東部某區塊頁巖井壁失穩實驗研究

羅 超,劉向君，莊大林，雷 夢

（西南石油大學，四川成都610500）

·石油與鉆掘工程·

東部某區塊頁巖井壁失穩實驗研究

羅 超*,劉向君，莊大林，雷 夢

（西南石油大學，四川成都610500）

東部區塊是國家油氣發展的重點勘探區塊，該區塊某地層段經常因井壁失穩造成井下事故，從而影響該地區油氣勘探開發進度。基于實驗室室內巖石力學評價方法對該區塊頁巖的礦物組成、微觀結構及在流體浸泡作用下力學性質變化等分別進行了實驗研究；并對該區塊頁巖進行了物性、力學狀態等方面進行了深入分析研究。建立了井下巖芯的穩定性的評價分析體系，并對現如今該地區使用的2種鉆井液進行優選。實驗結果表明：井下某一組段巖芯微裂縫和溶洞發育，泥漿易浸入，導致頁巖理化性質發生變化的同時，力學性質也發生變化。研究發現，隨著浸泡時間增加，頁巖硬度變弱；成膜鉆井液體系比抗高溫鉆井液體系影響小。

硬脆性；頁巖；井壁穩定；鉆井液浸泡

1 概述

井壁穩定問題是鉆井工程經常遇到的難題。近年來，隨著勘探領域的擴展，各種復雜地層、井下復雜情況都不可忽略，特別是近年來得到相當重視的頁巖。這其中90%以上的井壁事故都是頁巖地層[1-4]。我國通過近5年的鉆井實踐，對頁巖氣鉆進優劣有了初步的了解和認識，但對頁巖氣地層的井壁失穩機理認識還不夠深入，時常因為頁巖氣井的井壁失穩而延誤鉆時，所以鉆井技術要求相應的提高，需要進一步深入研究頁巖力學性質、巖樣特性，弄清井壁失穩機理及影響因素，才能加快頁巖氣勘探開發過程。

東部地區是近年來我國著力發展的新區塊，在這一區塊地層鉆井過程中出現很多井下事故以及井下復雜情況，特別是井下某地層段的井下復雜情況占90%以上[5]。井壁失穩會造成鉆井工期延長，鉆進成本升高。同時還影響后期作業的穩定性以及安全性。因此，針對東部地區這一地層頁巖失穩問題，本文通過井下巖芯的室內試驗，對該地區頁巖失穩機理進行分析研究。

2 頁巖組構及理化性質分析

影響井壁失穩的因素主要有內在因素，如，地質力學因素和地層巖石的綜合性質及使用鉆井液的綜合性質和鉆井工程等外在因素。除去鉆井工程因素，針對井壁穩定問題的研究最終歸結到一套井壁穩定力學模型上，模型中參數即是這些因素的體現。下面首先對頁巖的結構、礦物組成及含量進行分析。

2.1 礦物組成分析

為了研究頁巖的礦物組成，首先對井下巖芯進行X射線衍射實驗，實驗結果見表1、表2。從表中可得出該區塊頁巖礦物主要成分以粘土礦物為主，平均含量高達46.51%。其次較多成分為石英和方解石。

粘土礦物中主要為伊利石，平均含量為40.84%，伊/蒙混層含量也較多，為38.17%，含少量高嶺石和綠泥石。單從成分組成可知，該頁巖地層中強烈膨脹性礦物蒙脫石含量為零，但是伊蒙混層的含量偏高，因此該地層應該表現出一定的膨脹性，因此，在鉆井過程中井壁巖石將出現縮徑等現象。

圖1 井下某地層段頁巖礦物組成

圖2 井下某地層段頁巖粘土礦物組成

2.2 頁巖微觀結構

對井下頁巖巖樣切片，選取新鮮斷面進行掃描實驗。從掃描電鏡照片上看：來自不同取樣點的頁巖壓實程度高、結構緊密，微裂縫和溶洞都較為發育（圖3）。裂縫和溶洞的發育給水侵提供了良好的通道。

圖3 頁巖電鏡掃描結果

3 頁巖力學特征研究

頁巖的力學特征是影響井壁穩定的關鍵參數特征，特別是實際鉆井過程中，鉆井液與地層巖石之間的物化作用導致地層失穩現象也是很重要的因素。因此很有必要研究鉆井液對巖石力學特征的影響，分析不同浸泡鉆井液的破壞機理，有利于鉆井液優選[6]。因此本文針對南堡地區現用鉆井液的浸泡前后硬度實驗和三軸實驗，來分析鉆井液對頁巖的影響。

3.1 頁巖硬度分析

巖石硬度是反映巖石軟硬、鉆井難易程度的重要指標。如果鉆井液能在保持井壁穩定的前提下，快速降低巖石硬度提高破巖效率，即可大幅度提高鉆井速度，從而降低鉆井速度，加快勘探開發過程。巖石硬度測定方法多種多樣，本文擬采用史式硬度測定方法。將圓柱巖樣放入硬度儀，由一定形狀壓頭壓入并破碎巖石，用載荷除以表面積的數值表示試件的硬度值。

巖樣制備：首先制作壓入硬度實驗巖樣，將巖芯加工為?25mm×10mm小圓柱體。保證試件兩端光滑、平行（平行度小于0.01mm）且和中軸線垂直（角度偏差不大于0.05°）。

