北特魯瓦地區(qū)裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性研究

張艷娜，韓正波，孔璐琳，陳 強，劉厚彬

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500;4.中國石油西部鉆探國際工程公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

常見的影響碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定的因素主要以物理作用為主，化學(xué)作用為輔［1－6］，裂縫發(fā)育及裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)是碳酸鹽巖地層井壁失穩(wěn)的主要原因［7－10］。針對裂縫性(層理)地層井壁失穩(wěn)問題，劉向君等［11－15］采用簡化的巖石弱面地質(zhì)模型和力學(xué)模型，計算分析了巖石弱面傾角和方位角對直井、斜井井壁穩(wěn)定性的影響。陳勉和孟英峰等人［16－18］借助應(yīng)力張量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，計算空間任意方位上的弱面應(yīng)力分量，認為剪切破裂面與最大主應(yīng)力之間的夾角和弱面傾向共同控制發(fā)育裂縫的弱面的力學(xué)強度。鄧榮貴［19－20］等人基于彈性力學(xué)與結(jié)構(gòu)面強度理論，假設(shè)地層中存在1組或2組弱面結(jié)構(gòu)，建立了井壁坍塌失穩(wěn)預(yù)測模型，分析了單弱面和雙弱面條件下坍塌壓力隨弱面傾角與走向的變化規(guī)律。以上研究對象多為發(fā)育有層理縫的頁巖地層，而對裂縫性碳酸鹽巖地層井壁失穩(wěn)問題的研究較少。

北特魯瓦地區(qū)石炭系中統(tǒng)巴什基爾階(KTII)地層井壁垮塌層段為碳酸鹽巖地層，巖體裂縫極為發(fā)育，井壁垮塌問題嚴(yán)重。為提高該地區(qū)的鉆井效率，對比研究了碳酸鹽巖地層裂縫類型、縫間充填物與產(chǎn)狀、裂縫發(fā)育對碳酸鹽巖孔滲性能、力學(xué)強度的影響規(guī)律，揭示裂縫性碳酸鹽巖地層井壁失穩(wěn)機理與主控因素，建立耦合地應(yīng)力場、壓力穿透效應(yīng)、裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)等因素的裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性理論模型，開展井壁穩(wěn)定性預(yù)測，為北特魯瓦地區(qū)裂縫性碳酸鹽巖地層的安全鉆井提供保障。

1 地質(zhì)概況與地層巖石特征

北特魯瓦地區(qū)KT－II碳酸鹽巖地層(以下簡稱KT－II地層)主要發(fā)育灰?guī)r，因此，以灰?guī)r巖心(以下簡稱巖心)作為研究對象。

1.1 北特魯瓦油田地質(zhì)概況

北特魯瓦油田整體為北東—南西走向的斷背斜構(gòu)造，從構(gòu)造形態(tài)上看，繼承性很好。KT－II地層發(fā)育15條斷層，在北東向主條帶上呈北西向切割，構(gòu)造被斷層切割為14個斷塊，構(gòu)造圈閉長度為42.4 km，寬度為19.5 km，圈閉面積為382.3 km2。北特魯瓦油田地層自上而下主要發(fā)育有新生界，中生界白堊系、侏羅系、三疊系，古生界二疊系上統(tǒng)及二疊系下統(tǒng)孔谷階、薩克馬爾階—阿舍利階，石炭系上統(tǒng)格熱爾階、卡西莫夫階，石炭系中統(tǒng)莫斯科階、中統(tǒng)巴什基爾階。

1.2 微細觀結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)KT－II地層細觀(微米級以上)裂縫發(fā)育，是誘發(fā)井壁垮塌的主要因素，典型井巖心如圖1所示。KT－II地層成巖縫和構(gòu)造縫發(fā)育，成巖過程中原生孔隙發(fā)育后經(jīng)歷溶蝕改造，在橫向上表現(xiàn)為層狀展布，呈“千層餅狀”(圖1a);構(gòu)造縫主要以高角度剪切縫為主(圖1b)，KT－II地層多發(fā)育低角度裂縫，分別為無充填裂縫和灰綠色黏土充填裂縫(圖 1c、d)。

利用鑄體薄片及SEM測試觀察灰?guī)r微裂縫發(fā)育情況，如圖2所示。KT－II地層灰?guī)r基巖孔隙發(fā)育程度較低，孔隙較小，以微米級和納米級為主(圖2a、2b)，局部孔隙較為發(fā)育(圖2c)，但對整體基巖的孔隙度及滲透率影響較小。后期的構(gòu)造活動劇烈，導(dǎo)致形成張開縫及縱橫交織的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)(圖2d)，可能形成規(guī)模較大的溝通縫，從而導(dǎo)致含裂縫灰?guī)r的孔隙度及滲透率增加，巖石力學(xué)性能有所降低。

