深層脆性頁巖水平井井壁崩落失穩(wěn)研究

劉厚彬 ，崔帥 ，孟英峰 ，周彥行 ，羅益

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)保衛(wèi)處安全消防科，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司通信與信息技術(shù)中心，四川 遂寧 629000）

0 引言

隨著鉆井深度的不斷加深，深層脆性頁巖地層發(fā)生井壁失穩(wěn)的比例越來越高［1-3］。綜合成像測井、井下取心等現(xiàn)場信息發(fā)現(xiàn)，井壁垮塌通常表現(xiàn)為井壁崩落掉塊，對應(yīng)發(fā)生井壁垮塌層位的層理與裂縫較為發(fā)育。鉆井過程中，井底有效當(dāng)量循環(huán)密度存在一定范圍的波動，井底激動壓力的變化更加容易引起井壁巖石沿層理或裂縫發(fā)生崩落［4-5］。

國內(nèi)外學(xué)者針對脆性頁巖地層的井壁穩(wěn)定性問題開展了大量研究工作。Ma等［6-7］通過實驗測試和數(shù)學(xué)模型模擬，分析了硬脆性泥頁巖地層井壁坍塌的原因。Zhou等［8］分析了圍壓加卸載速度對頁巖力學(xué)參數(shù)、破壞特征的影響，提出了一種考慮卸載效應(yīng)的脆性特征評價新方法。李緒鋒等［9-10］綜合考慮弱面等因素的影響，建立了頁巖水平井鉆井過程中井壁坍塌壓力的計算模型。

目前，對頁巖水平井在不同井下條件的井壁拉伸崩落失穩(wěn)機(jī)理仍然認(rèn)識不足，需進(jìn)一步研究。為此，針對瀘州區(qū)塊龍馬溪組深層頁巖開展了井壁崩落失穩(wěn)研究，制定了井下工況下力學(xué)加卸載模擬實驗方案，分析了圍壓加卸載速度對巖石力學(xué)性能參數(shù)的影響，建立了深層脆性頁巖水平井井壁崩落失穩(wěn)模型。

1 頁巖主要特征

以瀘州區(qū)塊龍馬溪組井下頁巖為研究對象，取心平均深度在3 500 m以上。該區(qū)塊頁巖以黏土、石英礦物為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在45%左右，含少量的斜長石、方解石、白云石。黏土礦物以弱膨脹性的伊利石、綠泥石為主，含少量伊/蒙混層，平均脆性指數(shù)高達(dá) 60%［11-12］。

該地區(qū)水平井鉆進(jìn)過程中，造斜段、水平段多次發(fā)生井下垮塌遇阻現(xiàn)象。通過分析井下打撈上來的巖心和掉塊，發(fā)現(xiàn)該層段含裂縫發(fā)育的薄層，巖心較為破碎松散。利用掃描電鏡測試了龍馬溪組頁巖的微觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁巖微裂縫貫穿整個視域，層理縫發(fā)育，層狀結(jié)構(gòu)明顯。結(jié)合前述巖石礦物組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比分析，通常該類頁巖脆性強(qiáng)，水化膨脹能力弱，在高外應(yīng)力下容易產(chǎn)生微裂縫，巖石容易沿層理縫發(fā)生破壞。

2 實驗方法

為了研究井底壓力環(huán)境下脆性頁巖水平井井壁拉伸崩落失穩(wěn)的變化規(guī)律，采用力學(xué)加卸載實驗測試了井底復(fù)雜載荷變化對深層脆性頁巖力學(xué)性能及破壞規(guī)律的影響。

為了消除巖心非均質(zhì)性給實驗帶來的影響，首先將巖心制成符合GB/T 23561.2—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》的試件，然后在干燥箱環(huán)境下烘烤24 h，最后利用體式顯微鏡、聲波測試裝置篩選符合該標(biāo)準(zhǔn)的巖心進(jìn)行實驗［13］。最終篩選出來的巖心特征及參數(shù)如表1所示。

表1 篩選巖心的特征及參數(shù)

