力-化耦合作用下水化坍塌周期研究

摘" 要：在鉆井過程中，鉆井液與泥頁巖相互作用所引起的水化應變，改變了井周應力分布，減小了泥頁巖巖石強度，使得巖石力學參數(shù)也出現(xiàn)了改變，最后的結果導致井壁失穩(wěn)，發(fā)生井壁坍塌。作者基于前人針對水化作用對于巖石力學參數(shù)影響的研究，以彈性力學和巖石力學等理論為基礎，通過室內(nèi)實驗得出吸水擴散系數(shù)，同時考慮水化作用產(chǎn)生的弱化影響和附加水化作用所產(chǎn)生的應力，建立了力-化耦合作用下坍塌壓力預測模型，繪制了水化坍塌周期圖版。研究結果表明，含水量與吸水處距離成負相關關系，與吸水時間呈正相關關系，同時水化作用也會對巖石力學參數(shù)造成影響。南海目標儲層在使用密度為1.12 g/cm3的水基聚合物鉆井液的條件下坍塌周期在10 d左右；當鉆井液密度為1.13 g/cm3時，坍塌周期為21 d。最終從水化坍塌周期圖版可以看出，在鉆開泥頁巖地層后，將泥漿密度逐漸提升至1.14～1.15 g/cm3之間，有益于長時間維持井壁穩(wěn)定，防止井壁坍塌。該研究成果豐富了泥頁巖井壁穩(wěn)定研究內(nèi)容，為安全鉆井周期的設計提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：坍塌壓力；水化作用；井壁穩(wěn)定；泥頁巖；力-化耦合

中圖分類號：TE28" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0071-04

Abstract： In the process of drilling， the hydration strain caused by the interaction between drilling fluid and shale changes the stress distribution around the well， reduces the shale rock strength， and changes the rock mechanical parameters， which leads to wellbore instability and wellbore collapse. Based on the previous studies on the influence of hydration on rock mechanical parameters， as well as the theories of elasticity and rock mechanics， the author obtains the water absorption diffusion coefficient through indoor experiments. Meanwhile， considering the weakening effect of hydration and the stress caused by additional hydration， the prediction model of collapse pressure under mechanical coupling is established， and the period chart of hydration collapse is drawn. The results show that there is a negative correlation between water content and the distance of water absorption， and a positive correlation between water content and water absorption time. At the same time， hydration will also affect the rock mechanical parameters. The collapse period of the target reservoir in the South China Sea is about 10 days under the condition of using water-based polymer drilling fluid with density of 1.12 g/cm3， and 21 days when the density of drilling fluid is 1.13 g/cm3. Finally， the hydration collapse cycle chart shows that after drilling the shale formation， the mud density is gradually increased to 1.14～1.15 g/cm3， which is beneficial to maintain wellbore stability and prevent wellbore collapse for a long time. The research results enrich the research content of shale wellbore stability and provide a theoretical basis for the design of safe drilling cycle.

Keywords： collapse pressure; hydration; sidewall stability; shale; mechanical-chemical coupling

在石油鉆探中，由于泥頁巖水化作用所導致的井壁失穩(wěn)問題對儲層的安全高效開發(fā)有著不利影響[1]。我國南海東部珠江口盆地在開發(fā)過程中出現(xiàn)了頻繁的阻卡現(xiàn)象，其原因主要為在鉆井過程中鉆井液隨著初始巖層初始微裂縫進入了巖石內(nèi)部，然后在水化作用下使得泥頁巖巖層井周應力分布規(guī)律發(fā)生了改變，削弱了巖石的力學性質(zhì)及巖石強度，造成了井壁失穩(wěn)問題，并引發(fā)卡鉆、垮塌和縮徑等井下復雜情況，嚴重者甚至會造成井眼報廢，不僅提升了巨量的額外成本，同時也嚴重影響油田的勘探和開發(fā)的速度[2-3]。

調(diào)研相關研究表明，泥頁巖的井壁穩(wěn)定性問題并非是某個單一的力學問題或者是化學問題，在力學平衡的基礎上，水化作用所產(chǎn)生的附加應力及水化作用對巖石強度本身的影響也是重要的影響因素。因此，國內(nèi)外專家學者對此展開了大量的實驗和理論研究。1990年，Yew等[4]展開了針對力-化耦合的研究并進行了定量分析；1995年石油大學的黃榮樽教授等[3]曾采用M.E.Chenevert方法對泥頁巖水化研究進行類似分析；1992年，Hale等[5]將地層壓力理論應用到泥頁巖與鉆井液的作用上；1998年，Hong[6]采用數(shù)值模擬和室內(nèi)力學試驗等方法展開了對泥頁巖水化的分析研究。馬天壽等[7]人結合弱面強度準則，建立了層理性頁巖水平井井壁穩(wěn)定性分析模型。雖然這些研究都針對水化作用考慮了其對井壁穩(wěn)定性的影響，但是都主要集中在水化作用對巖石強度及其力學性質(zhì)的削弱上，很少考慮水化作用在井壁周圍產(chǎn)生額外水化應力所造成的影響。

