考慮層理性時(shí)造斜段井壁坍塌行為研究

陳穎超

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 石油工程系,河北 承德 067000)

1 問(wèn)題提出

在層理發(fā)育的頁(yè)巖氣地層中進(jìn)行水平井造斜作業(yè)時(shí),由于頁(yè)巖中薄弱層理面強(qiáng)度較低,泥漿循環(huán)當(dāng)量密度(ECD)較小會(huì)發(fā)生井壁坍塌破壞,降低了鉆井的速度和效率,考慮到頁(yè)巖地層為不均質(zhì)的橫觀各向同性體[1],若分析頁(yè)巖氣造斜井壁失穩(wěn)行為時(shí)仍然采用均質(zhì)模型,得到的變化規(guī)律將會(huì)失真,因此頁(yè)巖氣斜井段井壁垮塌的基礎(chǔ)理論尚不明晰。 鑒于此,亟需建立考慮弱層理面的頁(yè)巖造斜段井壁圍巖應(yīng)力計(jì)算模型[1],這對(duì)于研究頁(yè)巖氣的鉆井安全具有重大的工程意義。

文中建立的造斜段井壁力學(xué)數(shù)學(xué)模型所做力學(xué)假設(shè)如下[2]:

1)井壁圍巖受三向主應(yīng)力作用;

2)考慮頁(yè)巖在彈性范圍內(nèi)為橫觀各向同性線彈性體;

3)不考慮井眼內(nèi)泥漿循環(huán)時(shí)溫度變化的影響。

在假設(shè)的基礎(chǔ)上,建立了頁(yè)巖氣造斜鉆進(jìn)時(shí)考慮弱層理面時(shí)的井壁破壞準(zhǔn)則,并結(jié)合X 工區(qū)巖石力學(xué)和井眼軌跡參數(shù),得出造斜段井壁坍塌變化規(guī)律。

2 模型建立

2.1 巖石的破壞方程

頁(yè)巖地層中含有裂縫、破碎帶,頁(yè)巖鉆進(jìn)過(guò)程中很難做到全程欠平衡狀態(tài),因此很容易形成誘導(dǎo)裂縫,導(dǎo)致井壁周?chē)牡貙臃沁B續(xù),地層的不連續(xù)特性產(chǎn)生的井徑擴(kuò)大和井壁失穩(wěn)是比較棘手的鉆井復(fù)雜問(wèn)題[3]。 在研究頁(yè)巖井壁不連續(xù)介質(zhì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),當(dāng)泥漿密度一定時(shí),經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),力學(xué)因素在起主導(dǎo)作用,當(dāng)井壁切向應(yīng)力與法向應(yīng)力的差值超過(guò)巖石強(qiáng)度時(shí),井壁就會(huì)破壞失穩(wěn)。

計(jì)算造斜點(diǎn)處的井壁圍巖應(yīng)力結(jié)果,然后和巖石屈服值相比,即可得出井壁是否失穩(wěn)。 造斜井壁上的巖石微元體受力如圖1 所示, 井壁垮塌破壞發(fā)生在θ-z平面上。

由井壁圍巖應(yīng)力分析可知,與z軸成γ角的斜平面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ與軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力和剪應(yīng)力之間的關(guān)系為:

把γ1和γ2代入式(1),可求得造斜井壁上的主應(yīng)力:

式中:pi為井內(nèi)液柱壓力;X =(A + D)σh+(B + E)σH+(C + F)σv;Y =(A - D)σh+(B - E)σH+

將摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則改寫(xiě)為

式(4)中的M =cosφ(cos2φ -sin2φ)。

可通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法求解坍塌壓力pi。

2.2 含弱層理面巖石破壞模型

頁(yè)巖層理面的強(qiáng)度和產(chǎn)狀、井身軌跡參數(shù)、井壁圍巖應(yīng)力直接關(guān)系到井壁穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)鉆進(jìn)到造斜段遇到薄弱層理面時(shí),層理儲(chǔ)層會(huì)優(yōu)于本體發(fā)生破壞[4],造斜鉆進(jìn)時(shí)井壁圍巖所受的有效主應(yīng)力極值為:

式中:σθ為柱坐標(biāo)系下的切向應(yīng)力;σz為柱坐標(biāo)系下的軸向應(yīng)力;σθz為柱坐標(biāo)系下的剪應(yīng)力。

