威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣水平鉆井井壁穩(wěn)定影響因素分析

楊光偉

摘? 要：隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，頁巖氣的勘探開發(fā)已被列入了國家戰(zhàn)略開發(fā)范圍。由于頁巖氣藏儲層特征決定，采用水平井工藝可大大提高頁巖氣開發(fā)效率因此得到了極為廣泛的應(yīng)用，井壁穩(wěn)定問題作為影響水平井開發(fā)效果的重要因素之一。本文以四川威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣藏為研究對象，重點(diǎn)分析頁巖氣水平鉆井過程中影響井壁穩(wěn)定的因素，并提出相應(yīng)對策。

關(guān)鍵詞：頁巖氣? 水平井? 井壁穩(wěn)定分析

中圖分類號：TE243 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0047-02

頁巖氣具有較大的資源潛力、較長的開采壽命和生產(chǎn)周期，目前已成為能源研究的熱點(diǎn)和突破口。但頁巖氣藏是低豐度、低品位非常規(guī)天然氣藏，采用直井鉆井方式無法對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)。采用水平井開發(fā)方式，能夠有效增加頁巖氣儲層暴露面積，進(jìn)而提高單井產(chǎn)量，目前在國內(nèi)外得到了極為廣泛的應(yīng)用。四川威遠(yuǎn)—長寧構(gòu)造地層出露老、地表疏松、成巖性差，二疊系龍?zhí)督M地層含鋁土質(zhì)泥巖，易水化膨脹、水敏性強(qiáng)，目的層頁巖性脆、易掉塊，出現(xiàn)破碎性垮塌;同時(shí)構(gòu)成頁巖的粘土礦物對流體敏感性強(qiáng)，鉆井液長時(shí)間的沖刷浸泡將會加劇頁巖的垮塌。諸多因素的影響引起頁巖氣水平井出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問題，因此，從安全、高品質(zhì)、快速、高效的鉆井角度出發(fā)，研究頁巖氣水平井鉆井過程中井壁穩(wěn)定問題就顯得特別重要。

1? 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

鉆井前，原狀地層所受的地應(yīng)力及孔隙壓力處于平衡狀態(tài)。鉆井后，井眼的形成破壞了原始地應(yīng)力的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致井壁圍巖的應(yīng)力重新分布。鉆井時(shí)，井眼通過低強(qiáng)度地層產(chǎn)生的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致井壁圍巖破壞，即井壁力學(xué)失穩(wěn)。鉆井液作為石油工程的“血液”，在鉆井過程中，對于大部分地層及井壁巖石，鉆井液密度只需稍稍大于地層孔隙壓力梯度就能保持井下壓力和井壁地層應(yīng)力的平衡，實(shí)現(xiàn)鉆井井壁穩(wěn)定。而對于泥頁巖地層，粘土礦物具有極強(qiáng)的水敏性，僅靠調(diào)整鉆井液密度無法保持井壁地層的穩(wěn)定，有時(shí)甚至使井壁失穩(wěn)加劇。

1.1? 力學(xué)因素導(dǎo)致井壁失穩(wěn)

從力學(xué)角度分析井壁失穩(wěn)有兩種基本形式：壓縮剪切破壞和拉伸破壞。

在鉆開井眼前，地下巖石處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。鉆開井眼后，井壁地層原有的支撐被井筒內(nèi)鉆井液的業(yè)主壓力所取代，井眼周圍的應(yīng)力進(jìn)行了重新分布。當(dāng)?shù)貞?yīng)力、巖石強(qiáng)度和孔隙壓力等一系列地層參數(shù)與井內(nèi)液柱壓力、鉆井液性質(zhì)等工程參數(shù)之間不能達(dá)到平衡時(shí)，將會引起不同形式的井眼破壞。如：當(dāng)井內(nèi)液柱壓力低于井壁巖石的剪切強(qiáng)度時(shí)，井壁巖石將會發(fā)生剪切破壞，當(dāng)井內(nèi)液柱壓力高于井壁巖石的拉張強(qiáng)度時(shí)，井壁巖石將會發(fā)生張性破壞，即在井壁地層形成裂縫，造成井漏。

1.2 化學(xué)因素導(dǎo)致井壁失穩(wěn)

鉆井過程中，鉆井液等外來流體與地層不配伍，將會打破地層原有的化學(xué)平衡。水敏性粘土礦物是泥頁巖的主要成分，不同的鉆井液體系作用于泥頁巖結(jié)果各不相同。大量研究成果表明，泥頁巖地層與鉆井液在井下溫度和壓力條件下接觸將產(chǎn)生如下三種相互作用。

（1）鉆井液和地層流體的離子濃度差引起的離子擴(kuò)散交換作用;（2）泥頁巖和鉆井液中水的化學(xué)勢差異產(chǎn)生的擴(kuò)散滲透作用;（3）鉆井液柱壓力與地層流體壓力的壓差作用引起的鉆井液濾液沿泥頁巖的微裂隙的侵入。

上述三種作用將會導(dǎo)致泥頁巖地層吸水膨脹，使井壁圍巖的應(yīng)力分布和地層巖石特性發(fā)生顯著變化，最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，發(fā)生鉆井復(fù)雜事故。

1.3 工程因素導(dǎo)致井壁失穩(wěn)