圖2 KT－II地層微觀裂縫特征Fig.2 The characteristics of micro－fractures in KT－II Formation

1.3 巖石礦物組分

測試失穩(wěn)層段巖石礦物組分，可明確巖石水化膨脹性能，為揭示井壁失穩(wěn)機理與防塌鉆井液體系優(yōu)選提供依據(jù)，實驗測試了KT－Ⅱ井下灰?guī)r和泥巖掉塊的全巖礦物組分以及泥巖掉塊的黏土含量(表1、2)，測試結(jié)果表明:灰?guī)r掉塊主要以方解石為主(86%～98%)，白云石次之，黏土礦物含量小于1%;灰綠色泥巖掉塊黏土含量高，高達67%，其中，蒙脫石含量高達61%，水化膨脹能力強，判斷為KT－II地層灰?guī)r裂縫充填物;深黑色泥巖掉塊以伊利石為主，蒙脫石含量僅為10%，為典型硬脆性泥巖，判斷為KT－II地層上部MKT地層深黑色泥巖掉塊。因此，在優(yōu)選KT－II地層防塌鉆井液體系時，在保障鉆井液良好防塌封堵性能外，可適當(dāng)提高鉆井液抑制水化膨脹能力。

表1 KT－II地層全巖礦物分析結(jié)果Table 1 The analysis results of bulk rock and mineral in KT－II Formation

表2 KT－II地層泥巖黏土含量分析結(jié)果Table 2 The analysis results of clay content of mudstone in KT－II Formation

2 裂縫發(fā)育對巖石孔滲參數(shù)及力學(xué)性能的影響

KT－II地層裂縫發(fā)育，裂縫的發(fā)育對巖心孔滲參數(shù)及力學(xué)強度影響明顯，實驗測試巖心裂縫發(fā)育與孔滲參數(shù)、力學(xué)強度之間的響應(yīng)關(guān)系，為后期裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性預(yù)測模型的建立奠定基礎(chǔ)。

2.1 孔滲特征

以KT－II地層巖心為研究對象，實驗測試巖體裂縫發(fā)育對孔隙度、滲透率等參數(shù)的影響(表3)。由表3可知:KT－II地層巖心孔隙度為1.1%～13.7%，滲透率為0.076～13.370 mD，無裂縫巖心具有低孔隙度、低滲透率的特性，含裂縫及溶孔巖心具有高孔隙度、高滲透率的特征。

表3 KT－II地層巖心孔滲實驗結(jié)果Table 3 The test results of porosity and permeability of cores in KT－II Formation

2.2 巖石力學(xué)性能

在采集的KT－II地層巖心中選取無裂縫巖心和含裂縫及溶孔巖心進行三軸壓縮實驗，部分實驗結(jié)果如表4所示。

表4 KT－II地層巖心三軸壓縮實驗數(shù)據(jù)Table 4 The triaxial compression test data of cores in KT－II Formation

由表4可知:含貫穿裂縫巖心(1號巖心)抗壓強度最低，僅為58.000 MPa左右，巖心破壞過程中，當(dāng)裂縫受到軸向壓力時，巖心沿貫穿裂縫發(fā)生張性劈裂式破壞，徑向應(yīng)變變化較大，泊松比數(shù)值較大;含溶蝕孔洞巖心(3、4號巖心)破壞時，首先溶蝕孔洞壓實收縮，隨著應(yīng)力的增加，軸向應(yīng)變變化較小，巖石彈性模量較小;均質(zhì)無裂縫巖心(2、5、6號巖心)破壞多以高角度剪切破壞為主，抗壓強度為260.000 MPa左右，巖心抗壓強度高。

同時，為探究KT－II地層井壁破壞機理，對比研究了巖心密度、孔滲參數(shù)與巖石力學(xué)強度之間的關(guān)系(圖3～5)。

由圖3可知:KT－II地層巖石孔隙度與巖石密度之間的相關(guān)性好，隨著巖石孔隙度的增加，巖石密度減小。由圖4、5可知:巖石孔隙度和抗壓強度呈負相關(guān)，隨著巖石孔隙度的增大，抗壓強度呈降低的趨勢;巖石密度和抗壓強度呈正相關(guān)，隨著巖石密度增大，抗壓強度呈增加的趨勢。結(jié)合實驗巖心孔滲特征說明，灰?guī)r裂縫發(fā)育，孔隙度增大，巖體密度減小，巖石力學(xué)強度降低。

圖3 孔隙度與密度之間的關(guān)系Fig.3 The relation between porosity and density

圖4 孔隙度與抗壓強度之間的關(guān)系Fig.4 The relation between porosity and compressive strength

