裂縫性碳酸鹽巖微細觀組構(gòu)及力學(xué)性能研究

劉厚彬，崔 帥，孟英峰，鄧 虎，韓 旭

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川 廣漢 618300)

0 引 言

在常規(guī)鉆井過程中井壁失穩(wěn)的發(fā)生主要集中在砂泥巖地層，但在碳酸鹽巖地層中，由于儲層成因、構(gòu)造作用及成巖作用的復(fù)雜性，井壁失穩(wěn)也普遍存在，并且主要集中在裂縫性、易破碎以及地應(yīng)力不平衡的硬脆性灰?guī)r等地層中[1-2]。針對碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性問題開展了大量的研究工作。Santarelli等[3]利用離散元模型模擬破裂性地層來分析井眼不穩(wěn)定的原因；Li等[4]研究了川東地區(qū)含氣的裂縫性碳酸鹽巖地層，提出了孔隙壓力預(yù)測方法與井壁穩(wěn)定預(yù)測方法；Labenski[5]對微裂縫發(fā)育地層的井壁穩(wěn)定問題進行了研究，提出了用鉆井液封堵裂縫提高井壁穩(wěn)定性的方法；劉之的等[6-8]基于測井資料提出了評價碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定的方法；潘林華[9]針對塔河碳酸鹽巖地層的巖心開展了三軸壓縮實驗，分析了不同圍壓和孔隙壓力對碳酸鹽巖力學(xué)性能的影響規(guī)律；劉志遠[10]分析了西部某裂縫性碳酸鹽巖儲層裸眼井壁失穩(wěn)的機理，針對滲流場、水化、裂縫以及溫度場的影響等建立了裸眼井壁穩(wěn)定的評價模型。但裂縫對碳酸鹽巖地層微細觀結(jié)構(gòu)、水理化性能和力學(xué)性能的影響并沒有確切定論。因此，以川西馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖地層為研究對象，通過碳酸鹽巖微細觀結(jié)構(gòu)特征研究和井下力學(xué)環(huán)境三軸力學(xué)實驗測試，評價分析了裂縫發(fā)育、鉆井液浸泡效應(yīng)等對巖體力學(xué)性能的影響。

1 碳酸鹽巖組成及理化特性

1.1 巖石微細觀組構(gòu)特征

研究對象為川西馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖地層，馬鞍塘—雷口坡碳酸鹽巖地層自上而下依次為上三疊系馬鞍塘組(馬二段和馬一段)、中三疊系天井山組以及中三疊系雷口坡組(雷四段至雷一段)，儲層主要發(fā)育于雷四段。利用XRD衍射儀測試了馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖的礦物組成及含量(表1)。

表1 馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖礦物組分及含量測定

由表1可知：馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖礦物組分主要以方解石和白云石為主，含少量石英和黏土礦物，其中，馬一段井下巖心方解石含量達到81%，該類灰?guī)r通常巖體堅硬，具有很高的力學(xué)強度；其余3個巖樣普遍以方解石和白云石為主，為典型的白云質(zhì)灰?guī)r。

利用超景深體式顯微鏡和環(huán)境掃描電鏡(SEM)分別測試了馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖的宏觀裂縫和微細觀結(jié)構(gòu)特征(圖1)，從微細觀結(jié)構(gòu)上揭示巖石力學(xué)特征及井壁穩(wěn)定性等特征[11-12]。

由圖1可知：馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖微裂縫、孔洞十分發(fā)育，且裂縫方向不統(tǒng)一。微裂縫和孔洞可作為天然氣的滲流通道，同時，也可作為鉆井液侵入的通道對井壁穩(wěn)定產(chǎn)生影響。結(jié)合馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖微細觀結(jié)構(gòu)的分析，初步推斷影響該地層井壁垮塌的主要因素是儲層裂縫發(fā)育狀況。

1.2 巖石水理化性能

1.2.1 碳酸鹽巖孔滲性能實驗

碳酸鹽巖孔滲性能實驗可用于評價井壁巖石滲流能力，為后期評價滲流場對井壁穩(wěn)定性的影響提供基礎(chǔ)參數(shù)[13]。馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖孔滲性能測試結(jié)果見表2。

由表2可知：碳酸鹽巖孔隙度和滲透率普遍較低，裂縫的存在和走向?qū)μ妓猁}巖孔隙度無明顯影響；當(dāng)碳酸鹽巖中存在垂直裂縫時，沿裂縫延伸方向滲透率明顯增大，但存在其他角度的裂縫時，滲透率并未發(fā)生明顯的變化，說明裂縫的走向?qū)B透率的影響相對明顯。因此，在考慮碳酸鹽巖井壁坍塌問題時應(yīng)考慮滲流的影響。

1.2.2 碳酸鹽巖膨脹性能實驗

巖石的膨脹性能實驗可以評價在鉆井液浸泡條件下巖石的膨脹性能，可作為優(yōu)選鉆井液體系的參考因素之一[14]，同時，也可以評估鉆井液對于該類巖石地層的實用性，研究巖石膨脹能力及井壁垮塌失穩(wěn)機理。選取了馬鞍塘—雷口坡組有裂縫和無裂縫的2種碳酸鹽巖巖樣進行測試，評價了碳酸鹽巖基巖和碳酸鹽巖浸泡在現(xiàn)場使用的油基鉆井液條件下的膨脹性能，浸泡時間為48 h，實驗結(jié)果如表3所示。