2.1 巖石力學(xué)性能測試

綜合現(xiàn)場工程、地質(zhì)等信息，鉆井過程中起下鉆速度過快極易導(dǎo)致井壁垮塌事故，由此推斷圍壓的變化速度會影響井壁的穩(wěn)定性［14-16］。本次實驗采用MTS三軸試驗機(jī)（600 kN）進(jìn)行不同圍壓卸載速度的巖石力學(xué)性能測試。圍壓卸載實驗之前，分別測試9#、15#巖心在20 MPa圍壓下的抗壓強(qiáng)度，把該強(qiáng)度作為其他巖心圍壓卸載實驗需要加載軸壓大小的參考標(biāo)準(zhǔn)。為保證巖心的完整性，防止因加載軸壓過大使巖心提前壓壞，以便觀察后面圍壓卸載實驗的變化規(guī)律，23#和10#巖心、1#和3#巖心卸載圍壓時，加載軸壓分別為9#、15#巖心抗壓強(qiáng)度的50%。

實驗開始，圍壓和軸壓加載到設(shè)定值后，保持軸壓不變，23#、1#巖心按照10 min內(nèi)圍壓從20 MPa卸載到0 MPa的速度進(jìn)行測試，10#、3#巖心按照5 min內(nèi)圍壓從20 MPa卸載到0 MPa的速度進(jìn)行測試，觀察巖心何時發(fā)生破壞，由此來研究圍壓卸載速度對巖石力學(xué)性能的影響。

2.2 巖石縱、橫波速度測試

本次加卸載實驗過程中，測試了所有巖心縱、橫波速度的動態(tài)變化。通過對比分析巖心聲波時差的變化規(guī)律，以間接評價力學(xué)加卸載對井壁巖石力學(xué)性能的影響［17］。

本次實驗對三軸試驗機(jī)的巖心夾持器進(jìn)行了改裝，在原巖心夾持器上下兩端裝有聲波測試傳感器。通過連接傳感器與聲波測試裝備，在加卸載實驗過程中利用電腦軟件記錄巖心縱、橫波速度的動態(tài)變化過程。

3 實驗結(jié)果

按照上述實驗方法開展了井底復(fù)雜載荷下頁巖的力學(xué)加卸載實驗，結(jié)果如表2所示。圍壓卸載實驗過程中，縱、橫波速度的動態(tài)變化規(guī)律如圖1所示。

表2 圍壓卸載實驗結(jié)果

圖1 圍壓卸載實驗中縱、橫波速度的動態(tài)變化規(guī)律

實驗過程中，隨著圍壓、軸壓增大，巖心壓實，縱、橫波速度增大，當(dāng)達(dá)到某一值后，巖心縱、橫波速度變化很??；隨著圍壓不斷地減小，巖心慢慢被破壞，出現(xiàn)裂縫，縱、橫波速度減小，在巖心破壞瞬間，縱、橫波速度突然下降。不同圍壓卸載速度的實驗表明，加載軸壓相同的條件下，圍壓卸載速度越快，越容易導(dǎo)致巖心發(fā)生破壞，巖心破壞時卸載掉的圍壓相對越小，即井底激動壓力變化越迅速，越容易引起井壁巖石發(fā)生破壞，在井下崩落掉塊。通過對比實驗后的巖心發(fā)現(xiàn)，巖心主要沿著層理縫發(fā)生脆性劈裂破壞。

4 井壁拉伸崩落失穩(wěn)判斷模型

4.1 模型建立

對于井壁巖石而言，井壁崩落掉塊的條件為井壁巖石的徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力大于巖石自身的抗拉強(qiáng)度［18］。對于含有層理、裂縫的地層，判斷井壁是否沿層理、裂縫發(fā)生崩落掉塊，需要研究作用在層理、裂縫面上的法向主應(yīng)力大小。當(dāng)作用在層理、裂縫面上的法向主應(yīng)力為拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力大于層理、裂縫間的抗拉強(qiáng)度，則井壁會發(fā)生崩落掉塊；反之，井壁不會發(fā)生崩落掉塊。此處假設(shè)巖心為橫觀各向同性。

