硬脆性泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性研究*

丁 乙 劉向君 羅平亞 梁利喜

(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)

北部灣盆地流沙港組屬于典型的硬脆性泥頁巖地層，巖石弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且具有一定水化特性，從而導致其鉆井過程中穩(wěn)定井壁難度較大[1]。長期以來，北部灣盆地流沙港組鉆井過程中井眼垮塌現(xiàn)象嚴重，井下復雜狀況頻發(fā)，使得鉆井周期長、效率低、成本高，成為了制約油田勘探開發(fā)的主要技術瓶頸之一[2-3]。

針對硬脆性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)問題，國內(nèi)外學者做了大量的研究。Jaeger[4]首先提出了單一弱面準則；Okland 等[5]、劉向君 等[6]、金衍 等[7]研究了地層弱面對井壁穩(wěn)定性影響；盧運虎 等[8]則借助斷裂力學和界面化學理論，建立了介質(zhì)潤濕特性控制的裂縫擴展模型，提出了基于潤濕理論的頁巖井壁穩(wěn)定評價方法；馬天壽 等[9]則通過CT掃描技術，提出了頁巖水化細觀損傷特性定量評價方法。但是，以上研究對硬脆性頁巖地層力學和化學共同影響因素下坍塌壓力分布規(guī)律的分析還不夠深入，而且有研究表明硬脆性頁巖水化膨脹能力遠不如膨脹性泥頁巖，其主要失穩(wěn)因素在于層理弱面[10-11]，尤其在與鉆井液接觸后，弱面強度降低，對于井壁穩(wěn)定性影響更為嚴重。同時，不同體系鉆井液與頁巖地層巖石作用后產(chǎn)生的毛細管力、界面張力和水化應力等不同，造成弱面水化和微裂縫擴展情況不同，從而對巖石強度影響也有區(qū)別[12-13]。因此，本文考慮層理弱面和不同流體作用，建立了力化耦合井壁穩(wěn)定分析模型，對不同井斜角、方位角、層理產(chǎn)狀以及鉆井時間后的坍塌壓力分布進行研究，從而為實際頁巖地層鉆井工程提供一定指導建議。

1 頁巖組成及理化特性分析

以北部灣盆地流沙港組頁巖地層巖石為研究樣本，其脆性礦物含量(石英、長石和方解石等)約45.4%，黏土含量約50.2%；黏土含量分析顯示幾乎不含蒙脫石，伊蒙混層相對含量9.5%左右；室內(nèi)陽離子交換容量實驗顯示該地層頁巖陽離子交換容量(CEC)分布在85～120 mmol/kg。從礦物組分上分析，該地區(qū)頁巖主要以脆性礦物和黏土為主，雖然黏土含量不低，但水化膨脹性礦物含量較少，其CEC值相比傳統(tǒng)水化膨脹性泥頁巖要小。由此可知，該地區(qū)硬脆性泥頁巖具有一定脆性和水化特性，但水化性能并不如傳統(tǒng)膨脹性泥頁巖。

從頁巖結(jié)構(gòu)上分析，北部灣盆地流沙港組巖石表觀結(jié)構(gòu)顯示頁巖發(fā)育明顯平行層理面(圖1a)，電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)顯示頁巖發(fā)育微裂縫和孔隙(圖1b)；層理弱面存在使得巖樣呈橫觀各向同性特征，巖體易沿著層理面剪切破壞，且層理多為相對高滲面[14]，鉆井液易沿層理面侵入，增大井壁失穩(wěn)風險。

圖1 北部灣盆地流沙港組頁巖結(jié)構(gòu)Fig .1 Structure of shale from Liushagang Formation in Beibuwan basin

2 井壁穩(wěn)定力化耦合模型的建立

2.1 井周應力分析

假設地層為線彈性多孔介質(zhì)，井壁圍巖處于平面應變狀態(tài)。井周應力受層理產(chǎn)狀、井眼軌跡和地應力共同控制。地應力采用3向主應力σv、σH、σh描述。對于任意井眼軌跡，采用井斜角β和井眼方位角α描述，而層理產(chǎn)狀則采用層理傾向β1和層理走向α1描述。地應力坐標系、井眼坐標系和層理坐標系如圖2所示。

