順北區(qū)塊超深井侵入體井壁穩(wěn)定性分析

劉景濤，尹 飛，趙 寧，廖智海，史彪彬

（1.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059）

鉆井前地層處于力學(xué)平衡狀態(tài)，鉆井后井壁周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中。如果鉆井液壓力不足于支撐井壁，就會(huì)出現(xiàn)井壁坍塌，特別是在頁巖、火成巖等各向異性地層中。順北區(qū)塊鉆遇侵入體時(shí)經(jīng)常發(fā)生坍塌掉塊、阻卡、攜帶困難、鉆頭崩齒等復(fù)雜情況[1]，嚴(yán)重影響鉆井效率和安全，因此，對(duì)侵入體井壁穩(wěn)定性研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)各向異性地層井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列研究。Aadnoy[2]早在1988年采用線彈性力學(xué)和弱面強(qiáng)度模型，分析了各向異性對(duì)井壁穩(wěn)定的影響。Lee[3]建立了各向異性地層的井壁穩(wěn)定模型，分析了層理面產(chǎn)狀對(duì)井壁坍塌形狀影響。金衍[4]發(fā)現(xiàn)弱面存在易使井壁失穩(wěn)，分析了弱面產(chǎn)狀和井眼軌道對(duì)井壁穩(wěn)定的影響規(guī)律。劉向君[5]提出弱面應(yīng)力和強(qiáng)度的分析方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)井周圍存在裂縫或節(jié)理等軟弱面時(shí)，井壁穩(wěn)定性將明顯降低。蔚寶華[6]通過巖石力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)層理面法向與最大主應(yīng)力夾角為30°~70°容易發(fā)生層理面剪切滑移，通過優(yōu)化井眼軌道可實(shí)現(xiàn)層理性泥頁巖井壁穩(wěn)定。曹文科[7]通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換分析了基質(zhì)與弱面應(yīng)力，當(dāng)層理傾斜角增大時(shí)，井壁坍塌的主控因素由頁巖基質(zhì)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槿趺嫫茐?；盡量減小井眼軌跡與層理弱面法向夾角。閆傳梁[8]、馬天壽[9]等建立頁巖井壁穩(wěn)定模型，發(fā)現(xiàn)鉆井液浸泡顯著降低了層理面粘聚力和內(nèi)摩擦角，層理面強(qiáng)度弱化對(duì)頁巖井壁穩(wěn)定有較大影響。

現(xiàn)有研究多為泥頁巖井壁穩(wěn)定，對(duì)侵入體薄層井壁穩(wěn)定性研究不足。本文將系統(tǒng)地分析裂縫性侵入體基質(zhì)與弱面的應(yīng)力、強(qiáng)度，最終計(jì)算侵入體坍塌壓力，并推薦安全鉆井液密度窗口，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況反映了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 侵入體鉆井難點(diǎn)與巖石特性

順北區(qū)塊二疊系以下即石炭系、志留系、奧陶系發(fā)育非連續(xù)性侵入體薄層。對(duì)順北區(qū)塊已鉆的井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)有23口井鉆遇侵入體，共36層侵入體。有11口井次出現(xiàn)不同程度復(fù)雜和故障，鉆遇侵入體事故率32%。復(fù)雜與故障類型主要是：扭矩波動(dòng)大（跳鉆、憋停）、阻卡、卡鉆、井漏。侵入體嚴(yán)重影響了鉆井時(shí)效和安全成井，例如，順北1、順北52X、順北5-10鉆遇侵入體薄層發(fā)生卡鉆故障。

侵入體鉆井收集的巖屑樣品取自順北1-22H井的塔塔埃爾塔格組地層，巖性為灰黑色輝綠巖。對(duì)巖樣進(jìn)行X-射線衍射礦物分析，確定巖樣的全巖礦物組成和粘土礦物相對(duì)含量。侵入體輝綠巖礦物組分：以長(zhǎng)石、輝石為主，含少量方解石、鈦鐵礦；縫間填充物礦物包括石英、粘土礦物。