假設(shè)地應(yīng)力場直角坐標(biāo)系為σHσhσv，層理面直角坐標(biāo)系為XsYsZs，地層層理或裂縫傾向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角為αs，層理或裂縫面傾角為βs。以地應(yīng)力場直角坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，沿σv方向軸線旋轉(zhuǎn)αs，然后沿σh方向軸線旋轉(zhuǎn)90°-βs，便可得到層理面直角坐標(biāo)系（見圖2a）。結(jié)合地應(yīng)力場與層理面直角坐標(biāo)系的空間角度關(guān)系，地應(yīng)力場與層理面直角坐標(biāo)系的空間笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣W可表示為

假設(shè)斜井井眼軸線直角坐標(biāo)系為XbYbZb，斜井的方位角與井斜角分別為αb，βb。以地應(yīng)力場直角坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，沿σv方向軸線旋轉(zhuǎn)αb，然后沿σh方向軸線旋轉(zhuǎn)βb，便可得到斜井井眼軸線直角坐標(biāo)系（見圖2b，其中θ為井周角）。地應(yīng)力場與斜井井眼軸線直角坐標(biāo)系的空間笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣G可表示為

為了評價斜井井壁的巖石崩落垮塌情況，需要建立斜井井眼軸線柱坐標(biāo)系（rθZb）。沿斜井井眼軸線直角坐標(biāo)系的Zb方向旋轉(zhuǎn)θ，便可得到斜井井周任一位置點的柱坐標(biāo)系（見圖2c）。結(jié)合斜井井眼軸線直角坐標(biāo)系與柱坐標(biāo)系的空間角度關(guān)系，斜井井眼軸線直角坐標(biāo)系與柱坐標(biāo)系的空間笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣C可表示為

圖2 各坐標(biāo)系之間的空間角度關(guān)系示意

結(jié)合地應(yīng)力場分布及建立的空間笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，便可評價不同井型井壁上任意分布的裂縫、層理面上的法向主應(yīng)力大小，進(jìn)而判斷井壁是否會沿層理、裂縫發(fā)生崩落掉塊。假設(shè)地應(yīng)力場主應(yīng)力已知，其分布矩陣 σins為

結(jié)合空間笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，便可得到斜井井眼軸線柱坐標(biāo)系下的井周應(yīng)力場分布矩陣σcws：

式中：σrr，σθθ，σzz分別為斜井井眼軸線柱坐標(biāo)系下井周應(yīng)力場的徑向主應(yīng)力、周向主應(yīng)力、法向主應(yīng)力，MPa；τrθ，τθz，τrz為斜井井眼軸線柱坐標(biāo)系下井周應(yīng)力場的剪切應(yīng)力分量，MPa。

結(jié)合地層層理、裂縫三維空間展布及其與地應(yīng)力場的空間角度關(guān)系，利用空間笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，便可得到不同井型井周層理、裂縫面上的應(yīng)力場分布矩陣σbfp：

利用式（6）便可計算作用在層理、裂縫面上的主應(yīng)力及剪切應(yīng)力。結(jié)合拉伸崩落失穩(wěn)準(zhǔn)則，即可判斷井壁是否發(fā)生崩落掉塊。

4.2 模型應(yīng)用

以某井為例，該井為瀘州區(qū)塊的一口頁巖氣水平井，所鉆水平井段為龍馬溪組頁巖地層，井深為4 604.52 m，垂深為4 372 m。最大水平主應(yīng)力為110 MPa，最小水平主應(yīng)力為93 MPa，垂向主應(yīng)力為102 MPa，地層孔隙壓力梯度為2.14 MPa/100 m。該井的基本參數(shù)如表3所示。結(jié)合表3，通過計算停鉆停泵、起下鉆、正常鉆進(jìn)等工況下的井底有效當(dāng)量循環(huán)密度，進(jìn)而分析了井底有效液柱壓力的動態(tài)變化規(guī)律，結(jié)果如表4所示。

表3 基本參數(shù)