在原始地應力情況下，地應力σ為

(1)

在原始地應力狀態(tài)下進行井眼轉(zhuǎn)換關系，得到地應力坐標系和井眼坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣L為

圖2 井周應力坐標轉(zhuǎn)換示意Fig .2 Coordinate conversion of stress in borehole wall

(2)

由以上應力坐標轉(zhuǎn)換可以得到斜井井周應力分布為

(3)

其中

=LσLT

(4)

(5)

式(1)～(5)中：σH、σh、σv分別為最大水平地應力、最小水平地應力、垂向地應力，MPa；σr、σθ、σz分別為柱坐標系下徑向、周向、軸向正應力，MPa；σθz、σrθ、σrz分布為柱坐標下θz、rθ、rz平面切應力，MPa；σxx、σyy、σzz分別為直角坐標下X、Y、Z軸方向上地應力分量，MPa；σxy(σyx)、σxz(σzx)、σyz(σzy)分別為直角坐標系下XY(YX)、XZ(ZX)、YZ(ZY)平面上地應力分量，MPa；θ為井周角，(°)；v為泊松比；pi為液柱壓力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；Ba為Biot系數(shù)；φ為孔隙度，%；δ為井壁滲透系數(shù)。

在獲得井周應力分布基礎上，求取斜井坐標系下井壁任意位置處主應力為

(6)

式(6)中：σi、σj、σk分別為井壁i、j、k等3個方向主應力，MPa。

最大主應力(σ1)的作用面與z軸的夾角γ為

(7)

σ1與弱面法向的夾角ξ為

(8)

式(8)中：n為弱面法向的方向矢量；N為井壁最大主應力σ1的方向矢量。n可通過弱面傾角和走向表示為

n=isinα1cosβ1+jsinα1sinβ1+kcosα1

(9)

N則通過井周角、井斜角、方位角以及最大主應力與Z軸夾角一起控制，其表達式為

N=ib1+jb2+kb3

(10)

[b1b2b3]=[sinθ-cosθcosγ]·L

(11)

2.2 頁巖水化作用分析

根據(jù)巖石組成及理化特性分析結(jié)果，硬脆性頁巖具有一定水化能力，與鉆井液作用后巖石強度必然受到影響。同時由于發(fā)育一定層理，層理結(jié)構(gòu)面與巖石基體力學特性差異較為明顯，與鉆井液相互作用程度也會有所區(qū)別?；诖耍ㄟ^該地區(qū)現(xiàn)用鉆井液體系浸泡后，采用沿層理面與垂直于層理面的剪切試驗分別獲取層理面與巖石基體力學參數(shù)。作為對照組，以清水開展上述相應試驗，從而得到鉆井液與清水作用下頁巖基體與層理面力學參數(shù)隨時間變化趨勢，結(jié)果如圖3、4所示。對圖3、4實驗結(jié)果分析可知：在原狀地層條件下，層理力學參數(shù)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)明顯小于巖石基體，體現(xiàn)出其弱結(jié)構(gòu)面特征；鉆井液作用初期(2 d)巖石基體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為0.9 MPa和0.6°，層理面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為1.0 MPa和0.8°；鉆井液作用后期(8 d)巖石基體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為2.6 MPa和2.9°，層理面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為4.8 MPa和5.9°。可見在鉆井液作用下層理面力學參數(shù)下降幅度明顯大于基體，從而說明層理對流體更為敏感；對比鉆井液與清水作用下的巖石力學參數(shù)變化可知，整體力學參數(shù)下降趨勢一致，均在前期下降較為明顯，6 d后趨于穩(wěn)定，而清水作用后巖石力學參數(shù)整體下降幅度明顯大于受鉆井液作用后，可見硬脆性頁巖對水依然較為敏感，鉆井液的抑制性對保持硬脆性頁巖穩(wěn)定性至關重要。

圖3 巖石基體力學參數(shù)與鉆井液浸泡時間關系曲線Fig .3 Relation curves between matrix mechanical parameter and immersing time

圖4 巖石層理面力學參數(shù)與鉆井液浸泡時間關系曲線Fig .4 Relation curves between bedding plane mechanical parameter and immersing time