筆者以彈性力學和巖石力學等理論為基礎，通過室內(nèi)泥頁巖吸水擴散實驗、清水浸泡實驗所獲得的實驗數(shù)據(jù)，建立了基于力-化耦合研究的井壁水化坍塌預測模型，研究了在井下條件下井周泥頁巖的水化特性，最終建立水化坍塌周期版圖。根據(jù)該版圖可有效預測安全鉆井周期，并根據(jù)版圖適當調(diào)整泥漿密度，對南海海域泥頁巖地層井壁坍塌問題有較大指導意義。

1" 泥頁巖理化性能研究

國內(nèi)外針對泥頁巖地層水化坍塌問題，有大量學者在數(shù)值模擬、力學實驗等方面進行了研究，一些研究成果表明，泥頁巖在發(fā)生水化作用后，巖石主要受力部位將遠離初始應力集中部位，然后該位置發(fā)生坍塌破壞，因此可以判斷水化作用下的坍塌具有一定的周期性，水化坍塌破壞將導致井壁出現(xiàn)大面積垮塌。針對該問題，經(jīng)常通過適當提高泥漿密度，增加井眼內(nèi)的液柱支撐力來減少垮塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。但是在使用的泥漿密度過高時，使得壓差較大，將導致鉆井液更快地被擠入井壁巖石裂縫中，反而會縮短安全鉆井周期。因此研究坍塌壓力周期變化規(guī)律是預測安全鉆井周期的關鍵[8]。

1.1" 圍巖吸水擴散規(guī)律

井眼鉆開后，在井周內(nèi)外壓差及鉆井液與空隙內(nèi)流體之間的活度差的聯(lián)合作用下，鉆井液的水和離子迅速流入泥頁巖地層。根據(jù)質(zhì)量守恒定律建立的泥頁巖井壁的吸水擴散方程為[9-10]

， （1）

式中：erfc（）為誤差補償函數(shù)；W為泥頁巖巖體的含水量；W0為泥頁巖巖體的初始含水量；x為離井壁的距離，m；Ws為泥頁巖的飽和含水量；Cf為泥頁巖的吸水擴散系數(shù)。泥頁巖的吸水擴散系數(shù)是研究井壁泥頁巖吸水規(guī)律的關鍵。由現(xiàn)場鉆井液配方配置鉆井液對儲層巖芯進行吸水擴散實驗。測試結果如圖1所示。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通過編寫程序采用迭代差分法進行了關于吸水擴散系數(shù)的計算，最終計算得出吸水擴散系數(shù)Cf=0.028 5 cm2/h。

1.2" 巖石力學參數(shù)隨含水變化規(guī)律

泥頁巖如彈性模量和泊松比等的巖石力學參數(shù)通過室內(nèi)實驗的測定結果具有較高的精確性、可靠性。黃榮樽教授曾經(jīng)對現(xiàn)場取出的泥頁巖巖心進行了大量的室內(nèi)實驗，得到了含水量與巖石的巖石力學參數(shù)如彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等相關經(jīng)驗公式，筆者在后續(xù)計算中將借用參考文獻[3]中的經(jīng)驗公式進行計算。

2" 泥頁巖井壁坍塌預測模型

2.1" 考慮水化應變作用的井周應力

為方便分析計算，筆者采取以下假設：

1）假定此泥頁巖地層橫向各向同性，且地層中的泥頁巖為線彈性材料。

2）假定此井處于平面應變狀態(tài)。

3）假定地層中的泥頁巖在水化作用下產(chǎn)生的豎直方向上的應變?yōu)椋恐鴋，由水化作用所產(chǎn)生的水平方向上的應變?yōu)椋恐鴙和？著h不相等，其關系可用？著h=m？著v表示，其中，m為各向異性比，且0≤m≤1，可通過實驗來測定。不同地區(qū)的泥頁巖的各向異性比也會不同。

將內(nèi)外邊界條件代入應力應變平衡方程，最終得到應力應變平衡方程的通解（即徑向位移？滋）為[11-13]

Ar+B/r，" " " " " " " " （2）

其中

，" " " " " "（3）

，" " " " " （4）

式中：？滓xx和？滓yy分別為井眼直角坐標系下x軸和y軸方向的主應力，MPa；？滋為徑向位移，m；Pm為井內(nèi)有效液柱壓力，MPa；E為地層含水量為fw時的彈性模量，MPa；v為地層含水量為fw時的泊松比；R為井眼半徑，m。

根據(jù)軸對稱井筒的平面應變幾何方程，可求得水化作用產(chǎn)生的徑向和周向水化應變?yōu)?/p>

（5）

式中：？著rr為徑向應變；？著？茲？茲為切向應變。

垂向水化應變需通過相關的實驗獲取，筆者直接采用Yew等的室內(nèi)測試結果[14]