采用掃描電鏡對(duì)侵入體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，10#輝綠巖侵入體的裂縫如圖1所示。輝綠巖發(fā)育于斜長(zhǎng)石中裂縫縫寬15μm，整體平直，呈開啟狀態(tài)，由于斜長(zhǎng)石易蝕變，裂縫有輕微充填；發(fā)育于輝石中裂縫縫寬1.0~1.4μm，較斜長(zhǎng)石中發(fā)育的裂縫明顯偏小，發(fā)育規(guī)模也較前者明顯偏小，但裂縫更為平直，基本未被充填。輝綠巖裂縫發(fā)育，裂縫的弱理面效應(yīng)導(dǎo)致輝綠巖巖體整體強(qiáng)度降低，易造成井壁失穩(wěn)；但裂縫貫通性不好，少見漏失。輝綠巖中長(zhǎng)石含量高，呈硬脆性，受到?jīng)_擊容易掉塊。輝綠巖水化不易分散、水化膨脹應(yīng)變非常小[10]，不易造成井壁水化坍塌。所以，侵入體井壁坍塌主要由力學(xué)失穩(wěn)造成。

圖1 10#輝綠巖侵入體裂縫掃描電鏡照片

2 侵入體井壁與弱面應(yīng)力分析

2.1 井壁應(yīng)力狀態(tài)

深部地層受到三向主地應(yīng)力的作用，它是井壁圍巖/裂縫的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力。在此遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力作用下，求解井壁圍巖應(yīng)力、弱面應(yīng)力。為了便于計(jì)算，建立大地坐標(biāo)系（X，Y，Z）、地應(yīng)力坐標(biāo)系（Xs，Ys，Zs）、井眼坐標(biāo)系（Xb，Yb，Zb）、弱面坐標(biāo)系（Xw，Yw，Zw）。從而，把地應(yīng)力從地應(yīng)力坐標(biāo)系依次轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系、井眼坐標(biāo)系，如圖2所示，則可得井眼直角坐標(biāo)系中遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力分量：

圖2 用于應(yīng)力分析的四種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

式中：σH、σh、σv——水平最大地應(yīng)力、水平最小地應(yīng)力、垂向地應(yīng)力，MPa；

σij(i,j=x,y,z)——井眼直角坐標(biāo)系中遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力分量，MPa；

ω——水平最大地應(yīng)力方位角，（°）；

βb——井斜方位角，（°）；

αb——井斜角，（°）。

在上述遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力分量的作用下，對(duì)定向井/斜井的井壁進(jìn)行彈性力學(xué)分析，求得在井眼柱坐標(biāo)系中井壁圍巖應(yīng)力分布[11]：

式中：σij(i,j=r,θ,z)——井眼柱坐標(biāo)系中井壁圍巖應(yīng)力分量，MPa；

R——井眼半徑，m；

r——井壁圍巖的半徑，m；

θ——井眼周向角，（°）；

υ——巖石泊松比；

a——Biot系數(shù)；

φ——巖石孔隙度；

δ——井壁滲透或不滲透，1或0；

pi——井眼內(nèi)鉆井液壓力，MPa；

pp——孔隙壓力，MPa。

當(dāng)r=R時(shí)，可得井壁應(yīng)力分布：

2.2 弱面應(yīng)力狀態(tài)

裂縫、節(jié)理、層理等弱面降低了巖石強(qiáng)度，極易發(fā)生破壞，影響井壁穩(wěn)定。為了便于分析弱面的力學(xué)狀態(tài)，需要把井壁圍巖應(yīng)力從井眼柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到弱面直角坐標(biāo)系。通過以下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：把井眼柱坐標(biāo)系依次反向轉(zhuǎn)換到井眼直角坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系；再依次正向轉(zhuǎn)換到弱面直角坐標(biāo)系，則得到弱面直角坐標(biāo)系中弱面應(yīng)力[7]：