表4 不同工況下井底有效當(dāng)量循環(huán)密度計算結(jié)果

受井底激動壓力的影響，當(dāng)起下鉆速度控制在6 m/min時，鉆井液密度附加值為±0.020 g/cm3，井底壓力附加值為±0.87 MPa。正常鉆進(jìn)與停鉆停泵時的井底有效當(dāng)量循環(huán)密差異相對較大。正常鉆進(jìn)時，鉆井液密度附加值為0.128 g/cm3，井底壓力附加值為5.51 MPa。

基于不同工況下井底有效當(dāng)量循環(huán)密度的計算結(jié)果，分別分析了在不同工況下，頁巖地層致密無裂縫、發(fā)育層理和裂縫時水平井的井壁拉伸崩落穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 致密頁巖地層水平井井壁拉伸崩落失穩(wěn)判斷

圖4 含層理、裂縫頁巖地層水平井井壁拉伸崩落失穩(wěn)判斷

對比圖3、圖4可知：當(dāng)?shù)貙又旅軣o裂縫或鉆井液有效封堵性為100%時，地層保持原始地層壓力狀態(tài)，井筒和地層之間無滲流運移及壓力傳遞，井壁不會發(fā)生拉伸崩落。當(dāng)?shù)貙影l(fā)育層理、裂縫時，在井底壓差下井筒和地層之間存在滲流及壓力傳遞，尤其開泵過程中，井底有效液柱壓力最大，導(dǎo)致近井壁地帶孔隙壓力迅速增加，鉆井液沿著層理縫滲入后，產(chǎn)生的附加壓力大于井筒液柱壓力；停鉆停泵、起鉆工況下井底附加壓力消失，井底有效液柱壓力最小，井壁部分位置的頁巖受拉應(yīng)力作用，當(dāng)拉應(yīng)力超過頁巖抗拉強(qiáng)度，便會發(fā)生拉伸崩落。從圖4a，4b可以看出，起鉆、停鉆停泵后，水平井段上、下井壁的頁巖受拉應(yīng)力，將會發(fā)生小范圍拉伸崩落。

4.3 模型驗證

為了檢驗頁巖水平井井壁崩落失穩(wěn)模型的準(zhǔn)確性，將該井上述預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實際工況進(jìn)行了對比分析。該井在采用密度為2.15 g/cm3的鉆井液進(jìn)行水平井段鉆井過程中，井壁較為穩(wěn)定，無井下遇阻卡鉆現(xiàn)象。但停鉆停泵之后進(jìn)行起下鉆作業(yè)時，在水平井段伴有掛卡遇阻現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)循環(huán)出來的鉆井液有大量2～3 cm厚度的脆性頁巖。后期完井的電測井徑曲線也表明，在該井水平井段的卡鉆遇阻位置發(fā)生了擴(kuò)徑，最大擴(kuò)徑率達(dá)到了27%（見圖5）。這說明該理論預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場結(jié)果基本一致。

圖5 完井電測井徑曲線

5 結(jié)論

1）龍馬溪組深層頁巖以黏土、石英礦物為主，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，巖心層理縫發(fā)育，井底壓力環(huán)境下容易沿層理縫發(fā)生脆性劈裂破壞。

2）不同工況下井底液柱壓力的變化明顯。起鉆工況下井底激動壓力變化迅速，井壁巖石所受支撐圍壓減小，從而容易導(dǎo)致井壁巖石發(fā)生破壞，誘發(fā)龍馬溪組頁巖水平段井壁發(fā)生拉伸崩落。

3）通過與現(xiàn)場實際工況進(jìn)行對比分析，證實了本文模型的合理性和準(zhǔn)確性。針對井下復(fù)雜的工況環(huán)境，應(yīng)合理控制起下鉆速度，有效控制井底激動壓力的變化，提高鉆井液的有效封堵性，從而降低鉆井液沿層理縫的壓力穿透效應(yīng)，提高鉆井液對井壁巖石的有效支撐力，增加井壁巖石的抗破壞強(qiáng)度。該研究對深層脆性頁巖水平井的安全高效鉆進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。