泥巖水化井壁的穩定性分析

鄭 勛

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司,天津 300451)

0 引言

石油鉆井中,泥巖地層占所鉆遇地層的75%以上,且超過70%的復雜情況發生在泥巖地層中[1]。泥巖主要由非黏土礦物(如石英、方解石、白云石等)及黏土礦物(如蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等)構成,黏土礦物與鉆井液接觸容易發生各種物理化學反應,從而造成泥巖地層的失穩。Lal[1]概括了造成泥巖地層失穩的主要機制,包括毛管壓力、滲透壓、水的擴散、水化膨脹及壓力擴散。對于裂縫性泥巖,Lal指出,鉆井液沿裂縫的侵入是造成該類地層失穩的主要原因。Van Oort[2]進一步分析了泥巖地層失穩的各種機制,認為造成泥巖地層失穩主要有3個機制,即壓力擴散、水化膨脹及泥巖與鉆井液接觸后力學性能的改變,其將滲透壓合并為壓力擴散機制。Van Oort并不認為水的擴散是造成泥巖地層失穩的因素,因為泥巖的滲透率極低,水的擴散速度要比壓力擴散與離子的擴散速度低得多。但Wilson[3]指出,泥巖由于內部發育了很多微裂縫,水沿著微裂縫的運移是不容忽視的。目前對于泥巖地層的失穩機理人們還沒有徹底認識清楚,如Van Oort認為泥巖的膨脹主要是由于離子交換造成的,而Lal基于Bailey[4]實驗認為,泥巖的膨脹與鉆井液中水的侵入息息相關。

Yew[5]最早提出了用于分析泥巖地層失穩的數學模型,將水的擴散類比于溫度的擴散,引入了含水量擴散方程,并用膨脹應變來模擬泥巖的膨脹效應。Mody[6]認為泥巖是半透膜,基于鉆井液與泥巖中水的活度差異提出了滲透壓的概念。比較完善的數學模型是由Heidug[7]提出的,其基于熱力學基礎推導了水化膨脹泥巖的本構方程。目前,能夠用來分析泥巖水化的井壁穩定模型并不多[8]。

本研究基于Yew[5]提出的理論,應用有限元方法,對泥巖水化過程的井壁穩定性進行模擬分析,進一步揭示了水化對泥巖地層的應力及破壞規律。

1 泥巖力學參數隨含水量變化的方程

為了應用上述模型,對泥巖地層遇水后的井眼應力及破壞規律做出了分析。表1統計了目前已發表的關于膨脹應變、彈性模量、單軸強度等隨著含水量變化的模型,基于相關數據對部分方程做出了修正,主要目的是為了擴大使用范圍。眾多學者擬合得到的線性方程只能在一定范圍內使用,如Yew的彈性模量方程(表1中原始方程5),當含水變化量超過4%后,彈性模量變為負值,這顯然是不合適的,故對各個方程進一步擬合,得到修正后的指數式方程。

表1 泥巖力學參數隨含水量變化方程Tab.1 Equation of mechanical parameters of mudstone varying with water content

2 井眼應力及破壞分析

從泥巖力學參數隨含水量變化方程可知,強度、彈性模量等參數隨著含水變化量的規律是不一樣的,為了分析泥巖遇水后井眼應力及破壞的發展規律,分為兩種工況計算。

1)高強度、高彈性模量的泥巖,其隨含水量增加,各個參數會急劇下降,對于這種泥巖,其膨脹性能可能較差,故選取表1中的方程(2)(6)(13)(15)作為分析條件。

2)對于低強度的泥巖,其強度等性質隨含水量增加,下降較為緩慢,但是考慮到低強度泥巖往往更容易膨脹,故選取表1中的方程(3)(7)(14)(15)作為分析條件。

2.1 應力分析

基于工況一的參數,計算井眼應力隨時間的變化,見圖1a,可以看出,由于巖石軟化的原因,最大主應力值不是在井壁上,而是在離井壁一定距離處,隨著時間的推移,最大主應力逐漸減小,并向井眼內部移動,最小主應力隨著時間的推移同樣在減小。