式中：βw——弱面走向，（°）；αw——弱面傾角，（°）。

從而，可獲得弱面上法向正應(yīng)力、剪應(yīng)力：

3 侵入體強(qiáng)度準(zhǔn)則

3.1 巖石基質(zhì)強(qiáng)度準(zhǔn)則

根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，巖石破壞時(shí)破裂面上剪應(yīng)力必須克服巖石內(nèi)聚力和破裂面上摩擦阻力。

式中：τ——破裂面上剪應(yīng)力，MPa；

σn——破裂面上正應(yīng)力，MPa；

C0——巖石內(nèi)聚力，MPa；

φ0——巖石內(nèi)摩擦角，（°）。

用主應(yīng)力表示：

式中：σ1、σ3——最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力，MPa；β0——破裂面與最大主應(yīng)力夾角，（°）。

對(duì)于完整的巖石，破裂面與最大主應(yīng)力夾角β0是一個(gè)定值：

聯(lián)立上述兩個(gè)式子，且考慮巖石內(nèi)孔隙壓力，則用有效應(yīng)力表示為：

3.2 裂縫弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則

對(duì)于含弱面地層，由于受到弱面影響，其破壞形式不同。Jaeger提出了弱面地層強(qiáng)度理論，基質(zhì)與弱面破壞滿足不同的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，如圖3所示。

圖3 弱面巖石的失效模式

弱面的強(qiáng)度準(zhǔn)則用主應(yīng)力表示：

式中：Cw——弱面內(nèi)聚力，MPa；

φw——弱面內(nèi)摩擦角，（°）；

βw——弱面與最大主應(yīng)力夾角，（°）。

弱面失效的風(fēng)險(xiǎn)取決于弱面強(qiáng)度和角度。當(dāng)弱面滿足上述應(yīng)力條件及一定角度范圍β1≤β≤β2，巖石表觀強(qiáng)度才受弱面控制[7]。

為了直觀顯示弱面對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，繪制了巖石基質(zhì)與弱面的強(qiáng)度，其中，巖石強(qiáng)度參數(shù)如表1所示，圍巖為10MPa?？梢?，隨著弱面與最大主應(yīng)力夾角增加，裂縫性地層破壞形式依次為：基質(zhì)破壞、弱面破壞、基質(zhì)破壞。弱面破壞時(shí)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于基質(zhì)破壞時(shí)強(qiáng)度，弱面可顯著降低巖石強(qiáng)度。

4 侵入體坍塌壓力分析

順北區(qū)塊鉆遇侵入體時(shí)經(jīng)常發(fā)生坍塌掉塊、阻卡、攜帶困難、鉆頭崩齒等復(fù)雜情況。前期研究認(rèn)為，桑塔木組侵入體的坍塌壓力1.055~1.409g/cm3，破裂壓力1.956~2.150g/cm3。應(yīng)用本文方法重新進(jìn)行井壁穩(wěn)定分析。根據(jù)SHB5-5H井等資料，桑塔木組侵入體地質(zhì)與巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于侵入體位于直井段，則井斜角、井斜方位角都為0°。給定裂縫面的走向和傾角，代入裂縫性地層應(yīng)力與強(qiáng)度公式，則可分析不同裂縫產(chǎn)狀下井壁坍塌壓力。利用MATLAB軟件對(duì)井壁應(yīng)力和強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行編程，采用迭代法求解坍塌壓力。

表1 桑塔木組侵入體地質(zhì)與巖石力學(xué)參數(shù)

