頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定影響因素探究

于磊

摘要：本文基于對頁巖氣鉆井情況的了解，分析由于工程因素、力學(xué)因素和化學(xué)因素等對頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性的影響深入分析，計算出井壁坍塌壓力和破裂壓力產(chǎn)生的具體數(shù)值，以此為依據(jù)提出井壁穩(wěn)定防塌優(yōu)化策略，為礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；井壁穩(wěn)定；防塌技術(shù)

1.引言

我國能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，在頁巖氣勘探開采中，由于多種因素影響經(jīng)常導(dǎo)致井壁失穩(wěn)情況，從而延長鉆井速度和周期，增加鉆井成本，甚至?xí)霈F(xiàn)坍塌等事故，因此，必須要注重井壁穩(wěn)定影響因素研究，推進地質(zhì)資源開采的可持續(xù)健康發(fā)展。

2.頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定影響因素分析

2.1工程因素

頁巖氣是一種非常重要的天然氣資源，在實際頁巖氣鉆井過程中，可能由于諸多因素影響導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，從工程因素角度看，其主要包括鉆井液的性能性質(zhì)、對井壁的沖刷程度、產(chǎn)生的波動與激動壓力等多項內(nèi)容，主要是根據(jù)鉆井液的綜合性質(zhì)來對井壁穩(wěn)定性進行優(yōu)化考慮，但是可以通過人為方式進行有效調(diào)節(jié)的，所以總體來說工程因素對井壁穩(wěn)定性的影響較小，同時還可以有效規(guī)避存在的穩(wěn)定性風(fēng)險，對整體鉆井施工安全起到一定保障作用[1]。

2.2力學(xué)因素

力學(xué)因素也是影響頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性的重要內(nèi)容之一，從力學(xué)角度看，地應(yīng)力是影響井壁失穩(wěn)的最重要因素，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的形式可分為：拉伸破壞和剪切破壞。剪切破壞主要是在未開始鉆井施工前期，地應(yīng)力始終保持平衡狀態(tài)，當(dāng)鉆開井眼后，井壁底層原有的支撐力遭到破壞，并由原有鉆井液壓力所取代，與此同時，需要將地應(yīng)力進行重新分布，如果此時井筒中鉆井液密度造成破壞，會導(dǎo)致井眼發(fā)生直徑擴張或縮小的情況，在后期需要進行大型水力壓裂，才能保證井壁具有一定的穩(wěn)定性和安全性特征，但是當(dāng)鉆井內(nèi)地層參數(shù)與工程參數(shù)之間難以達到平衡狀態(tài)，則表明井壁必然會出現(xiàn)一定破壞，從而出現(xiàn)井壁失穩(wěn)情況；拉伸破壞通常情況下是由于井內(nèi)液壓過高，且已經(jīng)超過了巖石的抗張強度，則會導(dǎo)致井壁出現(xiàn)裂縫，甚至?xí)霈F(xiàn)氣體泄漏等不良情況，對工程及施工人員安全造成嚴(yán)重威脅。

2.3化學(xué)因素

由于頁巖氣屬于一種重要的非常規(guī)天然氣資源，且存在的地質(zhì)層內(nèi)，其自身具有一定的化學(xué)屬性，而在鉆井過程中，鉆井液等外來流體難以與地層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)進行高效匹配，必然會在注入階段打破原有的化學(xué)平衡。對于泥頁巖來說，水敏性粘土礦物是其主要成分，而當(dāng)不同的鉆井液體系對泥頁巖進行作用時，得出的結(jié)果也具有較大差異，通常情況下，當(dāng)井下溫度和壓力條件一定時，泥頁巖地層與鉆井液會產(chǎn)生相互作用：第一，液體水份化學(xué)勢差異會產(chǎn)生一定的擴散和滲透作用；第二、二者流體的離子濃度具有較大差異，會出現(xiàn)離子的擴散和交換；第三，鉆井與地層的液壓和流壓時之間會產(chǎn)生壓力差，會在出現(xiàn)微小裂縫的情況下鉆井液濾液流入到地層泥頁巖中，從而對井壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，降低了井壁整體的穩(wěn)定性，極易出現(xiàn)井壁垮塌、漏失等現(xiàn)象。

