龍馬溪組頁(yè)巖地層井壁坍塌周期預(yù)測(cè)

劉向君，曾 韋，梁利喜，熊 健

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

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龍馬溪組頁(yè)巖地層井壁坍塌周期預(yù)測(cè)

劉向君1，2，曾 韋1，2，梁利喜1，2，熊 健1，2

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

針對(duì)頁(yè)巖層理結(jié)構(gòu)和水化特性易導(dǎo)致鉆井過(guò)程中井壁坍塌的問(wèn)題，開展巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以確定不同鉆井液作用時(shí)間下的頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)；綜合考慮層理產(chǎn)狀和水化作用對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的影響，建立頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定性分析模型，預(yù)測(cè)頁(yè)巖地層坍塌周期。計(jì)算分析表明：層理產(chǎn)狀變化使得坍塌壓力分布更為復(fù)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(dǎo)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(yè)巖地層的坍塌周期。該模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)坍塌周期，對(duì)優(yōu)化鉆井液性能，調(diào)整鉆井液密度，保證井壁穩(wěn)定有重要意義。

巖石力學(xué)；井壁穩(wěn)定；坍塌周期；水化損傷；頁(yè)巖；龍馬溪組

0 引 言

頁(yè)巖氣已成為不可忽視的重要能源，然而頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)嚴(yán)重制約了頁(yè)巖氣的安全高效開發(fā)。目前主要使用力學(xué)-化學(xué)耦合模型預(yù)測(cè)頁(yè)巖地層穩(wěn)定性。然而頁(yè)巖強(qiáng)度的非均質(zhì)性和水化作用是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的不可忽視的原因。因此，以龍馬溪組頁(yè)巖為研究對(duì)象，測(cè)試其原始力學(xué)強(qiáng)度以及鉆井液不同作用時(shí)間下的力學(xué)強(qiáng)度，綜合考慮層理和頁(yè)巖水化損傷2個(gè)因素，建立了井壁穩(wěn)定模型，預(yù)測(cè)井壁坍塌周期，為頁(yè)巖地層鉆井液密度設(shè)計(jì)與調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 頁(yè)巖力學(xué)特性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)所用的樣品取自四川盆地宜賓市長(zhǎng)寧縣地區(qū)的志留系龍馬溪組。該地層頁(yè)巖主要由黏土、石英、方解石和白云石構(gòu)成，存在一定水化能力。根據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試原巖和原巖被鉆井液浸泡12、24、48、72、120 h后的力學(xué)特性，得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(1) 原巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為40.07 MPa和33.46 °；浸泡初期頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度降低速度較快，然后逐漸變慢，最后強(qiáng)度趨于某一穩(wěn)定值。

(2) 頁(yè)巖基質(zhì)內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與浸泡時(shí)間滿足如下關(guān)系式：

c0=35.997e-0.004t

(1)

φ0=33.478e-0.004t

(2)

式中：c0為頁(yè)巖基質(zhì)內(nèi)聚力，MPa；φ0為頁(yè)巖基質(zhì)內(nèi)摩擦角，°；t為浸泡時(shí)間，h。

對(duì)于層理力學(xué)參數(shù)，在以往實(shí)驗(yàn)中得到了龍馬溪組頁(yè)巖層理內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，分別為14.45 MPa和20.37 °[1]；根據(jù)黃榮樽等人建立的層理強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式[2]，龍馬溪組頁(yè)巖層理內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與浸泡時(shí)間的關(guān)系可表示為：

cw=14.45e-0.0047t

(3)

φw=20.37e-0.0065t

(4)

式中：cw為頁(yè)巖層理內(nèi)聚力，MPa；φw為頁(yè)巖層理內(nèi)摩擦角，°。

2 頁(yè)巖井壁穩(wěn)定模型

建立頁(yè)巖地層斜井井壁應(yīng)力轉(zhuǎn)化關(guān)系坐標(biāo)系，如圖1所示。其中坐標(biāo)系(s，u，m)為大地直角坐標(biāo)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(biāo)系(x，y，z)和圓柱坐標(biāo)系(r，θ，z)。

圖1 頁(yè)巖地層斜井井壁應(yīng)力坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系

圓柱坐標(biāo)系下井壁上的應(yīng)力表示為[3]：

(5)

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

井壁破壞準(zhǔn)則通常用最大和最小主應(yīng)力來(lái)表示，因此，需要將井壁上的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成主應(yīng)力。根據(jù)井壁上的應(yīng)力分布，可得到井壁上的3個(gè)主應(yīng)力σi、σj和σk，再?gòu)闹写_定最大和最小主應(yīng)力：

(6)

(7)

式中：σi、σj、σk分別為井壁上3個(gè)主應(yīng)力，MPa；σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力，MPa。

