巖樣水化前后對25 kHz的頻率不會明顯吸收。原巖頻域曲線中低頻會有突出部分。水化后頻率成分減少，頻域曲線變得更加光滑，部分巖樣主頻會向減少的方向發(fā)生偏移(圖2(b),(d),(j),(r))，主頻發(fā)生偏移，也進一步說明巖石聲衰減增大，可推斷為巖石內(nèi)部出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺陷。部分巖樣原巖主頻出現(xiàn)畸變(圖2(l)，(n)，(p))而鉆井液浸泡后主頻光滑，可推斷原巖內(nèi)部發(fā)育較大的裂紋，鉆井液浸泡后流體充滿裂紋空間。根據(jù)不同的信號可反映巖石內(nèi)部的一些信息，在某些情況下，超聲波的頻域信號比聲波時差及衰減系數(shù)更加有效的反應(yīng)巖石的內(nèi)部物理信息，通過對頻域信號的分析，可加深對頁巖水化特征的理解。綜合考慮聲波時差、衰減系數(shù)、時域信號與頻域信號對研究頁巖水化特征有很強的指導(dǎo)意義。

由表2可以看出，該地區(qū)頁巖的彈性模量在33 000～45 000 MPa之間，泊松比在0.20～0.31之間，水化后彈性模量和泊松比略有變化，但不明顯，這說明水化對頁巖彈性參數(shù)的影響不大。不同圍壓條件下，原巖抗壓強度與鉆井液浸泡后抗壓強度差別較突出，鉆井液浸泡后巖石的承載能力明顯下降。水化作用會改變頁巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，弱化其抗壓強度，加大鉆井施工時的井壁失穩(wěn)風(fēng)險。鉆井液浸泡后，巖樣依舊沿層理面破壞，由表3可知，法向應(yīng)力變大，抗剪強度變大。鉆井液浸泡后巖石抗剪強度明顯出現(xiàn)減弱的趨勢，表明鉆井液浸泡后，巖樣內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致頁巖結(jié)構(gòu)面抵抗剪切能力下降。由此可見，水化后，層理的力學(xué)性能大幅下降。在2種不同正應(yīng)力狀態(tài)下，鉆井液浸泡后抗剪強度均降低，巖石內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角減弱。

注：極軸代表弱面傾角，0～90°；極徑代表弱面傾向，0～360°；灰度代表坍塌壓力，MPa圖3　水平井坍塌壓力Fig. 3　Collapse pressure of horizontal well

巖石力學(xué)參數(shù)由巖石力學(xué)實驗獲得，巖石力學(xué)實驗往往對巖樣產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。利用彈性模量、泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)評價頁巖水化特征往往需要更多的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，超聲波透射實驗對巖樣無損害，鉆井液浸泡前后分別進行1次超聲波透射實驗即可獲得評價水化特征的參數(shù)。實驗所獲得的彈性模量與泊松比是根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段的擬合而來，反映頁巖的彈性性質(zhì)。超聲波信號反映頁巖的綜合信息，相對于巖石力學(xué)參數(shù)而言，超聲波信號評價頁巖水化特征更加實際。

3　井壁穩(wěn)定分析

本文所取的頁巖巖芯來自2 600～2 650 m之間，該井水平最大地應(yīng)力梯度為2.20 MPa/100m，水平最小地應(yīng)力梯度為1.60 MPa/100m，垂向地應(yīng)力梯度為2.40 MPa/100m。該井附近若要持續(xù)布井，井壁穩(wěn)定設(shè)計時最為關(guān)注的問題是坍塌壓力的影響因素，本文以垂深2 630 m的水平井為例，重點分析水化對坍塌壓力的影響。

層理面直剪實驗表明，巖樣沿著層理面被剪開，可看作是巖樣弱面破壞。三軸壓縮實驗表明，圍壓下實驗巖樣更多的出現(xiàn)傾角裂縫，破壞面與層理面呈現(xiàn)很大的角度，可看作巖樣基體破壞；另外，依據(jù)三軸壓縮實驗結(jié)果，以原巖平均泊松比0.272作為原始地層泊松比，以鉆井液浸泡后平均泊松比0.286作為水化后地層泊松比。結(jié)合表2與表3的數(shù)據(jù)可得到計算坍塌壓力參數(shù)(見表4)。

