XC氣田須五段氣藏水平井井壁穩(wěn)定性分析

鐘敬敏，齊從麗，溫真桃

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XC氣田須五段氣藏水平井井壁穩(wěn)定性分析

鐘敬敏1，齊從麗1，溫真桃2

（1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院）

XC氣田須五段氣藏屬典型非常規(guī)致密氣藏，砂巖、泥頁巖均為儲層，且頻繁互層，水平井鉆井面臨泥頁巖井壁水化失穩(wěn)問題。根據(jù)水化后井壁變彈性參數(shù)的物理模型，結(jié)合數(shù)學(xué)物理公式推導(dǎo)、計算軟件編制，形成了一套考慮泥頁巖地層遇鉆井液水化影響的井壁應(yīng)力計算方法；通過巖心室內(nèi)實驗標(biāo)定，研究了XC氣田須五段氣藏巖石力學(xué)參數(shù)特征、井壁巖石水化規(guī)律、泥頁巖力學(xué)參數(shù)水化規(guī)律，及水化過程井壁穩(wěn)定性特征。結(jié)果顯示，水化性泥頁巖地層存在水化初期高坍塌壓力現(xiàn)象，隨著水化時間的增加，井壁穩(wěn)定性并未進(jìn)一步惡化；對于該類地層，在鉆井設(shè)計與施工中，需正確認(rèn)識和處理水化初期的高坍塌壓力現(xiàn)象，而并不一定要使用過高的鉆井液密度。

XC氣田致密氣藏；水平井；泥頁巖；井壁穩(wěn)定性

XC氣田須五段為濱淺湖平原和三角洲前緣沉積，發(fā)育分流河道、灘壩、混合坪、決口扇、濱湖砂壩、含煤沼澤等微相，地層埋深2 500~3 500 m，共分為上、中、下三個亞段。須五儲層為特低孔、超致密儲層，砂巖、泥頁巖均具有一定的儲集性能。砂巖以灰色細(xì)粒、不等粒巖屑砂巖為主；孔隙度0.08%~6.65%，平均2.14%；孔徑50~400 nm；基質(zhì)滲透率（0.004~0.84）×10-3μm2，平均0.031×10-3μm2。泥頁巖以石英和黏土礦物為主；孔隙度1.22%~5.99%，平均2.78%；孔徑多小于200 nm；基質(zhì)滲透率（0.004~0.929）×10-3μm2，平均0.09×10-3μm2。由于砂巖、泥頁巖均為儲層，且砂泥巖頻繁互層，水平井鉆井面臨泥頁巖井壁水化失穩(wěn)問題。

1 泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性分析思路

1.1 泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性分析現(xiàn)狀

井壁穩(wěn)定性問題是鉆井工程面臨的重要基礎(chǔ)性問題[1]。與砂巖、灰?guī)r等地層不同，泥頁巖地層中含有水敏性黏土礦物，當(dāng)?shù)貙鱼@開后，井壁發(fā)生吸水、膨脹、軟化等物理化學(xué)變化，不僅改變了井眼周圍的應(yīng)力分布，而且使得泥頁巖的物理特性參數(shù)也發(fā)生改變，如強(qiáng)度降低、彈性模量減小等[2]，這一系列過程使得泥頁巖地層的井壁失穩(wěn)問題變得極為復(fù)雜。

目前，針對泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性實驗和分析方法研究主要集中以下幾個方面：泥頁巖黏土礦物及水化能力分析[3]，泥頁巖膨脹壓力測試分析[4]，水化對巖石力學(xué)參數(shù)的影響[5~7]，物理及化學(xué)勢差作用對井周應(yīng)力及井壁穩(wěn)定性的影響等各種物理、化學(xué)分析手段及耦合分析方法[8~10]。這些方法研究的基本思路是將泥頁巖地層井壁所受各種物理、化學(xué)影響的井壁應(yīng)力，納入巖石力學(xué)失穩(wěn)準(zhǔn)則進(jìn)行對比分析并判斷其穩(wěn)定性。但總體上使用的力學(xué)參數(shù)均是水化前、水化后的參數(shù)，或者對強(qiáng)度參數(shù)使用隨水化過程變化的參數(shù)，而彈性參數(shù)則使用固定參數(shù)。之所以形成這種沒有全面考慮各種彈性、強(qiáng)度、應(yīng)力參數(shù)均隨時間變化的情況，一方面是受泥頁巖遇鉆井液水化過程實驗測試數(shù)據(jù)缺乏的制約，另一方面則是由于變彈性參數(shù)井周應(yīng)力分析計算較為復(fù)雜，在沒有相應(yīng)計算程序情況下計算過程繁瑣。