圖5 密度與抗壓強度之間的關(guān)系Fig.5 The relation between density and compressive strength

3 裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性預(yù)測模型的建立

通過前期實驗測試及對比分析可知，KT－II地層裂縫發(fā)育及裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)是井壁失穩(wěn)的主要影響因素。因此，基于KT－II地層井壁失穩(wěn)機理及影響因素，研究不同井眼軌跡穿過裂縫面時，鉆井液沿裂縫面的滲流運移規(guī)律以及裂縫對應(yīng)力場的影響規(guī)律，最終建立KT－II地層井壁穩(wěn)定性預(yù)測模型。

3.1 裂縫性地層井壁滲流各向異性及滲流場模型

裂縫性地層井壁滲流能力取決于井壁裂縫發(fā)育狀況及產(chǎn)狀，裂縫面與井壁徑向夾角關(guān)系決定井壁滲流能力。結(jié)合井眼軌跡、裂縫空間產(chǎn)狀等，基于笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，建立井壁徑向與裂縫面夾角計算公式:

式中:ξ為井壁徑向與裂縫面夾角，°;αs為裂縫傾向，°;βs為裂縫傾角，°;α 為井眼軌跡方位角，°;β為井眼軌跡井斜角，°;θ為井周角，°。

三維達西公式微分形式可表示為:

式中:i、j分別表示空間坐標(biāo)系(x、y、z)中任意一個方向;qi為滲流速度，m/s;Kij為滲透率，D;μ為流體黏度，mPa·s;p為井筒與地層之間的壓差，MPa;dj為徑向距離，m。

對于各向異性地層，三維達西公式可改寫為以下展開形式:

式中:Kxx、Kyy、Kzz為不同方向的滲透率張量，D。

當(dāng)滲透率張量Kxx、Kyy所表示的坐標(biāo)平面與裂縫面重合時，井壁徑向滲流能力(Cf)計算模型為:

式中:Cf為井壁徑向滲流能力，D。

3.2 井筒與地層間壓力傳遞及地層孔隙壓力分布模型

鉆井液在井筒與地層之間壓力傳遞及孔隙壓力分布可表示為:

式中:p為地層的孔隙壓力，MPa;t為時間，s;K*為有效滲透系數(shù);K為地層的滲透率，D;Dl為l組分的擴散系數(shù)，cm2/s;為l組分的有效擴散系數(shù)，cm2/s;φ為孔隙度，%;λl為l組分的耦合系數(shù);N為溶液組分數(shù);cl為l組分中溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度，mol/L;為l組分中有效溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度，mol/L;2為拉普拉斯算子。

3.3 巖石破壞模型

對于裂縫性碳酸鹽巖地層，井壁易沿裂縫面滑移崩塌失穩(wěn)，在開展碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性評價時，需要考慮裂縫面的力學(xué)弱面效應(yīng)。

當(dāng)井壁巖石不發(fā)育裂縫，巖石基質(zhì)剪切破壞滿足庫侖－摩爾準(zhǔn)則，可表示為:

式中:σ1為基質(zhì)最大主應(yīng)力，MPa;σ3為基質(zhì)最小主應(yīng)力，MPa;c0為基質(zhì)內(nèi)聚力，MPa;φ0為基質(zhì)內(nèi)摩擦角，°。

當(dāng)井壁巖石發(fā)育有裂縫，井壁沿裂縫滑移剪切垮塌失穩(wěn)，巖石破壞滿足單一弱面破壞準(zhǔn)則，可表示為:

式中:Fw為裂縫面內(nèi)摩擦力，MPa;δw為裂縫面內(nèi)摩擦系數(shù)。

4 實例分析

4.1 KT－II地層井壁穩(wěn)定性預(yù)測

KT－II地層深度3 400 m處，地質(zhì)資料顯示該碳酸鹽巖地層裂縫傾角約為30°，傾向集中在0°左右。為評價不同地應(yīng)力對井筒附近滲流能力和應(yīng)力場的影響，選擇從a、b、c 3個方向鉆井，其中，b方向為最小水平主應(yīng)力方向，a、c為最大水平主應(yīng)力方向，且a和c方向相反;最小水平主應(yīng)力方向與最大水平主應(yīng)力方向垂直。計算結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 不同方向鉆井井壁滲流能力分布Fig.6 The distribution of wellbore seepage capacity for drilling in different directions