圖1 馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖微細觀結(jié)構(gòu)

表2 馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖孔滲性能測試結(jié)果

表3 油基鉆井液浸泡后巖樣的膨脹性能實驗結(jié)果

由表3可知：碳酸鹽巖在油基鉆井液浸泡條件下的膨脹性較弱；當(dāng)巖石中有裂縫存在時，在毛細管力作用下，鉆井液沿裂縫吸附運移，在裂縫面形成水化膜，引發(fā)裂縫間距增大，進而導(dǎo)致碳酸鹽巖膨脹。因此，存在裂縫的碳酸鹽巖膨脹性略高于致密基巖。

結(jié)合XRD衍射實驗數(shù)據(jù)分析可知：碳酸鹽巖中黏土礦物含量低，膨脹性能弱，鉆井液水化效應(yīng)對碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定的影響很?。粚τ诹芽p發(fā)育的碳酸鹽巖，膨脹性能略高于基巖，但影響仍較小。初步分析認為，碳酸鹽巖的水化膨脹性能對井壁穩(wěn)定性的影響較小。

2 巖石力學(xué)特性測試分析

2.1 巖石力學(xué)特性測試實驗

通過室內(nèi)三軸壓縮實驗，可以獲取井下壓力環(huán)境下的巖石力學(xué)參數(shù)，用于評價不同鉆井液體系、裂縫發(fā)育及裂縫走向等因素對井壁巖石力學(xué)性能的影響[15]，也可用于校核測井?dāng)?shù)據(jù)獲得的地層巖石力學(xué)參數(shù)剖面，獲取更為可靠的地層巖石力學(xué)參數(shù)剖面，提高地層井壁穩(wěn)定性預(yù)測精度。

用采集到的金河剖面三疊系馬鞍塘組以及雷口坡組碳酸鹽巖露頭分別開展了干燥碳酸鹽巖基巖(A1)、油基鉆井液浸泡后碳酸鹽巖基巖(A2)、干燥裂縫性碳酸鹽巖(B1)以及油基鉆井液浸泡后裂縫性碳酸鹽巖(B2)4種巖心的三軸力學(xué)實驗，分別測試了圍壓為0、20、40、60 MPa時的巖石力學(xué)性能參數(shù)，以分析各種不同工況條件對碳酸鹽巖力學(xué)性能的影響。

裂縫性碳酸鹽巖(B1、B2)為含有0、30、45、60、90 °裂縫的碳酸鹽巖。干燥巖心(A1、B1)在100 ℃的烘箱中烘干24 h后分別在不同圍壓條件下進行三軸壓縮實驗。對于油基鉆井液浸泡的巖心(A2、B2)，在100 ℃烘箱中烘干24 h后，再將其放于現(xiàn)場油基鉆井液中浸泡48 h，然后分別在不同圍壓條件下開展三軸壓縮實驗。

2.2 鉆井液浸泡前后巖石力學(xué)實驗結(jié)果

2.2.1 基巖(A1、A2)實驗結(jié)果

干燥碳酸鹽巖基巖與油基鉆井液浸泡后的碳酸鹽巖基巖三軸壓縮實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 干燥碳酸鹽巖基巖與油基鉆井液浸泡后碳酸鹽巖基巖三軸壓縮實驗結(jié)果

由圖2可知：在相同圍壓環(huán)境下，油基鉆井液浸泡后的碳酸鹽巖基巖的彈性模量和抗壓強度沒有明顯降低，說明馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖基巖受鉆井液水化作用影響較小。

2.2.2 干燥巖心(A1、B1)實驗結(jié)果

干燥碳酸鹽巖基巖與干燥裂縫性碳酸鹽巖的三軸壓縮實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：2種巖心的彈性模量沒有明顯差異，且均呈現(xiàn)隨圍壓增加而增大的趨勢；干燥碳酸鹽巖基巖與裂縫角度為0、30、45、90 °的干燥裂縫性碳酸鹽巖的抗壓強度總體上差異不明顯，但裂縫角度為60 °的干燥裂縫性碳酸鹽巖的抗壓強度出現(xiàn)最低值，說明馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖受裂縫走向及力學(xué)弱面效應(yīng)影響較為明顯。

圖3 干燥碳酸鹽巖基巖和干燥裂縫性碳酸鹽巖三軸壓縮實驗結(jié)果(不同裂縫角度)

2.2.3 浸泡巖心(A2、B2)實驗結(jié)果

油基鉆井液浸泡裂縫性碳酸鹽巖基巖與油基鉆井液浸泡裂縫性碳酸鹽巖的三軸壓縮實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 浸泡基巖與浸泡裂縫性碳酸鹽巖三軸壓縮實驗結(jié)果(不同圍壓)

