南堡沙河街組硬脆性泥頁巖地層漏失壓力預測方法

吳曉紅, 李云峰, 余小龍, 陳金霞, 周巖, 梁利喜, 丁乙*

(1.中國石油冀東油田鉆采工藝研究院, 唐山 063004; 2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室, 成都 610500)

漏失現(xiàn)象是石油鉆井的熱點與難點,也是常見的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象之一。井漏現(xiàn)象不僅增加了鉆井作業(yè)周期,損失鉆井液,進而造成儲層損傷,提高鉆井成本[1]。由此可見,井漏問題是制約安全高效鉆井的重大技術瓶頸之一。硬脆性泥頁巖地層屬于典型的鉆下復雜高發(fā)地層,由于其層理、裂縫結構面發(fā)育,水化能力強,目前中國多個硬脆性泥頁層位鉆井過程中,均出現(xiàn)顯著漏失現(xiàn)象[2],大幅度增加鉆井成本。

目前,認為鉆井漏失主要分為壓裂型漏失、裂縫性擴展漏失及溶洞型漏失。其中,弱結構(裂縫、孔隙、溶洞)是漏失最易產(chǎn)生的位置[3]。針對縫、孔、洞的漏失現(xiàn)象,Ahammad等[4]、李大齊等[5]、康毅力等[6]開展了鉆井液漏失動力學機制研究,明確了不同弱結構特征下的漏失機理。Majidi等[7]基于赫巴流變模型,建立天然裂縫漏失壓力,認為調(diào)控鉆井液密度是減少漏失量主要應對措施。翟曉鵬等[8]、王貴等[9]基于斷裂力學理論,考慮誘導縫延伸特征,分析了誘導裂縫性井漏控制機理與技術。陳曉華等[10]基于有限元手段,開展了漏失過程動態(tài)模擬,分析了不同類型封堵劑下的漏失特征。藺研鋒等[11]借助神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立漏失點預測模型。

雖然針對地層漏失,已經(jīng)開展了大量研究,但現(xiàn)有研究成果多集中在縫洞型碳酸鹽巖地層,對頁巖地層的漏失研究較為缺乏。此外,硬脆性頁巖具有層理面與裂縫面共同發(fā)育特征,除裂縫面漏失以外,層理面開啟同樣會造成漏失現(xiàn)象?；诖?現(xiàn)以室內(nèi)力學為基礎,考慮頁巖結構特征,融合頁巖沿基體破裂、沿層理或裂縫破裂及沿裂縫擴展等多類漏失機制,建立頁巖地層漏失壓力模型,分析頁巖地層漏失壓力影響因素,以期為頁巖地層鉆井設計提供理論指導。

1 硬脆性頁巖力學特征

頁巖地層漏失機制主要為張性破壞或內(nèi)部裂紋擴展[12]。因此,漏失相關的力學特征主要為巖石抗張強度與斷裂韌性?；诖?采用巴西劈裂法與中心切槽半圓盤法分別測試頁巖的抗張強度與斷裂韌性。其中,考慮頁巖層理發(fā)育特征,力學表現(xiàn)具有各向異性。分別通過平行和垂直層理角度下的巴西劈裂法,獲取層理與基體抗張強度,如圖1(a)所示。以不同層理角度下的中心切槽半圓盤法,獲得不同層理角度下的斷裂韌性特征,如圖1(b)所示。實驗測試結果如圖2所示,可以發(fā)現(xiàn):基體抗張強度分布在5.5～7.2 MPa,層理抗張強度分布在2.5～4.2 MPa,層理面展現(xiàn)強弱面特征。此外,隨層理角度增大,斷裂韌性降低,由此說明,當層理靠近裂縫面方向,頁巖內(nèi)部裂縫更易擴展。

F為實驗過程中施加的垂向壓力

圖2 頁巖抗張強度與斷裂韌性Fig.2 Shale tensile strength and fracture toughness

2 漏失壓力模型

2.1 井壁應力分布

井周應力狀態(tài)是井壁穩(wěn)定性力學分析的基礎。

基于三向地應力分布,假定地層為線彈性介質(zhì),通過井眼坐標轉(zhuǎn)換,獲取任意井眼軌跡下的井壁應力分布[13],表達式為

(1)

式(1)中:σr、σθ、σz分別為柱坐標系下徑向、周向和軸向正應力,MPa;σθz、σrθ、σrz分布為柱坐標下θz、rθ、rz平面切應力,MPa;σxx、σyy、σzz分別為直角坐標下X、Y、Z軸方向上地應力分量,MPa;σxy、σxz、σyz分別為直角坐標系下XY、XZ、YZ平面上地應力分量,MPa;ψ為井周角,(°);v為泊松比;pw為液柱壓力,MPa。

