鉆井卸載對泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性的影響

劉向君， 丁　乙， 羅平亞， 梁利喜

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

泥頁巖地層的安全鉆進(jìn)是鉆井工程中的一大難點(diǎn)，其主要原因是，泥頁巖具有較強(qiáng)的水化特性，與鉆井液接觸后，其強(qiáng)度急劇降低，從而造成井壁失穩(wěn)[1-5]。針對泥頁巖地層井壁失穩(wěn)的問題，前人進(jìn)行了大量研究：陳平和J.P.Simpson等人[6-7]考慮泥頁巖的水化作用，建立了力化耦合模型，并利用其分析了泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性。黃榮樽和C.H.Yew等人[8-9]利用熱彈性比擬法，建立了井周水化應(yīng)力分布模型。目前在鉆進(jìn)泥頁巖地層時(shí)，保持井壁穩(wěn)定最直接有效的方法是調(diào)整鉆井液密度。初始鉆井密度的確定對于保障鉆井安全和調(diào)整鉆井液密度尤為重要[10]。

當(dāng)?shù)貙颖汇@開時(shí)，原井筒處的巖石被鉆井液替代，井壁處巖石的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生卸載作用，井周巖石的力學(xué)特征必然受到影響。針對卸載作用對巖石強(qiáng)度的影響，巖土工程領(lǐng)域的很多學(xué)者均在三軸應(yīng)力儀上采用卸圍壓的方式進(jìn)行研究[11]。卸圍壓過程中，由于圍壓提供的側(cè)向束縛力降低，軸向應(yīng)力呈現(xiàn)更強(qiáng)的壓應(yīng)力作用，從而對巖石結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度造成破壞。該類試驗(yàn)主要用來模擬研究隧道挖掘過程中卸載對巖石的影響，鮮有研究卸載對井壁穩(wěn)定性的報(bào)道[12-13]。因此，筆者通過三軸力學(xué)試驗(yàn)?zāi)M鉆井過程的卸載，研究了卸載對泥頁巖力學(xué)特性的影響，建立了卸載條件下泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性模型，可為確保泥頁巖地層井壁穩(wěn)定提供理論指導(dǎo)。

1　卸載對泥頁巖力學(xué)特性的影響

為模擬卸載對泥頁巖力學(xué)特性的影響，筆者利用RTR-1000型高溫高壓巖石三軸儀進(jìn)行了泥頁巖巖樣加卸載試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)中，給泥頁巖巖樣施加軸向應(yīng)力與圍壓，如圖1所示。常規(guī)三軸試驗(yàn)中，在一定圍壓下，通過加載軸向壓力至巖樣破壞來獲取巖石力學(xué)參數(shù)。筆者采用卸圍壓的方式模擬泥頁巖巖樣卸載過程，從而獲取經(jīng)歷卸載過程后泥頁巖的力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)中加卸載速率統(tǒng)一為0.2 MPa/s。

圖1　三軸試驗(yàn)?zāi)囗搸r巖樣加載示意Fig.1　Loading of shale sample in triaxial test

常規(guī)三軸試驗(yàn)的應(yīng)力路徑如圖2(a)所示。由圖2(a)可知,首先將圍壓加至一定值后保持恒定，再加載軸向壓力直到巖石被破壞，從而得到常規(guī)加載條件下的巖石強(qiáng)度?；谛遁d作用示意圖，設(shè)計(jì)卸載條件下的三軸試驗(yàn)[14-15]。卸載條件下，應(yīng)力路徑開始與常規(guī)三軸試驗(yàn)一樣，將圍壓加至一定值后，再將軸向壓力加至0.7倍單軸抗壓強(qiáng)度并保持恒定(圖2(b)中K點(diǎn))，然后開始卸圍壓，圍壓從圖2(b)中L點(diǎn)卸至M點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的應(yīng)力差即為卸載幅度。在卸圍壓完成后再繼續(xù)加載軸向壓力直至泥頁巖巖樣被破壞，即可以得到卸載后泥頁巖的強(qiáng)度[16-17]?；诓煌膽?yīng)力路徑，三軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在加卸載條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的整體形狀無明顯差異，但在卸載條件下(圖3(b)和圖3(c))，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中間有一段與應(yīng)變軸平行的直線，即巖樣卸載過程。

圖2　卸載與常規(guī)條件下三軸試驗(yàn)的應(yīng)力路徑Fig.2　Stress path of triaxial test under unloading and normal conditions

基于上述卸載試驗(yàn)方法，在不同圍壓下進(jìn)行了恒定卸載幅度下的三軸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用摩爾庫倫準(zhǔn)則求得卸載條件下的巖石力學(xué)參數(shù)[18-19]。筆者采用上述方法，改變卸載幅度，得到了泥頁巖力學(xué)參數(shù)隨卸載幅度的變化趨勢，如圖4所示。由圖4可知：隨著卸載幅度增大，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均呈下降趨勢；卸載幅度較小時(shí)，二者的下降幅度較小，表明高卸載幅度對于泥頁巖強(qiáng)度的影響更為明顯。