，" " " "（6）

式中：K1=0.070 8；K2=11.08；？著v為垂向水化應變；？駐fw為含水量的增量，？駐fw=fw-fwi，fwi為原始地層含水量。

井眼總有效應力可分為泥頁巖因水化作用發(fā)生膨脹所產(chǎn)生的水化應力及初始地層應力，當r=R時，即可得到井壁上的總有效應力

（7）

2.2" 泥頁巖坍塌周期計算求解

從力學角度分析，造成井壁坍塌的原因主要是鉆井過程中的壓差過大，此時由于內(nèi)外壓差所產(chǎn)生的剪切應力要大于巖石本身強度所能承受的極限，從而導致井壁坍塌。摩爾-庫侖準則假定在巖石單元體所受到的應力中，只有最大主應力和最小主應力參與了對巖石破壞[15-16]。

根據(jù)室內(nèi)實驗所得到的泥頁巖巖石含水量隨時間的變化規(guī)律及泥頁巖力學參數(shù)隨含水量的變化規(guī)律，通過摩爾-庫侖破壞準則即可得到坍塌周期規(guī)律。結合前期針對目標泥頁巖儲層研究及調(diào)研結果，通過室內(nèi)吸水擴散實驗及泡水巖石力學實驗測定現(xiàn)場泥漿體系下泥頁巖含水率變化規(guī)律及目標儲層現(xiàn)場泥頁巖儲層巖石強度變化規(guī)律，利用Matlab所編程序進行迭代計算，對井壁坍塌周期的定量預測流程圖如圖2所示[17-18]。

3" 現(xiàn)場實例

泥頁巖與泥漿液接觸后，改變了泥頁巖巖石強度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、彈性模量和泊松比等力學特征參數(shù)；同時泥頁巖產(chǎn)生水化作用，發(fā)生了水化膨脹，出現(xiàn)了附加應力，使井壁圍巖的應力狀態(tài)發(fā)生了改變。井壁力學參數(shù)及應力狀態(tài)隨距離井眼鉆開時間呈現(xiàn)函數(shù)關系。這一函數(shù)關系使得對于泥頁巖井壁穩(wěn)定性預測產(chǎn)生了許多未知性，常規(guī)方法所預測的維持井壁穩(wěn)定的泥漿密度，在初始時候可能有用，但是在水化作用下，一段時間后就會失效。因此，在泥頁巖地層中，通過坍塌壓力計算圖版觀察其在不同時間下的變化規(guī)律是很有必要的。

取芯段地層原始參數(shù)如下：埋深為2 822 m，上覆巖層壓力52.77 MPa，最大水平主應力為44.87 MPa，最小水平主應力為38.66 MPa，內(nèi)聚力為3.87 MPa，內(nèi)摩擦角為37.16°，泊松比為0.19，安全系數(shù)為0.8，孔隙壓力為1.06 g/cm3，由圖1可以得出吸水擴散系數(shù)為0.028 5 cm2/h。將數(shù)據(jù)代入圖2中可以得出泥頁巖水化坍塌周期圖版如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出，在泥頁巖水化作用下，坍塌壓力隨井眼鉆開時間呈指數(shù)變化趨勢，在井眼剛開始裸露階段，坍塌壓力迅速上升，在裸露一段時間之后，坍塌壓力增加趨勢減緩，后趨于穩(wěn)定。在使用密度為1.12 g/cm3的水基聚合物鉆井液的條件下，坍塌周期在10 d左右；當鉆井液密度為1.13 g/cm3時，坍塌周期為21 d。根據(jù)該計算結果，在鉆開泥頁巖地層后，逐漸將泥漿密度增加至1.14～1.15 g/cm3之間，有利于長時間維持井壁穩(wěn)定，防止井壁坍塌。

4" 結論

1）通過吸水擴散實驗表明泥頁巖吸水是一個既有時間參與也有空間參與的過程，含水量與吸水處距離呈現(xiàn)負相關關系并隨著時間而增加。

2）基于泥頁巖井壁穩(wěn)定力學與化學耦合理論研究及添加了水化膨脹應變和地層壓力2種影響因素，繪制了泥頁巖水化坍塌周期圖版。該圖版考慮了泥頁巖地層水化作用中的彈性模量、內(nèi)聚力及泊松比等巖石力學參數(shù)和地層壓力所產(chǎn)生的影響，以及地層壓力發(fā)生變化后，圍巖所產(chǎn)生的附加應力的影響。

3）根據(jù)水化坍塌周期圖版可以看出，泥頁巖水化地層中，井壁坍塌壓力隨時間快速增加，后趨于穩(wěn)定。南海目標儲層在使用密度為1.12 g/cm3的水基聚合物鉆井液的條件下，坍塌周期在10 d左右；當鉆井液密度為1.13 g/cm3時，坍塌周期為21 d。依據(jù)該圖版可以為安全鉆井周期的設計提供依據(jù)，穩(wěn)定地層壓力，避免井壁發(fā)生垮塌。

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