1.2 泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性分析思路

1.2.1 失穩(wěn)強(qiáng)度準(zhǔn)則

弱分散性泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定問題同樣歸結(jié)為巖石的應(yīng)力破壞問題，根據(jù)資料文獻(xiàn)[7]及實際的巖石力學(xué)性能實驗分析，大部分井下泥頁巖地層的破壞規(guī)律仍遵循常規(guī)的脆性破壞。摩爾–庫侖準(zhǔn)則、DP準(zhǔn)則、虎克–布朗等準(zhǔn)則都可以作為井壁巖石穩(wěn)定性判斷的依據(jù)，且各有特點，但從地層巖石材料的復(fù)雜性、準(zhǔn)則參數(shù)的可操作性等方面綜合考慮，摩爾–庫侖準(zhǔn)則仍是目前最好的選擇。根據(jù)摩爾–庫侖準(zhǔn)則，井壁巖石破壞的判別如公式（1）所示。

1.2.2 關(guān)鍵因素及思路

泥頁巖井壁失穩(wěn)分析的關(guān)鍵因素就是獲取井壁應(yīng)力狀態(tài)及強(qiáng)度參數(shù)，由于黏土礦物水化作用的存在，泥頁巖井壁應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度參數(shù)的獲取必須考慮巖石水化的影響，需要分析井壁巖石在鉆井液作用下的水化特征以及相應(yīng)的彈性參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)變化和由此導(dǎo)致的井壁應(yīng)力分布變化、井壁穩(wěn)定性特征變化。

在井壁巖石水化作用影響研究中，泥頁巖吸水特征、彈性參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)變化可通過室內(nèi)模擬實驗，確定模型參數(shù)，進(jìn)行規(guī)律性描述；井壁應(yīng)力分布通過應(yīng)力平衡微分方程，結(jié)合地應(yīng)力、井筒液柱壓力邊界條件，在變彈性參數(shù)的條件下進(jìn)行求解。

2 水化地層井壁應(yīng)力分析模型

2.1 位移方程建立

水化地層中，井壁巖石在接觸鉆井液之后彈性參數(shù)發(fā)生變化，井壁應(yīng)力分布不能使用非水化地層中的常彈性參數(shù)解析函數(shù)描述，需要有單獨的變彈性參數(shù)井壁應(yīng)力分析模型。

選擇柱坐標(biāo)建立變彈性參數(shù)井壁應(yīng)力模型，基礎(chǔ)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足方程（2），井壁位移應(yīng)變關(guān)系滿足幾何方程（3），柱坐標(biāo)下應(yīng)變關(guān)系滿足應(yīng)變協(xié)調(diào)方程（4）。

應(yīng)力–應(yīng)變方程：

柱坐標(biāo)幾何方程：

柱坐標(biāo)應(yīng)變協(xié)調(diào)方程：

根據(jù)柱坐標(biāo)條件，結(jié)合在應(yīng)力–應(yīng)變方程、幾何方程、應(yīng)變協(xié)調(diào)方程綜合推導(dǎo)可得井壁巖石位移函數(shù)的二階微分方程如下：

2.2 井壁應(yīng)力計算

遠(yuǎn)離井壁位置受地應(yīng)力作用；井壁上受鉆井液壓力作用。井壁遠(yuǎn)、近邊界條件可表示如下。

遠(yuǎn)邊界：

井壁邊界：

將微分方程（5）寫成差分方程，轉(zhuǎn)換成一次方程組。求解在特定時期井周特定的巖石彈性參數(shù)分布狀態(tài)下，滿足上述邊界條件（6）、（7）、（8）的井周巖石位移分布，根據(jù)位移結(jié)果，利用幾何方程及應(yīng)變–應(yīng)力方程計算井周應(yīng)力分布。

3 泥頁巖力學(xué)參數(shù)水化特征

3.1 巖心全巖礦物組分

根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果，XC構(gòu)造泥頁巖地層（巖心）礦物組分中黏土礦物含量29.3%~46.8%，平均37.69%；石英含量27.7%~46.2%，平均38.13%；另外長石、碳酸鹽巖平均含量分別為3.16%和20.56%，脆性礦物含量較高。黏土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主，伊/蒙混層占到23%~60%，平均44.75%；蒙脫石混層占到7%~21%，平均13.65%。泥頁巖地層具有一定水化特征，分散性特征不明顯。