2.3 頁巖破壞準則的構(gòu)建

層理性頁巖地層最大特點是其發(fā)育平行弱面結(jié)構(gòu)，可采用單一弱面準則進行巖石破壞判斷，且層理性巖石破壞可分為基體破壞和沿層理面破壞2種形式。當巖體發(fā)生基體破壞時，反映的是巖石本體強度，該強度為

(12)

其中

(13)

式(12)、(13)中：ζ0為破壞面與σ1的夾角，(°)；C0為基體內(nèi)聚力，MPa；φ0為基體內(nèi)摩擦角，(°)。

當巖體沿著層理面破壞時，反映的是巖石層理面的強度，該強度為

(14)

式(14)中：ζ為最大主應力σ1與弱面法向的夾角，(°)；Cw為弱面內(nèi)聚力，MPa；φw為弱面內(nèi)摩擦角，(°)。

基于井周應力分析，綜合頁巖水化作用下強度變化規(guī)律及所構(gòu)建的頁巖破壞強度準則，最終形成井壁穩(wěn)定力化耦合模型，從而為該類地層進行井壁穩(wěn)定性分析提供參考依據(jù)。

3 實例驗證及井壁穩(wěn)定影響因素分析

3.1 實例驗證

北部灣盆地X井流沙港組深度2 451 m處井斜角約為24°，水平段方位角約為310°。地質(zhì)資料顯示該頁巖地層層理傾角約30°，走向與水平最大主應力夾角約為40°。根據(jù)層理分布特征，得到2 451 m深度處坍塌壓力分布如圖5所示?；谠撎鷫毫Ψ植?，選取3個井眼軌跡進行分析，其中井眼軌跡1和2分別為坍塌壓力當量密度數(shù)值最高和最低位置，即該地層鉆井最危險區(qū)域和最穩(wěn)定區(qū)域；井眼軌跡3為X井實際井眼軌跡。

圖5 北部灣盆地X井流沙港組坍塌壓力分布預測結(jié)果Fig .5 Distribution of collapse pressure prediction of Liushagang Formation in Well X，Beibuwan basin

采用不同的井壁穩(wěn)定模型，分析得到了3種井眼軌跡條件下不同鉆井時間下的坍塌壓力變化，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：隨著鉆井時間增加，坍塌壓力當量密度整體上升，尤其在不穩(wěn)定井眼軌跡1條件下，坍塌壓力上升最為明顯，后期穩(wěn)定井壁難度較大。同時注意到，在井眼軌跡1條件下，常規(guī)均質(zhì)模型與本文力化耦合模型的差異較大。而在井眼軌跡2條件下，即較為穩(wěn)定方位時，坍塌壓力數(shù)值較小，且兩個模型差異相對較小。由此可見，井眼軌跡的選擇對鉆井過程中穩(wěn)定井眼至關重要。在實際井眼軌跡3條件下，采用常規(guī)均質(zhì)模型計算的初始坍塌壓力當量密度為0.95 g/cm3，隨著鉆井時間增加，8 d后達到1.18 g/cm3。

圖6 北部灣盆地流沙港組X井不同井眼軌跡下的坍塌 壓力隨鉆井時間變化Fig .6 Collapse pressure with drilling time in different well trajectories of Well X in Liushagang Formation,Beibuwan basin

本文力化耦合模型分析結(jié)果顯示，初始坍塌壓力當量密度為1.09 g/cm3，在鉆井后期坍塌壓力達到穩(wěn)定，為1.25 g/cm3。根據(jù)現(xiàn)場資料，該井開始使用鉆井液密度1.11 g/cm3，鉆井期間井壁垮塌嚴重，逐步提升到約1.24 g/cm3后井下復雜情況減少，從而達到安全鉆進。由此可見，該井實際鉆井液密度使用情況與力化耦合模型計算結(jié)果基本吻合，證明了本文所構(gòu)建的力化耦合模型在該類地層的適用性。同時，針對硬脆性頁巖地層，水化與層理弱面都對坍塌壓力有顯著影響，綜合考慮兩者作用機制后的耦合模型能夠更好地指導現(xiàn)場鉆井液密度的設計與使用。