3.頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性研究

3.1第一性原理模型構(gòu)建

在以第一性原理為依據(jù)進行模型構(gòu)建過程中，需要進行高精度優(yōu)化得到能量最低的結(jié)構(gòu)，采用彈性穩(wěn)定判定方法判斷其零壓力時的穩(wěn)定性，并計算其平衡態(tài)能量、彈性常數(shù)和應(yīng)力隨應(yīng)變的變化規(guī)律。

α-石英晶體屬六方晶系，空間群為P3121，硬度較大，在自然界中能夠長期穩(wěn)定存在，這也是由其微觀晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的硅—氧四面體連續(xù)成鏈形成堅固框架聚合物所決定的，四面體一部分因為水缺陷的取代作用被破壞，也可以粗略估測到環(huán)境水造成了石英的軟化。

在三維周期性條件下，應(yīng)用基于平面波贗勢密度泛函理論（DFT）和局域密度近似（LDA）的第一性原理方法進行兩種模型的第一性原理拉伸試驗，離子核和電子間相互作用通過模守恒贗勢表示；平面波的截斷能量一律采用2200eV；由Monkhorst-Pack方法取α-石英及α-濕石英結(jié)構(gòu)的k點為6×6×5。在幾何優(yōu)化過程中，設(shè)置如下收斂條件：原子平均總能的收斂值為5×10-8eV；單原子最大受力和最大位移分別為0.01eV/A和0.0005A；應(yīng)力偏差不大于0.02GPa。在這樣的計算條件下，結(jié)果的精度和收斂性良好。

3.2晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與力學(xué)穩(wěn)定性

在局域密度近似條件下，對模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計算所得晶格常數(shù)平衡態(tài)體積與之前實驗值和文獻吻合度較高，Lin等人受計算條件所限而利用伯奇-莫納漢狀態(tài)方程來確定平衡態(tài)體積存在一定的誤差，本項目計算結(jié)果如表1所示，由于LDA在計算中常低估晶格常數(shù)，所求的純α石英模型的晶格常數(shù)與理論值（=b=4.916A。，c=5.405A。）相比僅小1.8%以內(nèi)，符合度很高，數(shù)據(jù)相對可靠。從對比平衡態(tài)體積，水化作用導(dǎo)致石英的晶胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可忽視的畸變。

α-石英作為六方晶系晶體，具有六個獨立的彈性常數(shù)，考慮到方程復(fù)雜度，因此不選擇從伯恩機械穩(wěn)定性條件來驗證其力學(xué)穩(wěn)定性。

3.3彈性與延脆性分析

通過實驗和熱彈性理論模擬，能夠有效揭示出巖石的彈性模量和吸水量呈現(xiàn)良好的負相關(guān)性，同時也進一步證實了巖心吸水后會產(chǎn)生線膨脹應(yīng)力，并隨含水量增大而增大，使得巖石強度等力學(xué)參數(shù)減小，井壁穩(wěn)定性下降。固體的彈性性質(zhì)反映固體本身應(yīng)對外力的形變承受與恢復(fù)程度，進而可推算出幾種常見的模量和泊松比的值，相比較而言更能表明頁巖其井壁表面的石英晶體更容易發(fā)生形變，由脆性逐漸向韌性方向轉(zhuǎn)變。

在進行破裂壓力計算時，還需要對物性及巖石微觀結(jié)構(gòu)、理化特征等進行分析，從物性角度看，在鉆井過程中的液壓直接作用在井壁上，當(dāng)遇到孔隙度和滲透率較低的頁巖地層時，會導(dǎo)致孔隙壓力和地應(yīng)力場發(fā)生一定變化，在一定程度上會削弱地層有效強度，致使井壁出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；從井壁巖石微觀結(jié)構(gòu)特征方面看，主要是硬脆性頁巖反映較為明顯，能夠充分反映出遇水后發(fā)生的水化反映能力。通常情況下，硬脆性泥頁巖中會普遍存在裂縫，但是可能由于多種因素影響導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)掉塊、坍塌等不良情況，甚至?xí)霈F(xiàn)礦井坍塌情況[2]。