3.2 泥頁巖地層水化特征

利用泥頁巖地層鉆井巖心試樣進(jìn)行端面水化試驗測定泥頁巖地層水化特性。泥頁巖水化過程中，鉆井濾液經(jīng)過井壁表面向地層方向擴(kuò)散，巖心吸水質(zhì)量（含水量）與吸水?dāng)U散系數(shù)、浸泡時間等參數(shù)滿足吸水?dāng)U散方程。根據(jù)XC構(gòu)造泥頁巖實驗數(shù)據(jù)分析獲得鉆井液濾液在地層中的擴(kuò)散系數(shù)為0.021 4 cm2/h。水化過程中，井壁地層含水量隨時間和空間的關(guān)系可以用公式（9）表示。

圖1 泥頁巖地層吸水剖面隨時間水變化

圖2 泥頁巖地層吸水量隨吸水?dāng)U散系數(shù)變化

3.3 彈性及強(qiáng)度參數(shù)水化特征

根據(jù)巖心室內(nèi)三軸實驗結(jié)果，巖石彈性模量和抗壓強(qiáng)度參數(shù)在水化后都有較大幅度的變化，隨水化后時間增加，彈性模量及抗壓強(qiáng)度參數(shù)實驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 抗壓強(qiáng)度隨浸泡時間變化

圖4 彈性模量隨浸泡時間變化

根據(jù)實驗結(jié)果，抗壓強(qiáng)度、彈性模量水化關(guān)系如公式（10）、公式（11）所示，同時試驗表明泊松比受水化影響不明顯。

4 泥頁巖地層水化穩(wěn)定性

4.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)巖心室內(nèi)三軸加載實驗測試結(jié)果，XC須五段地層泥頁巖巖樣彈性模量18.00~36.03 GMPa，平均25.27 GMPa；泊松比0.15~0.25，平均0.21。另外，根據(jù)密度測井?dāng)?shù)據(jù)、聲發(fā)射實驗數(shù)據(jù)分析，最大、最小水平地應(yīng)力，垂向地應(yīng)力梯度分別為2.72 MPa/100m，2.23 MPa/100m和2.41 MPa/100m；最大水平地應(yīng)力方向為103°。

4.2 泥頁巖地層井周應(yīng)力

因為井壁應(yīng)力計算、井壁穩(wěn)定計算都沒有解析函數(shù)，因此編制了水化條件下井周應(yīng)力分布及坍塌壓力綜合計算軟件，以開展泥頁巖地層水化條件下井壁應(yīng)力分析與坍塌壓力計算。

根據(jù)XC構(gòu)造泥頁巖地層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)及泥頁巖水化模型，分析水化條件下井周應(yīng)力特征如圖5所示。在井壁巖石水化作用后，由于巖石彈性參數(shù)下降，其近井壁位置，徑向應(yīng)力出現(xiàn)降低狀態(tài)；切向應(yīng)力表現(xiàn)為在近井壁位置應(yīng)力降低，而略遠(yuǎn)離井壁的位置應(yīng)力增加。

圖5 頁巖地層不同水化時間井壁應(yīng)力分布圖

總體上，近井壁位置，應(yīng)力差降低較多；稍遠(yuǎn)離井壁位置，應(yīng)力差略有增加，但此應(yīng)力差值仍小于水化初期近井壁位置的應(yīng)力差值。由此可見，由于水化作用，井壁巖石彈性模量下降，井壁應(yīng)力集中程度較未水化狀態(tài)有所減弱。

4.3 泥頁巖地層坍塌壓力當(dāng)量密度

穩(wěn)定判斷準(zhǔn)則中的井壁主應(yīng)力與井內(nèi)液柱壓力有關(guān)，坍塌壓力當(dāng)量密度的計算需要先假設(shè)井內(nèi)液柱壓力，再計算井壁應(yīng)力分布并判斷井壁穩(wěn)定與否，然后根據(jù)初始假設(shè)進(jìn)行密度調(diào)整，最終應(yīng)用梯度法或二分法計算獲得地層坍塌壓力當(dāng)量密度。

如圖6所示，水平井狀態(tài)下，水化地層坍塌壓力當(dāng)量密度在沿最大與最小水平地應(yīng)力中間的方位鉆進(jìn)時最低。雖然隨水化時間的不同，坍塌壓力當(dāng)量密度有所差異，但是井壁最穩(wěn)定的水平井鉆進(jìn)方位始終穩(wěn)定。

圖7所示為泥頁巖地層內(nèi)沿最小水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力當(dāng)量密度隨時間變化情況，根據(jù)研究區(qū)參數(shù)計算表明，在無水化情況下，泥頁巖地層坍塌壓力當(dāng)量密度0.91 g/cm3；水化初期，6分鐘后，井壁坍塌壓力當(dāng)量密度升高到2.2 g/cm3；水化1天后，坍塌壓力當(dāng)量密度再次下降到1.6 g/cm3；再之后，坍塌壓力當(dāng)量密度隨水化時間增加呈緩慢下降趨勢。