采用回歸方法得到圖4中內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與徑向卸載幅度的關(guān)系式：

圖3　常規(guī)與卸載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress-strain curve under unloading and normal conditions

(1)

式中：C(Δσ)為不同卸載幅度下的內(nèi)聚力，MPa；φ(Δσ)為不同卸載幅度下的內(nèi)摩擦角，(°)；Δσ為徑向卸載幅度，MPa。

2　卸載作用下井壁穩(wěn)定性模型

2.1　井周應(yīng)力分布

井周應(yīng)力分布是分析井壁穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。筆者假定地層為均質(zhì)、多孔線彈性介質(zhì)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到井筒直角坐標(biāo)系下的地應(yīng)力分量為[20]：

圖4　不同卸載幅度下泥頁巖的力學(xué)參數(shù)Fig.4　Mechanical parameters of shale under different unloading amplitudes

(2)

式中：σxx,σyy,σzz,σxy,σyz和σxz為地應(yīng)力在井筒直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量，MPa；σH,σh和σv分別為最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力，MPa；β為井眼方位角,(°)；α為井斜角,(°)

基于上述地應(yīng)力分量，考慮孔隙壓力、液柱壓力和滲流附加應(yīng)力，求得井筒柱坐標(biāo)下井壁圍巖應(yīng)力分布為[21]：

(4)

式中：σr，σθ和σz分別為柱坐標(biāo)系下徑向、周向和軸向正應(yīng)力，MPa；σθz，σrθ和σrz分別為柱坐標(biāo)下θz，rθ和rz平面的切應(yīng)力，MPa；θ為井周角，(°)；υ為泊松比；pi為液柱壓力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；；a為Biot系數(shù)；δ為井筒滲流系數(shù)；φ為孔隙度。

2.2　井周卸載幅度分布

地層被鉆開前，井周巖石應(yīng)力狀態(tài)主要受地應(yīng)力控制[22]。徑向地應(yīng)力分量由圖5(a)中的應(yīng)力分解得到。地層被鉆開后，井筒內(nèi)的壓力由液柱壓力提供，徑向應(yīng)力變?yōu)棣襯。地層被鉆開前后的徑向應(yīng)力差即為卸載幅度，其計(jì)算式為：

(5)

式中：σn為鉆開前地應(yīng)力沿徑向應(yīng)力分量，MPa；e為σn和σyy之間的夾角，(°)。

基于該方法，計(jì)算地層參數(shù)和鉆井參數(shù)一定條件下的井周巖石卸載幅度分布，結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5　井周卸載幅度示意Fig.5　Unloading amplitude around wellbore

2.3　巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則

根據(jù)井周應(yīng)力分布，可以確定井壁的最大水平主應(yīng)力(σ1)和最小水平主應(yīng)力(σ3)[23]?；谥鲬?yīng)力分布，考慮卸載幅度對巖石力學(xué)參數(shù)的影響，采用摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，建立巖石破壞判斷準(zhǔn)則,如式(6)所示?；谠撌?，可計(jì)算得到卸載條件下的地層坍塌壓力。

(6)

式中：ζ為巖石破壞角，(°)。

3　井壁穩(wěn)定性影響因素分析

3.1　地應(yīng)力及各向異性

基于卸載條件下的井壁穩(wěn)定性模型，分析泥頁巖地層井壁的穩(wěn)定性。首先以最大和最小水平主應(yīng)力為依據(jù)，建立各向異性系數(shù)，其計(jì)算式為[24]：

(7)

保持最小水平主應(yīng)力恒定，計(jì)算不同各向異性系數(shù)下井周巖石力學(xué)參數(shù)。圖6為直井在不同各向異性系數(shù)下井周巖石的力學(xué)參數(shù)。由圖6可以看出：隨著各向異性系數(shù)增大，井周巖石內(nèi)聚力降低，井周角90°和270°的降低幅度達(dá)到最大；內(nèi)摩擦角也隨各向異性系數(shù)增大而減小，但減小幅度很??；在各向異性系數(shù)較大的地層，坍塌壓力當(dāng)量密度高，且由卸載造成的坍塌壓力當(dāng)量密度增量也更為明顯，在各向異性系數(shù)為1.2時(shí)，卸載造成的坍塌壓力當(dāng)量密度增量僅為0.020 kg/L，而在各向異性系數(shù)達(dá)到2.0時(shí)，坍塌壓力當(dāng)量密度增量增至0.092 kg/L。