4.頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定防塌優(yōu)化策略

4.1合理控制鉆井液密度

在頁巖氣鉆井過程中，想要保證井壁具有較強的穩(wěn)定性，需要對鉆井液密度進行合理控制，避免由于密度過大增加對地層的壓力，從而出現(xiàn)裂縫，同時還要防止鉆井液密度過小造成壓力過度釋放，以致于出現(xiàn)井壁裂縫擴大、崩裂甚至坍塌等情況。對于硬脆性泥頁巖來說，如果發(fā)生井壁裂縫持續(xù)擴大且掉塊現(xiàn)象，可以通過人為提高鉆井液密度的方式來有效防止井壁坍塌。在此基礎(chǔ)上，還要根據(jù)實際頁巖地層情況進行針對性的方案制訂，避免由于方案與實際不符導(dǎo)致出現(xiàn)鉆井液密度過高或過低，不利于進行儲層保護，同時還會對氣測錄井產(chǎn)生一定干擾。除此之外，還要對鉆井液體系進行優(yōu)選，一般來說油基鉆井液的應(yīng)用在很大程度上能夠克服井壁失穩(wěn)，但是存在使用成本高、環(huán)保壓力大等特點，因此在進行鉆井液體系選擇時，除了要考慮成本和環(huán)保問題，還需要對頁巖層面強度的影響程度進行充分考慮。除此之外，還要減少由于工程因素對井壁產(chǎn)生的失穩(wěn)現(xiàn)象，主要是對鉆井液的各項性能以及井壁摩擦和碰撞等進行考慮，其中還包括井眼的裸露時間，最佳解決方式是采用旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向工具，并切實做好前期分析工作，才能有效避免頁巖地層與鉆井液接觸時間過長，能夠有效的在提高鉆井質(zhì)量和效率的同時縮短鉆井周期[3]。

4.2優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)

想要提高頁巖氣井壁穩(wěn)定性，必須要在原有基礎(chǔ)上對井身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，同時還要根據(jù)實際情況對鉆井參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，能夠有效緩解整體鉆井結(jié)構(gòu)帶來的壓力。以轉(zhuǎn)化后三開結(jié)構(gòu)為例，一開代表的是頁巖表層套管封隔新近系，主要具有易塌、易漏等特點，且膠結(jié)程度較低，能夠減少上部地層的裸露時間；二開指的是技術(shù)套管封隔三疊系，具有良好的隔離作用，同時還能起到一定的承上啟下作用；三開是采用的生產(chǎn)套管深入到井中進行具體運作，并利用多項技術(shù)組合對井深質(zhì)量進行有效控制，同時還要保證鉆井參數(shù)的真實性和準(zhǔn)確性，將其控制在可控范圍內(nèi)，比如：井傾斜角控制在4°以內(nèi)、井直徑擴大率<10%等，能夠大幅度的降低井壁坍塌壓力，保證其具有良好的穩(wěn)定性和安全性[4]。除此之外，還要以井深結(jié)構(gòu)和鉆井參數(shù)為依據(jù)，對頁巖井壁失穩(wěn)力學(xué)模型進行有效構(gòu)建，以孔隙彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，對井壁穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)進行計算，通常情況下會采用層理性地層模型來進行開采模擬，但不適用在存在較多裂縫的頁巖地層，同時還需要對鉆井液的擴散、離子轉(zhuǎn)移等因素對地層孔隙壓力產(chǎn)生的影響進行考慮，比較適用于力學(xué)化學(xué)耦合模型的應(yīng)用。

