氮?dú)忏@井井底巖爆機(jī)理及動(dòng)態(tài)過(guò)程演化

羅成波 孟英峰 李 皋 劉厚彬 楊 旭 林 楠

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油西部鉆探工程公司巴州鉆井公司

0 引言

氮?dú)忏@井鉆遇致密砂巖裂縫圈閉高壓導(dǎo)致井底巖爆是QL1井惡性井噴事故的根本原因，針對(duì)巖爆機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析并形成正確的認(rèn)識(shí)是恢復(fù)氣體鉆井技術(shù)良性發(fā)展的迫切需要[1]。

氮?dú)忏@井井底巖爆——氮?dú)忏@井鉆遇裂縫圈閉高壓（為單條裂縫），當(dāng)裂縫與井底之間有一定距離時(shí)，由于裂縫與井底之間是低滲透的致密砂巖，裂縫內(nèi)氣體不會(huì)向井筒滲流泄壓，裂縫內(nèi)的壓力作為一種靜壓力作用于致密砂巖，井底壓力為環(huán)空氣柱低壓；當(dāng)井底足夠接近裂縫時(shí)，裂縫高壓與井底低壓形成的高壓差使致密砂巖巖石墻崩裂、破碎，大量坍塌碎屑和釋放的高壓氣體噴入井內(nèi)，釋放巨大能量，發(fā)生氮?dú)忏@井的巖爆現(xiàn)象[1-3]。

氮?dú)忏@井中這種“巖石突然爆碎并與天然氣一起猛烈噴出”的現(xiàn)象，迄今從未在國(guó)內(nèi)外氣體鉆井的文獻(xiàn)、專著、工程記錄中被報(bào)道過(guò)。該現(xiàn)象應(yīng)該是第一次在鉆井工程中被發(fā)現(xiàn)[1-3]，其與水電、交通及金屬礦山等工程領(lǐng)域中的“巖爆”，煤礦開(kāi)采中的“沖擊地壓”和“煤與瓦斯突出”發(fā)生的機(jī)理有相似之處，但又有很大的不同。

水電、交通及金屬礦山中的巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程開(kāi)挖時(shí)，硬脆性圍巖因開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致儲(chǔ)存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害[4-5]。沖擊地壓是指井巷或工作面周?chē)鷰r體，由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象[6]。煤與瓦斯突出是指煤礦井下采掘過(guò)程中在很短時(shí)間內(nèi)從煤層內(nèi)部向采掘空間突然噴出大量的煤和瓦斯混合物的現(xiàn)象[7-8]。

巖爆、沖擊地壓以及煤與瓦斯突出產(chǎn)生的主要原因都是局部較高的地應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力耦合導(dǎo)致巖體或者阻擋層破壞，致使巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量或者被阻擋層封閉的瓦斯能突然釋放，而氮?dú)忏@井井底巖爆的主要原因在于裂縫內(nèi)的高壓與井底的低壓形成的高壓差，使其裂縫與井底之間的巖石破壞，裂縫內(nèi)高壓氣體攜帶巖爆碎屑噴入井筒，產(chǎn)生井底巖爆。巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出以及氣體鉆井井底巖爆都屬于局部巖體結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力失穩(wěn)力學(xué)問(wèn)題。

為了給巖爆的防治提供理論基礎(chǔ)，筆者利用常規(guī)井壁失穩(wěn)的分析思路來(lái)進(jìn)行井底的突發(fā)性失穩(wěn)的機(jī)理分析，即計(jì)算分析井底巖石應(yīng)力，選取強(qiáng)度準(zhǔn)則，井底巖石應(yīng)力和強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行比較判斷巖石是否發(fā)生破壞，并在巖爆機(jī)理的分析基礎(chǔ)上借助Visual Basic語(yǔ)言和Matlab軟件編程進(jìn)行了巖爆動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的研究，以此來(lái)分析判斷QL1井錄井監(jiān)測(cè)參數(shù)的異常變化。

1 井底應(yīng)力場(chǎng)模型

氮?dú)忏@井井底巖石受井筒氣柱壓力和三向地應(yīng)力[垂向地應(yīng)力（σv）、最大水平主地應(yīng)力（σH）、最小水平主地應(yīng)力（σh）]共同作用，如圖1-a所示。