一般認(rèn)為弱層理性地層的破壞形式有2 種[4],沿層理面的剪切破壞和巖石基體的剪切破壞。 其中,巖石基體的破壞為:

弱面的破壞為:

將基體破壞面及弱面上的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為主應(yīng)力,可以得出弱面破壞準(zhǔn)則[5]:

當(dāng)弱面進(jìn)入變形狀態(tài)時(shí),層理弱面度是頁(yè)巖弱面方向的函數(shù),即δ1= f(β)。 因此,頁(yè)巖強(qiáng)度不是一個(gè)常數(shù),而是隨層理面傾角不斷變化的[5]。

由式(5)知,當(dāng)β = φw或時(shí),此時(shí)弱面沿著層理不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);而當(dāng)時(shí),弱面才有可能滑動(dòng)。 所以,弱面產(chǎn)生破壞的條件是:

圖2為考慮頁(yè)巖層理弱面時(shí)的摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則圖[6],與δ軸成β角的AB 線與應(yīng)力圓的焦點(diǎn)M 代表弱面應(yīng)力狀態(tài),AB 線為弱面應(yīng)力線,M 點(diǎn)位于極限強(qiáng)度的下方。

3 實(shí)例分析

X 頁(yè)巖氣田工區(qū)地層數(shù)據(jù):井深2 650 m;地層壓力27.8 MPa;水平最大主應(yīng)力73 MPa;水平最小主應(yīng)力52 MPa;上覆巖石壓力68 MPa;有效應(yīng)力系數(shù)0.9;泊松比0.18;地層孔隙度5%;巖石本體內(nèi)摩擦角40°;巖石本體內(nèi)聚力27 MPa;巖石層理面內(nèi)摩擦角24°;巖石層理面內(nèi)聚力69 MPa。

3.1 裂縫方位、傾角和井眼方位對(duì)坍塌壓力的影響

利用X 工區(qū)地層數(shù)據(jù),計(jì)算當(dāng)裂縫傾角為15°、45°、75°,走向?yàn)?°、15°、45°、75°和90°時(shí),井壁坍塌壓力與井眼和裂縫方位相互關(guān)系如圖3 ~圖5 所示。

1)頁(yè)巖氣鉆進(jìn)方位沿井眼最小水平主應(yīng)力方位鉆進(jìn)時(shí),裸眼井壁坍塌壓力較高,此時(shí)容易發(fā)生坍塌失穩(wěn)。

2)頁(yè)巖天然裂縫面傾角為15°時(shí),造斜段井壁坍塌壓力行為主要是剪切破壞(見(jiàn)圖3);頁(yè)巖天然裂縫面傾角為45°和75°時(shí),由于造斜段井壁先發(fā)生本體破壞,所以坍塌壓力變化行為與天然裂縫面的傾角和走向無(wú)關(guān)(見(jiàn)圖4 和圖5)。

3)井眼方位與頁(yè)巖天然裂縫面的走向呈180°夾角時(shí),此時(shí)的坍塌壓力最低,井壁比較穩(wěn)定。

3.2 井斜角對(duì)井壁坍塌行為影響

對(duì)不同井斜角下弱層理地層坍塌變化規(guī)律進(jìn)行分析,計(jì)算結(jié)果如圖6。

從圖6 得出,隨著井斜角的增加,坍塌壓力減小,井壁趨于穩(wěn)定,鉆斜井和水平井也不會(huì)垮塌,當(dāng)井斜角小于20°時(shí),不同鉆井方位的坍塌壓力值接近。 其中,方位角135°為最大水平主應(yīng)力方位,45°為最小主應(yīng)力方位。

4 結(jié)論

1)鉆進(jìn)方位沿井眼最小水平主應(yīng)力方位鉆進(jìn)時(shí),裸眼井壁坍塌壓力較高,此時(shí)容易發(fā)生坍塌失穩(wěn),鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)避開(kāi)此方位。

2)隨著井斜角的增加,坍塌壓力將減小,此時(shí)造斜段井壁垮塌可能性較小。

3)頁(yè)巖氣造斜鉆進(jìn)時(shí),井壁失穩(wěn)機(jī)理較為復(fù)雜,建議提高鉆井液封堵性能,降低X 區(qū)塊水平井造斜段井眼垮塌發(fā)生率。