由圖4可知：浸泡后碳酸鹽巖基巖和浸泡后裂縫性碳酸鹽巖的彈性模量在圍壓為0 MPa時相差較小，但隨著圍壓的增加，浸泡后碳酸鹽巖基巖受圍壓的影響相對明顯，彈性模量略高；2種巖心的抗壓強度均隨著圍壓的增加而增大，且2種巖心的抗壓強度相差較??；不同圍壓下，裂縫角度為60 °時，浸泡后裂縫性碳酸鹽巖的抗壓強度出現(xiàn)最低值。說明碳酸鹽巖基巖和裂縫性碳酸鹽巖受鉆井液水化作用影響較小，但受裂縫走向及力學(xué)弱面效應(yīng)影響較為明顯。

2.2.4 裂縫性碳酸鹽巖(B1、B2)實驗結(jié)果

干燥裂縫性碳酸鹽巖(B1)與油基鉆井液浸泡裂縫性碳酸鹽巖(B2)的三軸壓縮實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 干燥裂縫性碳酸鹽巖與浸泡裂縫性碳酸鹽巖三軸實驗結(jié)果(不同裂縫角度)

由圖5可知：在圍壓為60 MPa時，干燥裂縫性碳酸鹽巖比浸泡后裂縫性碳酸鹽巖的彈性模量高，而其他3種圍壓條件下2種巖心的彈性模量差異較小，且2種巖心的彈性模量均隨圍壓增加有一定程度的增大；鉆井液浸泡前后巖心的抗壓強度均隨圍壓增加而增大；相對于干燥裂縫性碳酸鹽巖，油基鉆井液浸泡裂縫性碳酸鹽巖的抗壓強度并沒有明顯降低，有的甚至比干燥裂縫性碳酸鹽巖抗壓強度更高，但在裂縫角度為60 °時抗壓強度出現(xiàn)最低值，說明油基鉆井液浸泡效應(yīng)對裂縫性碳酸鹽巖影響較小，而受裂縫弱面效應(yīng)影響最大。

綜合前文實驗分析可知：油基鉆井液對碳酸鹽巖抗壓強度影響較小，且碳酸鹽巖水化膨脹性能較弱，因此，該地層的碳酸鹽巖井壁穩(wěn)定性受鉆井液浸泡水化作用影響較?。涣芽p的發(fā)育對碳酸鹽巖的抗壓強度影響較大，尤其在裂縫角度為60 °左右時，抗壓強度出現(xiàn)最低值；裂縫的存在提高了碳酸鹽巖的滲透率[16]，引發(fā)裂縫間距增大，同時裂縫的發(fā)育造成地層破碎，影響巖石內(nèi)聚力，導(dǎo)致地層巖石強度降低，坍塌密度升高，從而加大對井壁穩(wěn)定性的影響。

3 結(jié)論及建議

(1)馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖礦物組分主要以方解石和白云石為主，含少量石英和黏土礦物；該地區(qū)微裂縫比較發(fā)育，同時發(fā)育有溶蝕孔洞，水化膨脹性能較弱。

(2)馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖的孔隙度為2%～3%，無裂縫基巖的滲透率為0.003 00 mD左右，裂縫的存在和走向?qū)μ妓猁}巖的孔隙度無明顯影響。存在非滲流方向的裂縫時，對滲透率影響不明顯；當(dāng)存在與滲流方向一致的裂縫時，滲透率會明顯升高，說明裂縫會對井壁滲流產(chǎn)生一定的影響，從而影響孔隙壓力，進而影響坍塌壓力。

(3)油基鉆井液水化效應(yīng)對馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖力學(xué)性能的影響不是特別明顯，裂縫走向及力學(xué)弱面效應(yīng)對馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖力學(xué)性能的影響更為顯著。當(dāng)裂縫傾角為60 °時，受裂縫弱面效應(yīng)的影響最為明顯，碳酸鹽巖抗壓強度出現(xiàn)最低值，其他角度受裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)影響相對較弱，略低于不帶裂縫的基巖；而在不同圍壓條件下，碳酸鹽巖的力學(xué)參數(shù)基本都是隨圍壓的增加而增大。

(4)馬鞍塘—雷口坡組碳酸鹽巖地層垮塌的主要原因是地層裂縫發(fā)育，發(fā)育的裂縫會增加井壁的滲流能力；同時，發(fā)育的裂縫受到力學(xué)弱面效應(yīng)的影響造成地層破碎，從而影響巖石內(nèi)聚力，導(dǎo)致地層巖石強度降低，坍塌壓力升高。

(5)針對該類破碎裂縫性碳酸鹽巖地層，鉆進時應(yīng)考慮井眼軌跡的優(yōu)化，選擇合適的角度鉆穿裂縫性地層，降低裂縫弱面和壓力穿透的影響；鉆井液應(yīng)該提高泥漿封堵能力，要求在鉆開地層剛形成井眼時，在很短時間內(nèi)將井壁的各種細微裂縫在入口處“封死”，以盡量減少在破碎地層剛形成井眼時產(chǎn)生掉塊的數(shù)量，提高封堵速度，盡量防止和減少后續(xù)掉塊的發(fā)生。