圖1 井底巖石受力及氮?dú)忏@井井底巖爆示意圖

鉆井過(guò)程中，井底巖石應(yīng)力屬于斷面開(kāi)挖問(wèn)題，此類問(wèn)題目前尚無(wú)解析解[9]。為此，將井底巖石應(yīng)力場(chǎng)假設(shè)為內(nèi)外面受均布載荷作用的空心圓球，在圓球內(nèi)面受井筒氣柱壓力（pw）作用，外面趨于無(wú)限大，在無(wú)限遠(yuǎn)處受平均地應(yīng)力的作用[10-11]，物理模型如圖1-b所示。

基礎(chǔ)理論假設(shè)：①致密砂巖是連續(xù)介質(zhì)；②致密砂巖服從胡克定律；③致密砂巖為均勻各向同性介質(zhì)；④致密砂巖的變形為小變形。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論建立空間球?qū)ΨQ問(wèn)題的基本微分方程（壓力為正拉力為負(fù)）[12]。

應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系式可以表示為：

式中εr、εθ分別表示井底巖石徑向應(yīng)變、周向應(yīng)變；σr、σθ分別表示井底巖石徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力，MPa；u表示井壁巖石質(zhì)點(diǎn)位移，m；E表示巖石楊氏模量，表示巖石泊松比。

半球形井底巖石的應(yīng)力滿足應(yīng)力平衡方程式：

半球形井底巖石首先在井底面處發(fā)生塑性屈服，塑性區(qū)半徑隨著地應(yīng)力和井底壓力的變化而變化。滿足摩爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則的塑性區(qū)半徑為c。

1）塑性區(qū)徑向應(yīng)力（σr）和周向應(yīng)力（σθ）為：

式中A表示積分常數(shù)。

2）彈性區(qū)應(yīng)力分布。彈性區(qū)應(yīng)力可以從應(yīng)力平衡方程和彈性應(yīng)力應(yīng)變方程綜合推導(dǎo)得出：

式中B表示積分常數(shù)。

基于彈塑性分界面應(yīng)力的連續(xù)性可以確定積分常數(shù)A和B，即

式中pw表示環(huán)空井底壓力，MPa；φ表示內(nèi)摩擦角，（°）；co表示內(nèi)聚力，MPa；Rw表示半球半徑，m；r表示距半球球心的距離，m。

無(wú)窮遠(yuǎn)處平均地應(yīng)力是垂向地應(yīng)力（σv）、最大水平主地應(yīng)力（σH）、最小水平主地應(yīng)力（σh）共同作用的結(jié)果。

2 基質(zhì)及裂縫面有效應(yīng)力和破壞準(zhǔn)則

由于致密砂巖基質(zhì)和裂縫彈性參數(shù)的差異較大，會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)和裂縫變形量的較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致基質(zhì)和裂縫面有效應(yīng)力的較大差異，因此，基質(zhì)和裂縫面的有效應(yīng)力須分別表征[13]。

2.1 有效應(yīng)力及有效應(yīng)力系數(shù)

Biot理論是建立在Terzaghi有效應(yīng)力理論的基礎(chǔ)之上定義了有效應(yīng)力，即

式中σ′表示有效應(yīng)力，MPa；σ表示總應(yīng)力，MPa；α表示有效應(yīng)力系數(shù)；pp表示孔隙壓力，MPa。

由Biot理論公式可以看出，有效應(yīng)力系數(shù)主要用于權(quán)衡地層孔隙壓力對(duì)巖石有效應(yīng)力的影響程度，是控制地層巖石變形及流體滲流的內(nèi)在因素。筆者采用有效應(yīng)力系數(shù)與孔隙度相等的方法表征[14]。

2.2 致密砂巖基質(zhì)及裂縫面有效應(yīng)力系數(shù)

QL1井位于四川盆地西部白馬廟構(gòu)造，以須家河組為目的層。選取該區(qū)塊事故發(fā)生井段即是沙溪廟組致密砂巖巖心進(jìn)行滲透率和孔隙度及力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)表

從表1可知，巖心的平均孔隙度為4.52%，平均有效應(yīng)力系數(shù)為0.045，因此下文計(jì)算致密砂巖的有效應(yīng)力所選取的有效應(yīng)力系數(shù)為0.045。

Bernabe[15]通過(guò)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)研究提出了材料破壞前后的有效應(yīng)力表達(dá)方程，對(duì)于裂縫單元，可以近似認(rèn)為α=1。