根據(jù)井周應力分布,可求得井壁主應力為

(2)

式(2)中:σi、σj、σk分別為井壁處三向主應力,MPa。通過對比三向主應力大小,進而確定井壁位置處最大、中間、最小主應力(σ1、σ2、σ3)。

2.2 張性破裂漏失

基于頁巖結構特征,可分為頁巖基體、層理面及天然裂縫面。因此,根據(jù)張性破壞理論,可能存在沿基體、沿層理面及沿天然裂縫面的張性破壞,進而促進漏失。根據(jù)前期試驗測試結果,利用最大張應力準則,進而得到沿基體、沿層理面破裂的漏失壓力為

(3)

式(3)中:Stm、Stb分別為頁巖基體與層理的抗張強度,MPa;δ為biot系數(shù);pp為孔隙壓力,MPa。

針對沿裂縫面破裂漏失,需要明確裂縫面應力分布特征。基于裂縫面與井筒空間關系,裂縫面的法線的方向矢量為

(4)

式(4)中:n1為結構面的法向矢量;Dp為結構面的傾角,(°);Az為結構面的走向,(°)。

井壁位置最大主應力與垂向夾角[14]為

(5)

針對井壁上任意點,最大主應力方向矢量n2(σ1)在坐標系中可表示為

(6)

式(6)中:α、β分別為井斜角與方位角,(°);θ為井周角,(°)。

基于同樣空間轉(zhuǎn)換原理,可以得到中間主應力(σ2)和最小主應力(σ3)的方向矢量分布。在此基礎上,天然裂縫的法向方向與三主應力夾角分別為

(7)

式(7)中:βi為天然裂縫面的法向與σ1、σ2、σ3夾角,(°)。

當裂縫內(nèi)流體壓力超過裂縫面正應力,裂縫面產(chǎn)生張性破裂。根據(jù)上述應力方向分布,可以計算得到正應力,進而獲得沿裂縫面張性破壞的漏失壓力為

(8)

式(8)中:σn為裂縫面正應力,MPa;plf為沿裂縫面張性破裂的漏失壓力,MPa;pf為裂縫面內(nèi)部流體壓力,MPa。

2.3 裂縫擴展漏失

隨著裂縫面內(nèi)部流體壓力增大,除了沿裂縫面的張性破壞,還存在沿裂縫面的擴展漏失。裂縫擴展特征與頁巖斷裂韌性密切相關。單裂縫的擴展模型如圖3所示。其中,裂縫面切向應力τa為

圖3 裂縫擴展判斷準則示意圖Fig.3 Schematic of crack propagation criteria

(9)

式(9)中:θk為裂縫面與主應力夾角,(°)。

模型中,應力方向、應力與裂縫面和層理面的夾角關系可基于3.2節(jié)的空間轉(zhuǎn)換關系獲取。在此基礎上,基于近似斷裂韌性準則,建立單裂縫的判斷準則為

(10)

式(10)中:θb為層理面與主應力角度,(°);la為裂縫半長,m;KIC(θb)為不同層理角度下的斷裂韌性,MPa。其中,斷裂韌性數(shù)值由前期試驗獲取。

2.4 漏失壓力確定

基于上述多類漏失形式,可以得到沿基體破裂漏失壓力(Pmf)、沿層理面破裂漏失壓力(Pbf)、沿裂縫面破裂漏失壓力(Plf)及沿裂縫面擴展漏失壓力(Pl)。相同應力狀態(tài)下,通過對比,最小值即為最終頁巖地層漏失壓力(Pperf),表達式為

Pperf=min(Pl,Plf,Pbf,Pmf)

(11)

3 漏失壓力影響因素

3.1 井眼軌跡影響

井眼軌跡的選擇是地層漏失壓力的主要影響因素之一,選擇合理的鉆井井眼軌跡是避免漏失的技術手段之一?；诼┦毫δＰ?分析不同井眼軌跡下的漏失壓力分布,如圖4所示。在均質(zhì)地層條件下,漏失壓力分布呈現(xiàn)對稱分布。近最大水平地應力方向(0°和90°),漏失壓力相對較低,更易發(fā)生漏失。當結構面存在下(層理面傾角5°,走向25°;裂縫面傾角15°,走向0°),不同井眼軌跡下的漏失壓力分布不再具有對稱性,整體漏失壓力數(shù)值顯著降低。由此說明,結構面存在時,增加了鉆井難度,安全鉆井方位降低,地層更易產(chǎn)生漏失。

