龍馬溪組頁巖地層井壁坍塌周期預測

劉向君，曾 韋，梁利喜，熊 健

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學，四川 成都 610500)

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龍馬溪組頁巖地層井壁坍塌周期預測

劉向君1，2，曾 韋1，2，梁利喜1，2，熊 健1，2

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學，四川 成都 610500)

針對頁巖層理結構和水化特性易導致鉆井過程中井壁坍塌的問題，開展巖石三軸力學實驗，以確定不同鉆井液作用時間下的頁巖力學參數；綜合考慮層理產狀和水化作用對頁巖強度的影響，建立頁巖地層井壁穩定性分析模型，預測頁巖地層坍塌周期。計算分析表明：層理產狀變化使得坍塌壓力分布更為復雜，水化作用使得坍塌壓力在鉆井初期迅速升高；層理和水化作用導致的坍塌壓力增量分別為0.26～0.38 g/cm3和0.60～0.79 g/cm3，縮短了頁巖地層的坍塌周期。該模型能準確預測坍塌周期，對優化鉆井液性能，調整鉆井液密度，保證井壁穩定有重要意義。

巖石力學；井壁穩定；坍塌周期；水化損傷；頁巖；龍馬溪組

0 引 言

頁巖氣已成為不可忽視的重要能源，然而頁巖地層井壁失穩嚴重制約了頁巖氣的安全高效開發。目前主要使用力學-化學耦合模型預測頁巖地層穩定性。然而頁巖強度的非均質性和水化作用是導致井壁失穩的不可忽視的原因。因此，以龍馬溪組頁巖為研究對象，測試其原始力學強度以及鉆井液不同作用時間下的力學強度，綜合考慮層理和頁巖水化損傷2個因素，建立了井壁穩定模型，預測井壁坍塌周期，為頁巖地層鉆井液密度設計與調整提供理論依據。

1 頁巖力學特性測試

實驗所用的樣品取自四川盆地宜賓市長寧縣地區的志留系龍馬溪組。該地層頁巖主要由黏土、石英、方解石和白云石構成，存在一定水化能力。根據GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，測試原巖和原巖被鉆井液浸泡12、24、48、72、120 h后的力學特性，得到以下實驗結果。

(1) 原巖的內聚力和內摩擦角分別為40.07 MPa和33.46 °；浸泡初期頁巖力學強度降低速度較快，然后逐漸變慢，最后強度趨于某一穩定值。

(2) 頁巖基質內聚力、內摩擦角與浸泡時間滿足如下關系式：

c0=35.997e-0.004t

(1)

φ0=33.478e-0.004t

(2)

式中：c0為頁巖基質內聚力，MPa；φ0為頁巖基質內摩擦角，°；t為浸泡時間，h。

對于層理力學參數，在以往實驗中得到了龍馬溪組頁巖層理內聚力和內摩擦角，分別為14.45 MPa和20.37 °[1]；根據黃榮樽等人建立的層理強度隨浸泡時間的關系表達式[2]，龍馬溪組頁巖層理內聚力、內摩擦角與浸泡時間的關系可表示為：

cw=14.45e-0.0047t

(3)

φw=20.37e-0.0065t

(4)

式中：cw為頁巖層理內聚力，MPa；φw為頁巖層理內摩擦角，°。

2 頁巖井壁穩定模型

建立頁巖地層斜井井壁應力轉化關系坐標系，如圖1所示。其中坐標系(s，u，m)為大地直角坐標系，并以井眼軸線和垂直于井眼軸線的截面方向建立井眼直角坐標系(x，y，z)和圓柱坐標系(r，θ，z)。

圖1 頁巖地層斜井井壁應力坐標轉化關系

圓柱坐標系下井壁上的應力表示為[3]：

(5)

式中：σH、σh、σv分別為垂向地應力、水平最大地應力和水平最小地應力，MPa；σr、σθ、σz、σθz、σrθ、σrz分別為各井眼坐標系下井壁應力分量，MPa；pi為鉆井液液柱壓力，MPa；ζ為有效應力系數；pp為地層孔隙壓力，MPa；系數A、B、C、D、E、F、G、H、J見文獻[3]。

井壁破壞準則通常用最大和最小主應力來表示，因此，需要將井壁上的應力轉換成主應力。根據井壁上的應力分布，可得到井壁上的3個主應力σi、σj和σk，再從中確定最大和最小主應力：

(6)

(7)

式中：σi、σj、σk分別為井壁上3個主應力，MPa；σ1、σ3分別為最大和最小主應力，MPa。

Jaeger等人對層狀巖石進行研究，認為層理性地層的剪切破壞形式有2種：沿層理面的剪切破壞和巖石基質的剪切破壞，并且建立了Mohr-Coulomb弱面強度理論，判別式可根據文獻[4-5]得出，層理產狀用層理傾角和走向表示為[6]：

(8)

3 算例分析

以某工區X井為例，計算參數為：目標層深度為3 118 m，水平最大地應力為114.6 MPa，水平最小地應力為65.7 MP；垂向地應力為82.6 MP，孔隙壓力為33.6 MPa。