2.3 致密砂巖基質(zhì)及裂縫面有效應(yīng)力

由于致密砂巖基質(zhì)的平均有效應(yīng)力系數(shù)為0.045，趨近于0，裂縫的上下面有效應(yīng)力系數(shù)為1。

1）塑性破壞區(qū)（應(yīng)力松弛區(qū)）致密砂巖基質(zhì)有效應(yīng)力

2）彈性區(qū)致密砂巖基質(zhì)有效應(yīng)力

3）彈性區(qū)圈閉高壓裂縫面有效應(yīng)力

2.4 致密砂巖基質(zhì)及裂縫面破壞準(zhǔn)則

由于研究對(duì)象為裂縫面與井底之間的致密砂巖基質(zhì)，物理模型可簡(jiǎn)化為圖1-b。裂縫上表面為致密砂巖基質(zhì)的一部分，略去裂縫下面及下部致密砂巖基質(zhì)。因此，研究對(duì)象為致密砂巖基質(zhì)，可采用一般孔隙介質(zhì)的強(qiáng)度準(zhǔn)則。

1）基質(zhì)剪切破壞準(zhǔn)則

2）裂縫面剪切破壞準(zhǔn)則

式中fc表示壓縮破壞系數(shù)，fc＞0，則巖石發(fā)生壓縮剪切破壞，若fc＜0，則巖石不產(chǎn)生壓縮剪切破壞。

3）基質(zhì)拉伸破壞準(zhǔn)則

4）裂縫面拉伸破壞準(zhǔn)則

式中ft表示拉伸破壞系數(shù)，ft＞0，則巖石不發(fā)生拉伸破壞，若ft＜0，則巖石產(chǎn)生拉伸破壞。

裂縫面和基質(zhì)的有效應(yīng)力的不同導(dǎo)致破壞準(zhǔn)則中周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差異，由于裂縫面也是基質(zhì)的一部分，因此，裂縫面和基質(zhì)的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度相同。fc和ft統(tǒng)稱為井壁穩(wěn)定系數(shù)。

3 QL1井底巖爆機(jī)理及動(dòng)態(tài)演化過(guò)程

QL1井使用?311.2 mm空氣錘鉆頭鉆進(jìn)，氮?dú)庾⑷肓繛?120 m3/min，鉆壓 30 kN，轉(zhuǎn)速 35 r/min。事故前氮?dú)忏@井中含氧量控制在5%以下，立管壓力2 MPa左右，鉆時(shí)為4～5 min/m，懸重、扭矩、排砂等均正常，計(jì)算井底壓力0.36 MPa。事故井深2 144.23 m，沙溪廟組。沙溪廟組屬于典型的致密砂巖干氣氣藏，氣藏深度介于2 000～2 650 m，已鉆井證明地層孔隙壓力系數(shù)為1.3～1.4，裂縫圈閉高壓為30 MPa，環(huán)空井底壓力為0.36 MPa，因此，裂縫圈閉和井底的壓差為29.64 MPa。上覆地層壓力為48 MPa，水平最大、最小主應(yīng)力分別為51 MPa、46 MPa，因此 σ=48.3 MPa。內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的取值見(jiàn)表1，抗拉強(qiáng)度為3 MPa。運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行井底致密砂巖基質(zhì)及裂縫面應(yīng)力的求解，根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則判定基質(zhì)和裂縫面的破壞及破壞區(qū)的延伸。

3.1 應(yīng)力的動(dòng)態(tài)演化

隨著氮?dú)忏@井正常鉆進(jìn)，裂縫圈閉逐漸進(jìn)入井底擾動(dòng)應(yīng)力區(qū)，從圖2-a可知，在彈性區(qū)，離井底距離越近，基質(zhì)和裂縫面的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差值越來(lái)越大。當(dāng)破壞區(qū)持續(xù)擴(kuò)大至聯(lián)通低壓井筒時(shí)，井底致密砂巖巖石基質(zhì)及破壞區(qū)的徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力如圖2-b所示，由于破壞區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，破壞區(qū)充滿了高壓氣體，周向有效應(yīng)力及徑向有效應(yīng)力出現(xiàn)了應(yīng)力降落，且徑向應(yīng)力接近－20 MPa。