圖1 井眼最大、最小主應力隨時間的變化Fig.1 Change of maximum and minimum borehole principal stress with time

基于工況二的參數,計算井眼應力隨時間的變化,見圖1b,可以看出,盡管巖石存在一定的軟化情況,但是由于膨脹作用,最大主應力在井壁上,且隨著時間的推移,井壁上的最大主應力進一步增大,最小主應力隨著時間的推移同樣在增大。

2.2 破壞分析

基于工況一的數據,計算得到井眼周圍破壞指數(小于0代表破壞),如圖2所示,在初始時刻,當使用1.3g/cc的鉆井液密度時,井眼呈臨界破壞狀態,隨著時間的推移,井眼并沒有出現進一步的破壞,盡管巖石的強度參數隨著井眼四周含水量的增加出現下降趨勢,但由于巖石的軟化效應,同樣造成了井眼四周應力的下降(圖1),強度的下降不足以造成井眼的破壞。

圖2 不同時間井眼周圍破壞指數(小于0代表破壞,工況一)Fig.2 Damage index around borehole at different time

基于該分析,對于高強度、高彈性模量、幾乎不膨脹的巖石而言,強度的下降不是造成該類地層失穩的決定性因素,必然還有其他的機制,壓力的傳遞作用可能對該類地層的失穩起關鍵作用。

基于工況二的數據,計算得到井眼四周破壞指數,如圖3所示,隨著時間的推移,井眼四周破壞范圍逐漸增大,由于巖石的膨脹,在井壁上膨脹應力從10 MPa逐漸增大至20 MPa(圖1),由于膨脹應力非常大,要想使該類地層不發生破壞,幾乎是不可能的,因為即使提高了鉆井液密度,也不能阻止巖石的膨脹,故對于膨脹性強的地層,降低鉆井液中水的擴散速度及巖石遇水后的膨脹性能是主要的針對措施。

基于模型分析很難得到一個明確的垮塌周期的概念,井眼的破壞是呈現漸進式的,如圖4所示,隨著時間的推移,井眼破壞半徑比是連續增加的,并沒有出現在某個周期內,井眼是安全的,過了這個周期,井眼突然出現了垮塌的現象,這可能是由于在初期,微小的垮塌并不能被觀察到,也不會造成井下復雜情況,而在后期,垮塌量逐漸增加,從而造成復雜情況越來越明顯,要設置一個合適的閾值,多少的垮塌是允許的是非常困難的,這與井眼尺寸、井型等因素有關,目前還沒有相關研究,想要得到一個明確的垮塌周期非常困難。

圖4 井眼破壞半徑比和井眼破壞面積比Fig.4 Hole failure radius and hole failure area ratio

3 結論及建議

總結了造成泥巖地層失穩的主要因素,基于巖心測試文獻成果對部分成果做出了修正,應用有限元方法對泥巖地層的井壁穩定性做出分析,主要結論如下:Yew[5]提出的理論考慮了水的擴散及其對泥巖的膨脹軟化及力學性質造成的影響,但并沒有考慮壓力擴散、離子擴散及滲透壓等因素,故該理論還需做出一定的改進。受限于巖心測試條件,如巖心本身的性質、測試流體的性質及其富含離子的類型等因素,目前關于膨脹應變、彈性模量、強度隨含水量變化的公式難以推廣應用。如何擺脫基于巖心的測試結果,建立一種基于巖屑或掉塊的測試、結合隨鉆測井數據的泥巖失穩評價新方法,勢在必行。對于高強度、高彈性模量及幾乎不膨脹的泥巖地層,強度的下降不是造成該類地層失穩的決定性因素,壓力的傳遞作用可能對該類地層的失穩起關鍵作用。對于膨脹性能大的泥巖地層,單純的提高鉆井液密度不能阻止其失穩,因為提高鉆井液密度不能降低泥巖的膨脹壓力,需要從鉆井液的性能著手解決。