Jaeger等人對(duì)層狀巖石進(jìn)行研究，認(rèn)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(zhì)的剪切破壞，并且建立了Mohr-Coulomb弱面強(qiáng)度理論，判別式可根據(jù)文獻(xiàn)[4-5]得出，層理產(chǎn)狀用層理傾角和走向表示為[6]：

(8)

3 算例分析

以某工區(qū)X井為例，計(jì)算參數(shù)為：目標(biāo)層深度為3 118 m，水平最大地應(yīng)力為114.6 MPa，水平最小地應(yīng)力為65.7 MP；垂向地應(yīng)力為82.6 MP，孔隙壓力為33.6 MPa。

3.1 層理走向?qū)μ鷫毫τ绊懛治?/p>

圖2為層理傾角分別為0、30、60、90 °時(shí)，在不同方位角條件下坍塌壓力隨層理走向的變化規(guī)律。由圖2可知：方位角為0～90 °時(shí)，坍塌壓力隨層理走向減小而降低，方位角為90～180 °時(shí)，坍塌壓力隨層理走向增加而升高；當(dāng)傾角為90 °時(shí)，坍塌壓力以走向90 °為對(duì)稱軸，走向?yàn)?80～90 °時(shí)，坍塌壓力隨層理走向減小而降低，走向?yàn)?0～0 °時(shí)，坍塌壓力隨層理走向減小而升高。

3.2 層理傾角對(duì)坍塌壓力影響分析

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

3.3 頁(yè)巖水化損傷對(duì)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(duì)坍塌壓力的影響(半圓圖中弧度為層理走向)。由圖4可知：對(duì)于相同層理產(chǎn)狀地層，鉆井時(shí)間為120 h時(shí)，相對(duì)于0 h條件時(shí)坍塌壓力增幅為0.60～0.79 g/cm3；隨著鉆井時(shí)間的增加，藍(lán)色逐漸向紅色變化，紅色區(qū)域逐漸增加，這表示井壁穩(wěn)定性逐漸變差，在鉆井時(shí)需要采用更高密度鉆井液才能保持井壁穩(wěn)定。

圖2 坍塌壓力隨層理走向變化規(guī)律

圖3 坍塌壓力隨層理傾角變化規(guī)律

圖4 頁(yè)巖水化損傷對(duì)坍塌壓力的影響規(guī)律

4 實(shí)例分析

以某工區(qū)X氣井為實(shí)例井，采用均質(zhì)模型、弱面模型、均質(zhì)損傷模型和弱面損傷模型(文中所建立的模型)，計(jì)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(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同模型下坍塌壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

由圖5可知：對(duì)于頁(yè)巖地層，若不考慮層理對(duì)坍塌壓力的影響，則可能導(dǎo)致鉆井液密度偏低，在鉆井初期就可能出現(xiàn)井壁坍塌的情況；若不考慮鉆井液對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的影響，所使用的鉆井液在鉆井初期能夠保證井壁穩(wěn)定，但隨著鉆井的進(jìn)行，也可能會(huì)導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，如果采用某一密度鉆井液，如圖5中的1.25 g/cm3，對(duì)于弱面模型和均質(zhì)模型，坍塌周期為無(wú)窮大，對(duì)于弱面損傷模型和均質(zhì)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(duì)于弱面損傷模型和均質(zhì)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(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

(1) 龍馬溪組頁(yè)巖存在可水化膨脹的黏土，鉆井液浸泡會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖強(qiáng)度降低，降低幅度受浸泡時(shí)間影響，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，頁(yè)巖強(qiáng)度降低程度也越大。

(2) 頁(yè)巖層理的存在加劇了井壁的不穩(wěn)定性，當(dāng)方位角一定時(shí)，隨著層理產(chǎn)狀的不同，坍塌壓力也會(huì)相應(yīng)變化，并且具有一定的規(guī)律性。

(3) 建立的弱面損傷模型綜合考慮了頁(yè)巖強(qiáng)度的非均質(zhì)性和鉆井液對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的影響，更加接近現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，得出的鉆井液密度能更好地預(yù)測(cè)坍塌周期，保證井壁穩(wěn)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(yè)巖井壁穩(wěn)定力學(xué)與化學(xué)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(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002：89-93.

[6] 金衍，陳勉.井壁穩(wěn)定力學(xué)[M].北京：科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金“頁(yè)巖氣低成本高效鉆完井技術(shù)基礎(chǔ)研究”(U1262209)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“氣體鉆井技術(shù)基礎(chǔ)研究”(51134004)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃“形成大規(guī)模壓裂縫網(wǎng)的水平井井眼軌跡優(yōu)化研究”(2014JY0092)

劉向君(1969-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，1990年畢業(yè)于西南石油學(xué)院地球物理測(cè)井專業(yè)，1995年畢業(yè)于該校油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事井眼穩(wěn)定性與完井方式優(yōu)化、石油工程巖石力學(xué)方面的科研教學(xué)工作。

TE21

A

1006-6535(2016)05-0130-04