3.2 結構面影響

為進一步明確結構面對頁巖地層漏失壓力影響,分別對層理結構條件下、層理與裂縫面共存條件下的漏失壓力進行計算,如圖5所示,計算中,層理面傾角為45°,走向45°;裂縫面傾角75°,走向15°。由圖5分析可知:裂縫面造成更大的漏失壓力下降,主要鉆井方位均沿裂縫面漏失。當僅存在層理結構面時,漏失壓力基本在1.45 g/cm3以上。當增加裂縫面影響后,漏失壓力整體下降,大量位置漏失壓力下降至1.25 g/cm3,漏失風險加劇,由此說明裂縫面對地層漏失影響更為顯著。

3.3 鉆井液作用時間影響

由于硬脆性泥頁巖地層發(fā)育黏土,鉆井液作用下(尤其水基體系),力學強度必然產(chǎn)生變化,進而影響漏失壓力分布特征。鑒于此,以力學實驗為基礎,參考水化作用下的硬脆性泥頁巖力學參數(shù)變化規(guī)律[15-16],進一步分析鉆井液作用對硬脆性泥頁巖地層漏失壓力影響,如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著鉆井液作用時間增加,水化對泥頁巖巖石強度的弱化作用導致地層更易產(chǎn)生破裂、裂縫起裂及裂縫擴展現(xiàn)象,進而造成漏失壓力逐漸下降。由此說明,隨著鉆井過程進行,鉆井后期的井壁漏失風險加劇。

圖6 鉆井液作用時間對漏失壓力影響Fig.6 Influence of drilling time on loss pressure

3.4 地應力影響

為明確地應力特征對漏失壓力影響,針對不同地應力下的漏失壓力進行分析,如圖7所示。當?shù)貞Ρ戎狄欢〞r,增加地應力數(shù)值,整體地層漏失壓力增大。這主要是因為較高地應力下,地層擠壓作用明顯,井筒液柱壓力不易壓開地層,產(chǎn)生漏失。同樣,高應力差條件下,井筒周圍剪切效應更顯著,產(chǎn)生張性漏失更為困難。因此,隨地應力比值增大,漏失壓增加。

圖7 地應力對漏失壓力影響Fig.7 Influence of in situ stress on loss pressure

4 現(xiàn)場應用

基于所建立的漏失壓力預測模型,以工區(qū)硬脆性頁巖層位鉆井數(shù)據(jù)為基礎,開展現(xiàn)場應用,驗證本文模型的準確性。在該頁巖層段,5個深度位置共出現(xiàn)漏失現(xiàn)象,漏失位置處的地質(zhì)力學特征如表1所示。其中,該頁巖段的層理傾角為30°,層理走向為15°。裂縫玫瑰圖顯示該段裂縫主要以高傾角、北偏東發(fā)育?；诼┦恢锰幍牡刭|(zhì)力學特征及結構面發(fā)育情況,開始了漏失位置的漏失壓力當量密度預測,與實際漏失量、實用鉆井液密度進行對比,如圖8所示?？芍?漏失位置處,鉆井液密度均大于地層漏失壓力當量密度。同時,當鉆井液密度與漏失壓力當量密度的差值越大,漏失現(xiàn)象越明顯,漏失量越大,說明本文模型預測漏失壓力分布與實際漏失現(xiàn)象吻合,論證了模型的適用性。

表1 漏失點位地質(zhì)力學特征

5 結論

(1)采用沿結構面與基體的剪切試驗、不同層面角度下的斷裂韌性試驗,獲得了結構面特征下的頁巖抗張強度與斷裂韌性。在此基礎上,綜合頁巖沿基體破裂、沿層理或裂縫破裂及沿裂縫擴展等多類漏失機制,建立了一種頁巖地層漏失壓力模型,可實現(xiàn)硬脆性地層的漏失壓力預測。

(2)根據(jù)不同井眼軌跡下的漏失壓力分析可知,在均質(zhì)地層條件下,漏失壓力分布呈現(xiàn)對稱分布,漏失壓力相對較高,漏失風險較低。當結構面存在下,漏失壓力分布不再具有對稱性,整體漏失壓力數(shù)值顯著降低。由此說明,結構面存在導致地層漏失壓力變化更復雜,數(shù)值更低,地層更易漏失,控制漏失難度更大。對比結構面與裂縫面,裂縫面造成更大的漏失壓力下降。當?shù)貙哟嬖诹芽p面時,更易產(chǎn)生沿裂縫面漏失。

(3)由于硬脆性泥頁巖地層具備水敏特征,鉆井液作用下導致其強大弱化,造成地層漏失壓力下降,增大了井漏風險。地應力對漏失現(xiàn)象具有明顯影響。隨地應力數(shù)值、地應力比值增大,受較高地應力下,強地層擠壓作用,產(chǎn)生張性漏失更為困難,頁巖地層漏失壓力增加。