首先，分析侵入體基質(zhì)的坍塌壓力。計(jì)算可知，當(dāng)井壁不滲透時(shí)，輝綠巖基質(zhì)坍塌壓力為1.37g/cm3；當(dāng)考慮鉆井液濾失時(shí)，輝綠巖基質(zhì)井壁坍塌壓力為1.40g/cm3。然后，對(duì)侵入體弱面破壞進(jìn)行分析，獲得侵入體弱面傾角對(duì)坍塌壓力的影響規(guī)律，如圖4所示。由圖可知，當(dāng)弱面走向?yàn)榻阶钚〉貞?yīng)力方位時(shí)，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力逐漸增大；當(dāng)弱面傾角為90°，弱面地層的坍塌壓力達(dá)到最大，其當(dāng)量密度為1.74g/cm3。

圖4 侵入體弱面傾角對(duì)坍塌壓力的影響規(guī)律

上述分析是基于裂縫弱面走向?yàn)榻阶钚〉貞?yīng)力方位的結(jié)果。但侵入體裂縫十分發(fā)育，如果考慮任意弱面走向及傾角，則進(jìn)一步分析任意弱面走向及傾角下坍塌壓力，如圖5所示。由圖可知，當(dāng)弱面傾角較小時(shí)(小于10°~15°)，弱面不會(huì)先于基質(zhì)破壞，即弱面不會(huì)惡化井壁穩(wěn)定；而較大傾角的弱面會(huì)使井壁更容易失穩(wěn)；不同弱面產(chǎn)狀下坍塌壓力亦不同，當(dāng)弱面走向?yàn)榻阶钚〉貞?yīng)力方位時(shí)，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力逐漸增大；當(dāng)弱面走向?yàn)榻阶畲蟮貞?yīng)力方位時(shí)，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力先增大后減小[12]；當(dāng)弱面走向?yàn)榻阶畲蟮貞?yīng)力方位且弱面傾角為30°時(shí)，弱面地層的坍塌壓力達(dá)到最大值1.87g/cm3。

圖5 任意弱面走向及傾角下坍塌壓力

綜上，考慮裂縫弱面影響時(shí)侵入體坍塌壓力當(dāng)量密度為1.74~1.87g/cm3，遠(yuǎn)大于侵入體輝綠巖基質(zhì)坍塌壓力當(dāng)量密度1.37~1.40g/cm3。所以鉆井現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了鉆井故障和專打?qū)７獾木斫Y(jié)構(gòu)。分析結(jié)果可得到現(xiàn)場(chǎng)鉆井實(shí)踐的驗(yàn)證，當(dāng)采用鉆井液密度小于1.60g/cm3時(shí)，SHB1-9等井在侵入體發(fā)生阻卡；SHB1-6H井使用鉆井液密度為1.85g/cm3，順利鉆穿厚度為39m桑塔木組侵入體，鉆速0.91m/h，是順北區(qū)塊順利鉆穿侵入體的第一口井?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明了侵入體井壁穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性。研究成果可為侵入體安全鉆進(jìn)工藝技術(shù)提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）侵入體裂縫發(fā)育，容易引起井壁坍塌掉塊、鉆井阻卡。采用多孔介質(zhì)彈性力學(xué)和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析裂縫性地層基質(zhì)與弱面的坍塌壓力，選取兩者最大值作為侵入體坍塌壓力。

（2）當(dāng)?shù)貙尤趺鎯A角較小時(shí)，弱面不會(huì)影響井壁穩(wěn)定；然而，較大傾角的弱面會(huì)使井壁更容易失穩(wěn)。弱面產(chǎn)狀對(duì)井壁穩(wěn)定性有著顯著的影響，當(dāng)弱面走向?yàn)榻阶钚〉貞?yīng)力方位時(shí)，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力逐漸增大；當(dāng)弱面走向?yàn)榻阶畲蟮貞?yīng)力方位且弱面傾角為30°左右時(shí)，弱面地層的坍塌壓力最大。

（3）順北區(qū)塊桑塔木組侵入體裂縫的坍塌壓力當(dāng)量密度為1.74~1.87g/cm3，遠(yuǎn)大于侵入體基質(zhì)的坍塌壓力當(dāng)量密度1.37~1.40g/cm3，所以鉆井現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了鉆井故障和專打?qū)７狻?/p>