由于頁巖結(jié)構(gòu)的特殊性，不能用常規(guī)井壁穩(wěn)定模型計算坍塌壓力，文獻[12]的弱面地層井壁穩(wěn)定模型很適合頁巖地層井壁穩(wěn)定的判定，現(xiàn)選取表4的參數(shù)，以相對方位角分別為0°，30°，60°，90°的水平井為例計算頁巖地層的坍塌壓力。

從圖3可以清晰的看出，坍塌壓力隨井眼軌跡以及弱面傾向與傾角的變化而變化，表明井壁穩(wěn)定受井眼軌跡和弱面的嚴重影響。對比圖3中上下云圖相同位置灰度還可以發(fā)現(xiàn)，在相同的井眼軌跡與相同的弱面分布情況下，井眼形成3 d后坍塌壓力明顯上升，可說明水化對井壁穩(wěn)定造成重要影響。

表4　計算坍塌壓力參數(shù)

若該區(qū)域某地段層理為東北—西南走向，傾角為20°，需要在此布一水平井，井壁穩(wěn)定設(shè)計時需要提供鉆井液的密度范圍。以該井為例，進行坍塌壓力預(yù)測。

圖4　水化對坍塌壓力的影響Fig.4　The influence of hydration on collapse pressure

由圖4發(fā)現(xiàn)，隨著鉆進的進行，坍塌壓力上升。坍塌壓力除了受井眼軌跡與層理產(chǎn)狀影響很大以外，受水化的影響也很大，鉆井液浸泡3 d后，水平井坍塌壓力當(dāng)量密度上升了0.19～0.45 g/cm3。由圖4可以看出，縱軸上的數(shù)據(jù)要比橫軸上數(shù)據(jù)變化明顯，說明水化對坍塌壓力的影響程度要大于相對方位角對坍塌壓力的影響程度，水化是導(dǎo)致該類地層井壁失穩(wěn)的重要原因。比如，沿最小水平地應(yīng)力方向鉆井時，井眼形成3 d后坍塌壓力當(dāng)量密度由剛開始的0.99 g/cm3上升到1.32 g/cm3，此時，鉆井液性能嚴重制約著井壁的穩(wěn)定與否。鉆井液對巖樣持續(xù)浸泡，巖石力學(xué)性能會持續(xù)降低，在鉆井施工時可以理解為：隨著鉆井過程的進行，頁巖的力學(xué)性能持續(xù)下降，其基體黏聚力與內(nèi)摩擦角、層理面黏聚力與內(nèi)摩擦角持續(xù)下降，地層坍塌壓力持續(xù)上升。鉆進過程中應(yīng)注重提高鉆進效率，時刻注意鉆井液性能，在坍塌周期前完鉆，以防止井壁失穩(wěn)。

4　結(jié)論

1)頁巖水化后聲波時差增大，衰減系數(shù)增大，時域信號及頻域信號明顯發(fā)生變化，層理面強度、抗壓強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)性能下降。

2)頁巖水化后彈性模量與泊松比變化不明顯，彈性模量、泊松比等參數(shù)難以準(zhǔn)確的量化頁巖的水化特征。超聲波信號可以初步反映頁巖的水化規(guī)律，且超聲波透射實驗對巖樣無損害，鉆井液浸泡前后分別進行1次超聲波透射實驗即可獲得評價水化特征的參數(shù)，持續(xù)對巖樣鉆井液浸泡后進行超聲波透射實驗可以獲取頁巖水化動態(tài)特征的超聲波信號，對多組超聲波信號的分析可以為頁巖水化動態(tài)過程提供研究依據(jù)。

3)頁巖水化是井壁失穩(wěn)的主要影響因素。頁巖井壁穩(wěn)定設(shè)計時應(yīng)充分考慮地層巖石基礎(chǔ)物性、井眼軌跡，鉆井液性能等多種參數(shù)對井壁穩(wěn)定的影響，鉆井過程中應(yīng)時刻檢測井下巖石力學(xué)以及聲學(xué)性質(zhì)的動態(tài)，基于井下信息的動態(tài)變化適時調(diào)整鉆井方案。

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