4.3加強力學(xué)特性與地應(yīng)力研究

4.3.1力學(xué)特性研究

在頁巖氣鉆井過程中，需要在深化頁巖原巖的基礎(chǔ)上，加強其與不同鉆井液體系接觸后的力學(xué)特性研究。對于頁巖來說，其主要由于自身層理發(fā)育情況，以及地下形成環(huán)境等影響，促使其力學(xué)特征不具備均勻性和穩(wěn)定性。在進行力學(xué)特性試驗研究期間，通常情況下會采用單軸或三軸的巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，通過壓縮的方式測算出巖石的強度參數(shù)，才能以此為依據(jù)對其變形破壞特性進一步分析。

力學(xué)特性與層理面法向和巖軸向夾角具有較大關(guān)系，相應(yīng)的不同參數(shù)的巖心力學(xué)特征也不同，尤其是在頁巖鉆井過程中，必須首先要明確頁巖的層理走向，以及其與井筒軸向之間的關(guān)系，才能保證力學(xué)試驗開展的具有精準(zhǔn)性、針對性特征。從目前情況看，沿層理面的剪切滑移是頁巖地層井壁失穩(wěn)的主要原因和機理，因此必須要重視層理面剪切強度，可采用直剪儀對層理面的抗剪切強度進行測試，保證測試數(shù)值的準(zhǔn)確性和真實性。除此之外，還需要考慮到鉆井液對頁巖力學(xué)特性的影響，對于硬脆性頁巖來說，水基鉆井液會弱化頁巖自身強度，而想要對弱化程度進行有效研究，可采用對比分析法來將頁巖原巖與鉆井液接觸后的頁巖進行強度測試，同時還要進行多次試驗，才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。頁巖強度的弱化還需要對時間因素進行考慮，在實際鉆井過程中，在時間條件一定的情況下，通過與鉆井速度的有機結(jié)合，能夠?qū)︺@井液弱化后的頁巖強度進行實時預(yù)測，同時還需要對弱化后的力學(xué)特性進行測試評價，滿足實際應(yīng)用需求。

4.3.2地應(yīng)力研究

對于地應(yīng)力來說，其是影響頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性的重要因素，因此想要保證鉆井井壁始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，必須要切實做好加強頁巖地層地應(yīng)力的研究工作，從目前情況看，通常情況下頁巖氣鉆井都較為傾向于沿著最小地應(yīng)力方向開始施工，有利于對裂縫進行壓裂擴散，促使其與井筒始終保持垂直相交或交錯狀態(tài)。從我國土地結(jié)構(gòu)方面看，頁巖氣地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有地層傾角大、構(gòu)造應(yīng)力強等特點，因此需要在前期地質(zhì)調(diào)查及鉆井過程中，利用先進技術(shù)和設(shè)備向井下巖心積極開展地應(yīng)力測試，與此同時，還要與接下來的小型壓裂試驗進行有機結(jié)合，才能從根本上實現(xiàn)對地應(yīng)力的測試與校正，以相關(guān)地震材料為依據(jù)進一步對地應(yīng)力分布進行深入研究，才能保證研究結(jié)果的精準(zhǔn)程度，由于鉆井?dāng)?shù)量的不斷增多，還需要根據(jù)實際情況對地應(yīng)力場進行優(yōu)化調(diào)整，為接下來的鉆井工作提供便利條件。除此之外，現(xiàn)階段對于地應(yīng)力的研究大多數(shù)都是基于同一屬性的地理層面，但是由于頁巖地層自身具有特殊屬性，同時其又屬于橫觀各向同性體，所以需要采用不同層理產(chǎn)狀下的地層應(yīng)力計算模型來代替均質(zhì)模型，進一步強化鉆井液與地應(yīng)力之間的關(guān)系，才能有效避免井壁坍塌。

結(jié)論

綜上所述，加強對頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定影響因素的分析，是鉆井施工安全的重要保障，因此，必須要根據(jù)實際情況對地應(yīng)力場進行綜合探究，不斷完善優(yōu)化井壁穩(wěn)定性分析的數(shù)值方法和計算技術(shù)，才能保證井壁穩(wěn)定力學(xué)模型構(gòu)建合理，保障頁巖氣鉆井施工安全。

參考文獻：

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