出現(xiàn)坍塌壓力當(dāng)量密度在水化初期迅速上升，然后在1天內(nèi)迅速下降，之后繼續(xù)緩慢下降。分析認(rèn)為，水化初期，井壁巖石水化范圍小，井周應(yīng)力受巖石水化影響范圍小，井周應(yīng)力與無水化條件相似，但此時井壁強(qiáng)度參數(shù)下降大（如圖3所示），這是水化初期泥頁巖地層坍塌壓力當(dāng)量密度迅速上升的主要原因。

圖7 最小水平地應(yīng)力方向坍塌壓力與時間關(guān)系

在井壁水化過程中，隨著水化時間的推延，井壁巖石水化深度逐漸增加，井壁附近泥頁巖地層受水化作用范圍越來越大，井壁附近更大范圍巖石彈性參數(shù)下降（如圖4所示），井壁應(yīng)力集中較未水化狀態(tài)越來越弱（如圖5所示），隨水化時間的增加，井壁切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力差越來越小，導(dǎo)致地層坍塌壓力當(dāng)量密度也越來越小。

可見，在泥頁巖水化過程中，如果水化過程沒有破壞泥頁巖地層完整性，只是引起井壁巖石強(qiáng)度參數(shù)和彈性參數(shù)的減弱；那么，隨水化時間的增加，水化作用并不一定會導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性的進(jìn)一步惡化。

4.4 現(xiàn)場實例

XYHF–1井是XC構(gòu)造須五氣藏第一口水平井，大斜度及水平段巖性主要為黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及薄煤層，使用水基鉆井液鉆進(jìn)長度達(dá)817 m，預(yù)測地層壓力系數(shù)2.0 g/cm3，預(yù)測地層水化初期坍塌壓力當(dāng)量密度能達(dá)到2.2 g/cm3，但經(jīng)過初期掉塊后，地層坍塌壓力當(dāng)量密度能降低到地層壓力當(dāng)量密度以下。因此，設(shè)計鉆井液密度2.15 g/cm3，本井水平段實際使用最高鉆井液密度2.16 g/cm3，使用密度低于地層水化初期坍塌壓力當(dāng)量密度，大于水化中后期坍塌壓力當(dāng)量密度。實鉆過程中，泥頁巖地層在揭開初期存在一定井壁坍塌現(xiàn)象，起下鉆有遇阻現(xiàn)象，循環(huán)、劃眼有掉塊返出井口；在水平段完鉆后測井、下套管作業(yè)均順利完成，無阻卡、無多次通井現(xiàn)象。本井鉆井、完井施工正常，存在一定的水化初期型掉塊，沒有出現(xiàn)持續(xù)性井塌，證實本文研究結(jié)論的合理性。

5 結(jié)論

（1）受彈性參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)變化影響，泥頁巖 地層水平井眼井壁穩(wěn)定性分析過程復(fù)雜，本文建立的變彈性參數(shù)井周應(yīng)力分析和水化地層坍塌壓力當(dāng)量密度程序計算方法可以解決上述問題，實現(xiàn)水化地層井壁穩(wěn)定性快速計算分析。

（2）受水化作用，泥頁巖井壁徑向應(yīng)力在井壁內(nèi)部會有小幅下降，切向應(yīng)力在近井范圍大幅下降、遠(yuǎn)井壁范圍小幅增加；總體上，切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力差在井壁附近下降幅度大，在略遠(yuǎn)離井壁位置有小幅增加。

（3）泥頁巖井壁穩(wěn)定性在水化初期最差，隨著水化時間的增加，井壁穩(wěn)定性并不會進(jìn)一步惡化；對于該類地層，在鉆井設(shè)計與施工中，需要正確認(rèn)識和處理水化初期的高坍塌壓力現(xiàn)象，而并不一定要使用過高的鉆井液密度。

（4）泥頁巖地層敏感性礦物高、水化分散性強(qiáng)，地層裂縫發(fā)育的工程地質(zhì)情況不在本文討論范圍之列。本文研究方法及結(jié)論適用于弱分散性、連續(xù)性泥頁巖地層。

符號注釋

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編輯：岑志勇

1673–8217（2017）05–0117–05

TE257.9

A

2017–02–21

鐘敬敏，高級工程師，1978年生，2004年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田地質(zhì)力學(xué)研究工作。