在保持各向異性系數(shù)一定(k=1.4)的情況下，通過改變地應(yīng)力，求得不同最小水平主應(yīng)力下井周巖石的力學(xué)參數(shù)和地層坍塌壓力，如圖7所示。由圖7可知：隨著最小水平主應(yīng)力增大，井周巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角都在降低，但內(nèi)聚力下降較為明顯；隨最小水平主應(yīng)力增高，坍塌壓力當(dāng)量密度升高，卸載造成的坍塌壓力當(dāng)量密度增量更為顯著，在最小水平主應(yīng)力為32 MPa時(shí)，卸載造成的坍塌壓力當(dāng)量密度增量僅為0.015 kg/L，而在最小水平主應(yīng)力達(dá)到52 MPa時(shí)，坍塌壓力當(dāng)量密度增量變?yōu)?.084 kg/L。

3.2　井筒與最小水平主應(yīng)力方向夾角

在地層參數(shù)一定條件下，求取水平井井筒與最小水平主應(yīng)力方向不同夾角(簡稱為井筒方位角)下的坍塌壓力，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出：當(dāng)沿最大水平主應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí)，坍塌壓力當(dāng)量密度增大，井壁穩(wěn)定性變差，同時(shí)卸載造成的坍塌壓力當(dāng)量密度增量也逐漸增大；在峰值點(diǎn)，卸載造成的坍塌壓力當(dāng)量密度增量約為0.06 kg/L。由此可見，井筒與最小水平主應(yīng)力的夾角不同，卸載的影響也有所不同。選擇沿與最小水平主應(yīng)力夾角較小方向鉆進(jìn)，可以減小卸載的影響，增強(qiáng)井壁的穩(wěn)定性。

圖6　不同各向異性系數(shù)下卸載作用的影響Fig.6　Unloading effect under different anisotropy coefficients

4　計(jì)算實(shí)例

由以上分析可知，鉆井過程的卸載效應(yīng)會(huì)對井壁的穩(wěn)定性造成影響。筆者選取鉆遇泥頁巖地層的3口井進(jìn)行實(shí)例分析。這3口井的地應(yīng)力、孔隙壓力及孔隙度均基于測井資料計(jì)算得到，3口井的井眼軌跡參數(shù)由現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)獲得。計(jì)算所用地質(zhì)及工程參數(shù)如表1所示。

圖7　不同最小水平主應(yīng)力下卸載作用的影響Fig.7　Unloading effect under different minimum horizontal situ stress

圖8　不同井筒方位角下的坍塌壓力分布Fig.8　Distribution of collapse pressure under different borehole orientations

表1　計(jì)算參數(shù)Table 1　Calculating parameters

泥頁巖的力學(xué)參數(shù)采用第1節(jié)中的擬合結(jié)果,采用常規(guī)井壁穩(wěn)定性模型和卸載條件下的井壁穩(wěn)定性模型計(jì)算了3口井的坍塌壓力當(dāng)量密度，結(jié)果見圖9。鉆井工程資料顯示，這3口井在初始階段井徑擴(kuò)大率低，無垮塌現(xiàn)象，從而表明所使用的鉆井液密度滿足井壁穩(wěn)定要求。由圖9可以看出：未考慮卸載條件下的坍塌壓力當(dāng)量密度與實(shí)際安全鉆井液密度差異較為明顯，誤差約為10.7%，精度不能滿足工程需求；考慮卸載作用后，坍塌壓力當(dāng)量密度增大，與實(shí)際安全鉆井液密度吻合較好，誤差約為4.0%，滿足工程需求。這說明在確定安全鉆井液密度時(shí)，卸載作用不可忽視。

圖9　不同模型坍塌壓力當(dāng)量密度計(jì)算結(jié)果Fig.9　Equivalent density of collapse pressure in different models

5　結(jié)論與建議

1) 卸載會(huì)造成泥頁巖強(qiáng)度降低，隨著卸載幅度增大，泥頁巖強(qiáng)度降低幅度增大。

2) 隨著鉆井卸載幅度增大，泥頁巖地層坍塌壓力增量變大。在高地應(yīng)力和各向異性較強(qiáng)的地層，卸載造成的坍塌壓力增量更為明顯。同時(shí)，卸載對井壁穩(wěn)定性的影響與井筒與最小水平主應(yīng)力的夾角相關(guān)，選取與最小水平主應(yīng)力夾角較小的方向鉆進(jìn)，可以降低卸載作用對井壁穩(wěn)定性的影響。

3) 鉆井過程中，必然產(chǎn)生卸載效應(yīng)，而卸載作用會(huì)導(dǎo)致泥頁巖強(qiáng)度降低，坍塌壓力增大，泥頁巖地層井壁失穩(wěn)加劇。因此，為保證泥頁巖地層安全鉆進(jìn)，必須要考慮卸載對泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性的影響。

4) 應(yīng)進(jìn)一步開展多種卸載條件下的井壁穩(wěn)定性分析，精確量化卸載作用對泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性的影響，以實(shí)現(xiàn)安全高效地鉆進(jìn)泥頁巖地層。

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