3.1 層理走向對坍塌壓力影響分析

圖2為層理傾角分別為0、30、60、90 °時，在不同方位角條件下坍塌壓力隨層理走向的變化規律。由圖2可知：方位角為0～90 °時，坍塌壓力隨層理走向減小而降低，方位角為90～180 °時，坍塌壓力隨層理走向增加而升高；當傾角為90 °時，坍塌壓力以走向90 °為對稱軸，走向為180～90 °時，坍塌壓力隨層理走向減小而降低，走向為90～0 °時，坍塌壓力隨層理走向減小而升高。

3.2 層理傾角對坍塌壓力影響分析

圖3為層理走向分別為0、30、60、90 °時，在不同方位角條件下坍塌壓力隨層理傾角的變化規律。由圖3可知：井眼方位為0、180、360 °時，坍塌壓力較高，井壁穩定性差；當層理面傾角為30～70 °時，井壁巖石基本都沿基質發生破壞，井眼坍塌壓力較低，井壁穩定性好；當層理面傾角在其他范圍時，井壁巖石主要都沿層理發生破壞，井眼坍塌壓力較高，井壁穩定性較差。

3.3 頁巖水化損傷對坍塌壓力影響分析

圖4為不同層理傾角和走向下水化損傷對坍塌壓力的影響(半圓圖中弧度為層理走向)。由圖4可知：對于相同層理產狀地層，鉆井時間為120 h時，相對于0 h條件時坍塌壓力增幅為0.60～0.79 g/cm3；隨著鉆井時間的增加，藍色逐漸向紅色變化，紅色區域逐漸增加，這表示井壁穩定性逐漸變差，在鉆井時需要采用更高密度鉆井液才能保持井壁穩定。

圖2 坍塌壓力隨層理走向變化規律

圖3 坍塌壓力隨層理傾角變化規律

圖4 頁巖水化損傷對坍塌壓力的影響規律

4 實例分析

以某工區X氣井為實例井，采用均質模型、弱面模型、均質損傷模型和弱面損傷模型(文中所建立的模型)，計算該井水平井段的坍塌周期，該地層層理傾角和走向分別為10 °和146 °，計算結果如圖5所示。

圖5 不同模型下坍塌壓力隨時間變化規律

由圖5可知：對于頁巖地層，若不考慮層理對坍塌壓力的影響，則可能導致鉆井液密度偏低，在鉆井初期就可能出現井壁坍塌的情況；若不考慮鉆井液對頁巖強度的影響，所使用的鉆井液在鉆井初期能夠保證井壁穩定，但隨著鉆井的進行，也可能會導致井壁失穩；在鉆井現場，如果采用某一密度鉆井液，如圖5中的1.25 g/cm3，對于弱面模型和均質模型，坍塌周期為無窮大，對于弱面損傷模型和均質損傷模型，坍塌周期分別為22、48 h；若鉆井密度為1.55 g/cm3，對于弱面損傷模型和均質損傷模型，坍塌周期分別為48、120 h；若鉆井密度為1.95 g/cm3，該地層井壁不會出現坍塌現象。

5 結 論

(1) 龍馬溪組頁巖存在可水化膨脹的黏土，鉆井液浸泡會導致頁巖強度降低，降低幅度受浸泡時間影響，浸泡時間越長，頁巖強度降低程度也越大。

(2) 頁巖層理的存在加劇了井壁的不穩定性，當方位角一定時，隨著層理產狀的不同，坍塌壓力也會相應變化，并且具有一定的規律性。

(3) 建立的弱面損傷模型綜合考慮了頁巖強度的非均質性和鉆井液對頁巖強度的影響，更加接近現場真實情況，得出的鉆井液密度能更好地預測坍塌周期，保證井壁穩定。

[1] LIU Xiangjun，ZENG Wei，LIANG Lixi，et al.Wellbore stability analysis for horizontal wells in shale formations [J].Journal of Natural Gas Science & Engineering，2016，31：1-8.

[2] 黃榮樽，陳勉.泥頁巖井壁穩定力學與化學的耦合研究[J].鉆井液與完井液，1995，12(3)：15-21.

[3] AADNOY B S，CHENEVERT M E.Stability of highly inclined boreholes [J].SPE Drill Eng，1987，25(6)：64-74.

[4] JAEGER John Conrad.Shear failure of anisotropic rocks [J].Geological Magazine， 1960， 97(1)：65-72.

[5] 蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002：89-93.

[6] 金衍，陳勉.井壁穩定力學[M].北京：科學出版社，2012：59.

編輯 孟凡勤

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.032

20160530；改回日期：20160707

國家自然科學基金聯合基金“頁巖氣低成本高效鉆完井技術基礎研究”(U1262209)；國家自然科學基金重點項目“氣體鉆井技術基礎研究”(51134004)；四川省應用基礎研究計劃“形成大規模壓裂縫網的水平井井眼軌跡優化研究”(2014JY0092)

劉向君(1969-)，女，教授，博士生導師，1990年畢業于西南石油學院地球物理測井專業，1995年畢業于該校油氣田開發工程專業，獲博士學位，現主要從事井眼穩定性與完井方式優化、石油工程巖石力學方面的科研教學工作。

TE21

A

1006-6535(2016)05-0130-04