3.2 井壁穩(wěn)定影響因素分析

基于本文所構(gòu)建的井壁穩(wěn)定力化耦合模型，對X井地層井壁穩(wěn)定性影響因素進行分析。地層參數(shù)為：井深2 240 m，最大水平地應力77.1 MPa，最小水平地應力56.7 MPa，垂向地應力66.5 MPa，孔隙壓力為24.6 MPa，泊松比為0.24，孔隙度為7.8%。力學參數(shù)采用室內(nèi)試驗測試結(jié)果。

1) 層理面影響。

層狀頁巖發(fā)育大量平行層理結(jié)構(gòu)面。對比有無層理面X 井地層的坍塌壓力分布，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：在考慮層理面破壞后，整體坍塌壓力上升。只考慮巖石基體破壞時，坍塌壓力主要分布在0.90～1.10 g/cm3；而當考慮弱面后，坍塌壓力分布范圍增加到0.95～1.20 g/cm3，增幅為0.05～0.10 g/cm3。由此可見，層理面的存在會極大增加井壁垮塌風險。

當巖石力學參數(shù)一定時，地層中發(fā)育不同產(chǎn)狀層理面時會對坍塌壓力分布產(chǎn)生重要影響。不同層理面傾角和走向下X井地層坍塌壓力分布如圖8所示。從圖8可以看出：當?shù)貙哟嬖趯永砻鏁r，坍塌壓力分布與層理面產(chǎn)狀密切相關；隨著層理產(chǎn)狀變化，易坍塌區(qū)域(紅色)和穩(wěn)定區(qū)域(藍黑色)出現(xiàn)位置也相應改變，在一定方位角下不再是單純的隨井斜角單調(diào)變化，坍塌壓力分布更加復雜。

圖7 北部灣盆地流沙港組X井有無層理面地層的坍塌壓力分布Fig .7 Distribution of collapse pressure with and without bedding plane of Well X in Liushagang Formation，Beibuwan basin

圖8 北部灣盆地流沙港組X井坍塌壓力隨層理產(chǎn)狀分布Fig .8 Distribution of collapse pressure with different occurrence of bedding plane of Well X in Liushagang Formation, Beibuwan basin

2)流體作用影響。

根據(jù)室內(nèi)力學實驗，在層理產(chǎn)狀一定條件下，對比清水和鉆井液作用下X井地層坍塌壓力分布結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出：隨著浸泡時間增加，巖石力學強度降低情況下坍塌壓力也逐漸上升；原巖情況下坍塌壓力當量密度數(shù)值分布在0.85～1.18 g/cm3;在鉆井液作用下,坍塌壓力上升，8 d后坍塌壓力當量密度分布在0.97～1.32 g/cm3；而在清水作用下，8 d后坍塌壓力上升至1.05～1.43 g/cm3。整體上看，清水浸泡后，坍塌壓力上升幅度明顯增大，影響更為顯著。

圖9 不同流體作用下北部灣盆地流沙港組X井坍塌壓力分布Fig .9 Distribution of collapse pressure with different fluid influence of Well X in Liushagang Formation，Beibuwan basin

4 結(jié)論

1) 室內(nèi)力學實驗得到了北部灣盆地流沙港組硬脆性頁巖基體和層理面的水化力學參數(shù)，結(jié)果表明該地層頁巖層理面具有明顯弱面水化力學特性：在浸泡鉆井液與清水后，巖石力學強度在初期迅速下降后才趨于穩(wěn)定，層理面力學參數(shù)下降更為明顯，對流體表現(xiàn)出更強敏感性，而流體作用進一步加強了頁巖弱面特性。

2) 基于頁巖水化力學特性分析，結(jié)合井周應力分析、頁巖破壞準則的構(gòu)建，建立了井壁穩(wěn)定力化耦合模型，實例分析表明本文所建立的力化耦合模型與實際情況較為為吻合，能更準確預測地層坍塌壓力，從而利于井壁穩(wěn)定分析。

3) 井壁穩(wěn)定影響因素分析表明，層理面的存在會極大增加井壁垮塌風險，清水較鉆井液更容易使坍塌壓力上升。

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