3.2 裂縫面和基質(zhì)破壞系數(shù)動(dòng)態(tài)演化

從圖3可知，隨著井底靠近裂縫圈閉，在井底擾動(dòng)應(yīng)力區(qū)內(nèi)，逐漸增大的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力差值會(huì)增加裂縫面發(fā)生壓縮破壞和徑向拉伸破壞的可能性，裂縫越靠近井底，壓縮破壞系數(shù)越來(lái)越大，拉伸破壞系數(shù)越來(lái)越小，井底表面壓縮破壞系數(shù)大于零是由于井底表面應(yīng)力集中導(dǎo)致井底表面產(chǎn)生塑性破壞區(qū)。

圖2 井底應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化圖

圖3 井底擾動(dòng)應(yīng)力區(qū)井壁穩(wěn)定系數(shù)圖

當(dāng)井底距離裂縫圈閉距離為0.23 m時(shí)，裂縫圈閉進(jìn)入井底強(qiáng)擾動(dòng)應(yīng)力區(qū)，基質(zhì)和裂縫面的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差值進(jìn)一步增大。致密砂巖基質(zhì)及裂縫面的壓縮破壞系數(shù)及拉伸破壞系數(shù)（統(tǒng)稱井壁穩(wěn)定系數(shù)）如圖3所示，此時(shí)裂縫面的壓縮破壞系數(shù)等于零，裂縫面開(kāi)始產(chǎn)生壓縮剪切破壞，沒(méi)有發(fā)生拉伸破壞。

隨裂縫面開(kāi)始產(chǎn)生壓縮剪切破壞時(shí)且破壞區(qū)開(kāi)始向井筒延伸擴(kuò)大，周向有效應(yīng)力及徑向有效應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力降落，徑向發(fā)生拉伸破壞，破壞模式從壓縮剪切破壞演化為壓縮剪切與拉伸復(fù)合破壞模式，在壓縮剪切與拉伸復(fù)合破壞共同作用下，破壞區(qū)持續(xù)延伸聯(lián)通井筒，巖爆發(fā)生（圖4）。

圖4 井底聯(lián)通破壞區(qū)井壁穩(wěn)定系數(shù)圖

3.3 巖爆的動(dòng)態(tài)演化分析

井底巖爆動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的研究，可以看出在不同的演化節(jié)點(diǎn)破壞區(qū)具體的物理形態(tài)，而且裂縫的傾角不同，則破壞區(qū)域的演化規(guī)律也有差別。筆者選取15°傾角的裂縫分析。

運(yùn)用Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的二維編程，然后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在Matlab軟件中作云圖。圖5為動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的整個(gè)編程思路。

從圖6可知徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力及動(dòng)態(tài)破壞區(qū)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。圖6中，藍(lán)色表示壓縮剪切破壞，綠色表示剪切拉伸復(fù)合破壞。

圖5 動(dòng)態(tài)演化破壞過(guò)程的程序計(jì)算圖

3.4 QL1井巖爆及巖爆發(fā)生后錄井?dāng)?shù)據(jù)分析

QL1井巖爆發(fā)生及發(fā)生后錄井?dāng)?shù)據(jù)及分析如圖7所示。

從圖7可知，懸重及鉆壓的錄井曲線表明，在發(fā)生井底巖爆之前，懸重參數(shù)、鉆壓參數(shù)沒(méi)有明顯的異常，直至裂縫面產(chǎn)生初始破壞直至破壞瞬間擴(kuò)展延伸至井底，裂縫內(nèi)的高壓天然氣攜帶被破碎的巖屑噴入井內(nèi)，同時(shí)在鉆頭處形成堵塞，裂縫內(nèi)高壓氣體的壓力通過(guò)巖爆碎屑形成的砂堵對(duì)鉆具產(chǎn)生巨大的上頂力，上頂鉆具，圖7中3：27：18時(shí)間點(diǎn)所示，懸重瞬間下降，鉆壓降至零。

4 結(jié)論

圖6 破壞區(qū)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程圖

圖7 事故過(guò)程的綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)分析圖[2]

1）氮?dú)忏@井井底巖爆過(guò)程即是井底逐漸接近裂縫圈閉高壓，裂縫面周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力差值逐漸增大，裂縫面產(chǎn)生壓縮破壞以及壓縮和拉伸復(fù)合破壞模式，直至破壞區(qū)連通井筒，高壓氣體攜帶大量碎屑噴入井內(nèi)，釋放大量能量，上頂壓縮鉆具，產(chǎn)生巖爆。

2）井底巖爆機(jī)理分析以及動(dòng)態(tài)演化過(guò)程研究可以系統(tǒng)解釋QL1井錄井監(jiān)測(cè)參數(shù)的異常變化。