導(dǎo)致鉆井井壁失穩(wěn)的工程因素主要包括：鉆井液的性能與性質(zhì)、井壁地層的浸泡時(shí)間、鉆井液對井壁的沖刷程度、鉆井液循環(huán)產(chǎn)生的波動壓力、起下鉆時(shí)的鉆井液激動壓力、鉆柱對井壁地層的摩擦和碰撞等。因此，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的因素可以概括為一種力學(xué)因素，其實(shí)質(zhì)就是井壁地層巖石所受應(yīng)力超過了其強(qiáng)度進(jìn)而產(chǎn)生地層破壞。

2? 頁巖氣水平鉆井井壁穩(wěn)定性研究

大量文獻(xiàn)表明，水平地應(yīng)力的不均衡對地層坍塌壓力和地層破裂壓力具有顯著的影響，當(dāng)最大水平地應(yīng)力與最小水平地應(yīng)力的比值越大，坍塌壓力與破裂壓力的差值就越小，鉆井作業(yè)就越困難。地應(yīng)力的不均衡是井壁力學(xué)失穩(wěn)的主要誘因之一。因此，要分析井壁穩(wěn)定，井壁地層的坍塌壓力和破裂壓力是基礎(chǔ)。

2.1 坍塌壓力計(jì)算

通過分析井壁處主應(yīng)力分布情況，此前有關(guān)井壁應(yīng)力分布情況已有大量研究結(jié)果，限于篇幅，文章不進(jìn)行公式推導(dǎo)。由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可知：巖石最大、最小主應(yīng)力仍然分別為切向應(yīng)力σθ和徑向應(yīng)力σr。σθ在θ=90°和θ=270°處達(dá)到最大，井壁發(fā)生坍塌。則：

當(dāng)水平井井軸沿最大水平應(yīng)力σH（或σh）方向時(shí)：

2.2 破裂壓力計(jì)算

當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力過高時(shí)，在井壁處會出現(xiàn)拉應(yīng)力，根據(jù)最大拉應(yīng)力理論可知，當(dāng)巖石內(nèi)任意點(diǎn)的最小主應(yīng)力σ3超過巖石的抗拉強(qiáng)度σt時(shí)，巖石便會發(fā)生拉伸破壞，考慮孔隙壓力的影響，則有：

（1）當(dāng)水平井井軸沿σH（或σh）方向時(shí)，形成橫向裂縫的破裂壓力分別為

（2）當(dāng)水平井井軸沿σH（或σh）方向時(shí)，形成縱向裂縫的破裂壓力分別為

3? 實(shí)例應(yīng)用

W201井是一口垂直評價(jià)井，用來獲取龍馬溪組和筇竹寺組地層的地化、巖礦、物性、巖石力學(xué)和地層含油氣性等資料。該井采用隨鉆測井方式，根據(jù)測井解釋結(jié)果顯示在1390～1460m處出現(xiàn)井壁垮塌。

W201-1井是該地區(qū)的一口頁巖氣水平井，目標(biāo)層是志留系下部龍馬溪組黑色頁巖氣層。通過參考井的測井資料對比：目標(biāo)層埋深為1477.43～1518.6m，層厚約40m，其中優(yōu)質(zhì)氣層厚度約18.7m。根據(jù)施工數(shù)據(jù)顯示，鉆井采用油基泥漿體系。當(dāng)鉆至2738m時(shí)再次無法鉆進(jìn)，隨著泥漿比重在水平段不斷增加，井漏現(xiàn)象變得嚴(yán)重。這表明當(dāng)泥漿比重變得太高時(shí)，地層發(fā)生了破裂。完鉆深度2823m，水平段1079m，基本達(dá)到鉆井設(shè)計(jì)目標(biāo)。

分析原因?yàn)椋涸搮^(qū)塊頁巖儲層應(yīng)力分布規(guī)律為最小水平主應(yīng)力〈上覆巖層壓力〈最大水平主應(yīng)力，且發(fā)育有微裂縫。威遠(yuǎn)地區(qū)志留系龍馬溪組頁巖地層中的粘土含量較大，粘土礦物因水化作用使井眼坍塌而擴(kuò)徑嚴(yán)重，同時(shí)頁巖地層層理及微裂縫發(fā)育，地層巖石強(qiáng)度低，容易破碎，地層破裂壓力較低，水平井井壁穩(wěn)定性較差，地層中存在微裂縫導(dǎo)致地層漏失壓力較小，通過增大鉆井液密度來保持井壁穩(wěn)定反而容易壓開裂縫，因此要在保證鉆井液封堵效果的前提下，適當(dāng)提高鉆井液密度。

4? 結(jié)語

地下巖石應(yīng)力平衡是控制頁巖地層井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)，通過研究分析得出威遠(yuǎn)地區(qū)該儲層地應(yīng)力分布情況為最小水平主應(yīng)力〈上覆巖層壓力〈最大水平主應(yīng)力，且發(fā)育有微裂縫，地層易破碎。通過分析井壁地層失穩(wěn)的機(jī)理確定合適的水平井段鉆井方案，結(jié)合地層巖石力學(xué)分析及地層巖石物理性質(zhì)選擇合理的鉆井液密度及鉆井液性能可以有效保證鉆井井壁的穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳秀榮.泥頁巖井壁穩(wěn)定性研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2009.

[2] 陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.