將巖樣進行硬度試驗之后，由巖樣前后破裂圖（圖4、圖5），巖樣表面由硬度儀壓頭造成的破壞點附近有微裂縫發育，整個巖樣沿一條主裂縫斷裂破壞，展現高脆性特點。根據壓入硬度曲線圖（圖6、圖7），在2種流體浸泡[7]下，隨著浸泡時間的增加，巖石硬度變小，同時表現出塑性特點，在浸泡鉆井液之后隨著時間增加，因塑性的變化，導致頁巖出現極限破壞時間增加，因此長時間的浸泡導致巖石變軟而不易壓碎。由此可以看出，在這套地層實際鉆井過程中，會導致井壁巖石軟化造成縮徑等井壁失穩現象。因此該頁巖地層防止井壁失穩的關鍵在于防止鉆井液浸入地層。

圖4 頁巖壓入硬度實驗破壞前

圖5 頁巖壓入硬度實驗破壞后

3.2 頁巖強度特性研究

選取井下頁巖巖芯，將巖芯加工成?25mm×50mm圓柱體，并對巖芯做孔隙度、滲透率和聲波測速，根據以上物理性質進行分組，保證巖芯一致性。將選取好的巖芯分別浸泡在KCl成膜鉆井液、KCl抗高溫鉆井液中浸泡48h，在圍壓為30MPa下，進行三軸力學實驗。

從圖8能夠看出，2種流體浸泡下的頁巖比原巖彈性模量、抗壓強度都有所下降，其中浸泡抗高溫鉆井液的頁巖彈性模量和抗壓強度都下降最大，而泊松比增加最大。可見，抗高溫鉆井液對此頁巖的影響不論是從水化性能和力學強度都非常大。因此在此套地層進行鉆井作業的時候要注意泥漿浸入地層。

泥漿的浸泡導致頁巖力學強度減弱，同時也使頁巖軟化，不同流體浸泡后三軸實驗的破壞形式主要是單剪切破壞（圖9），少部分為多重剪切，其主要原因在于頁巖本身的微裂縫發育、層理發育以及弱面的裂縫擴展，從而傾向于弱面破壞[8]。從圖9看出，浸泡抗高溫鉆井液的巖芯裂紋擴展最多，浸泡成膜鉆井液巖芯擴展較少。可見抗高溫鉆井液對地層巖石強度影響比成膜鉆井液要強，因此在實際鉆井過程中應選擇成膜鉆井液。

圖6 浸泡抗高溫鉆井液頁巖壓入硬度曲線圖

圖7 浸泡成膜鉆井液頁巖壓入硬度曲線圖

圖8 浸泡前后三軸數據

圖9 不同流體浸泡壓后破壞形式

4 結論

（1）東部地區頁巖粘土含量比較高，而粘土礦物主要由伊利石和伊蒙混層構成，因此遇水后會出現由伊蒙混層造成的膨脹。從電鏡資料看出，頁巖中含有大量的微裂縫、溶洞，這些都為泥漿的進入都提供了孔道。因此在實際鉆井活動中要注意泥漿的水侵。

（2）隨著巖石浸泡2種鉆井液時間增加，巖石的硬度變小，同時極限破壞時間變長，原因在于巖石中粘土礦物含量比較高，而浸泡抗高溫鉆井液比浸泡成膜鉆井液對巖石影響大，硬度變化大。

（3）從井下頁巖力學特征研究發現，在2種鉆井液的浸泡作用下，巖石硬度、抗壓強度、彈性模量都出現減弱趨向，而泊松比有增加趨勢。研究發現，浸泡抗高溫鉆井液的頁巖趨勢變化較大。因此在鉆井活動中以井壁穩定為前提，成膜鉆井液體系比抗高溫鉆井液體系效果好，同時應注意防止泥漿水侵。

[1]劉向君，羅平亞.測井在井壁穩定性研究中的應用及發展[J].天然氣工業，1999(6):33-35.

[2]王正良，佘躍惠，李淑廉，等.雙南等地區防塌鉆井液體系的研究與應用[J].石油鉆采工藝，1998(3):41-43.

[3]王倩，周英操，唐玉林，等.泥頁巖井壁穩定影響因素分析[J].巖石力學與工程學報，2012(1):171-179.

[4]蔚寶華，王治中，郭彬.泥頁巖地層井壁失穩理論研究及其進展[J].鉆采工藝，2007(3):16-20.

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[7]梁大川.泥頁巖水化機理研究現狀[J].鉆井液與完井液，1997 (6):31-33.

[8]李慶輝，陳勉，金衍.含氣頁巖破壞模式及力學特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2012(S2):3763-3771.

Experimental Research of Shale Wellbore Stability in an EastArea

Luo Chao,Liu Xiang-jun,Zhuang Da-lin,Lei Meng
(State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500,China)

The area is the main oil and gas exploration and development blocks of China.The underground accidents were often caused by the wellbore instability in some Formation,which always influences oilfield development progress.Based on the rock mechanics evaluation method,the mineral composition,microstructure and mechanical properties and those items under immersion fluid are obtained by experiments about the shale from the area.The mechanical properties,physical properties and mechanics properties of the core are deeply analyzed for this block.Then,the evaluation analysis system about the stability of the underground core is established,which could be used for the preferred drilling fluid in this area.Experimental results are shown that the micro fissure and caverns are well developed on the cores from that formation of the area.The mud easily penetrated into the shale,which changed the physical properties,chemical properties and mechanical properties of the shale.The research also finds that the shale hardness become worse with longer the mud immersing.The film forming drilling fluid system is much better than the Anti-high temperature drilling fluid system.

hard brittle；shale；wellbore stability；mud soak

TE28

A

1004-5716(2015)11-0026-04

2014-11-20

2015-03-25

羅超（1987-），男（漢族），四川江油人，西南石油大學石油工程測井在讀碩士研究生，研究方向：井壁穩定。