由圖6可知:沿著不同方向鉆井時，井壁滲流能力存在差異。沿著b方向(最小水平主應(yīng)力方向)鉆井時，井壁巖石滲流能力最小，可有效減緩鉆井液在地層中滲流作用，降低壓力穿透效應(yīng)。由圖7可知:沿著不同方向鉆井時，井壁有效應(yīng)力場存在差異。沿著b方向(即最小水平主應(yīng)力方向)鉆井，最大有效周向應(yīng)力為136.00 MPa，沿a、c方向(即最大水平主應(yīng)力方向)鉆井時，最大有效周應(yīng)力分別為144.00、149.50 MPa，說明沿最大水平主應(yīng)力方向鉆井井壁巖石受到的擠壓破壞力大于最小水平主應(yīng)力方向，不利于井壁穩(wěn)定。

圖7 不同方向鉆井有效周向應(yīng)力分布Fig.7 The distribution of effective circumferential stress for drilling in different directions

裂縫傾向、方位角、井斜角對井壁坍塌壓力當(dāng)量密度的影響明顯，分別計算裂縫傾向為0、90、180、270°時不同井斜角和方位角處的坍塌壓力當(dāng)量密度，計算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知:裂縫傾向、井斜角、方位角對KTII地層井壁穩(wěn)定影響明顯。當(dāng)?shù)貙恿芽p傾角為30°時，沿裂縫傾向鉆水平井，井斜角在55～80°范圍內(nèi)(圖8中黑色虛線區(qū)域)，地層坍塌壓力當(dāng)量密度最高，普遍為1.50～1.52 g/cm3，裂縫傾向逆時針或者順時針增加110°時，坍塌壓力當(dāng)量密度仍然高于1.50 g/cm3，垮塌嚴(yán)重井段的井斜角增至90°，即水平井井段。沿裂縫傾向相反方向，即裂縫傾向增加180°時，水平井坍塌壓力當(dāng)量密度有所降低，可降低至1.10～1.20 g/cm3。因此，確定區(qū)域裂縫傾向、傾角，可為該地區(qū)井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

圖8 不同裂縫傾向?qū)诜€(wěn)定性的影響Fig.8 The influence of different fracture dips on wellbore stability

4.2 KT－II地層防塌封堵措施

(1)KT－II地層井壁垮塌段為灰?guī)r地層，當(dāng)井眼以不同角度穿越裂縫時，井壁巖石整體力學(xué)強度存在差異性，井斜角超過50°時，井壁坍塌壓力明顯增大。理論計算結(jié)果表明，僅考慮裂縫力學(xué)弱面效應(yīng)，井斜角55～80°范圍地層坍塌壓力當(dāng)量密度最高，普遍為1.50～1.52 g/cm3，建議鉆井液密度控制在 1.50～1.52 g/cm3。

(2)裂縫的傾向?qū)诜€(wěn)定的影響較大，沿裂縫傾向相反方向，即裂縫傾向增加180°方向時，水平井坍塌壓力當(dāng)量密度有所降低，可降低至1.10～1.20 g/cm3，建議沿裂縫傾向相反方向鉆斜井或水平井，保證井壁穩(wěn)定。

(3)KT－II地層垮塌層多為發(fā)育低角度裂縫的灰?guī)r地層，裂縫充填物為水化膨脹能力較強的黏土礦物，鉆井液應(yīng)以裂縫封堵為主，抑制為輔，保證裂縫發(fā)育層段的井壁穩(wěn)定性。

(4)結(jié)合鄰井相關(guān)資料，明確KT－II地層裂縫發(fā)育層段深度，避免裂縫發(fā)育層段遺留在水平段，導(dǎo)致水平段井壁坍塌壓力高，無法達到利用低密度鉆井液保護儲層的目的。

(5)對現(xiàn)場使用的鉆井液性能進行評價，發(fā)現(xiàn)其封堵劑粒徑搭配、材料承壓能力等方面存在不足，不能滿足所鉆遇地層封堵性能要求。因此，應(yīng)重新選擇封堵劑并對其封堵效果評價，以優(yōu)選滿足現(xiàn)場施工要求的封堵劑。實驗依次對目前油田現(xiàn)場常用的微納米級別封堵劑 EP－2、YSTL－1、SFT、JB53、ND－1、FT－1、超細碳酸鈣、納米乳液做粒徑分析、流變性能、封堵性能系統(tǒng)評價，最后優(yōu)選出封堵效果優(yōu)異且適用于該區(qū)塊的封堵劑為:EP－2、超細碳酸鈣(300目與600目顆粒的質(zhì)量比為1∶1)、FT－1。

5 結(jié)論

(1)KT－II地層裂縫極為發(fā)育，多為無充填張開型裂縫以及灰綠色黏土礦物充填閉合縫，裂縫間力學(xué)強度低，力學(xué)弱面效應(yīng)明顯，是誘發(fā)碳酸鹽巖地層井壁失穩(wěn)的主要原因。

(2)KT－II地層井壁失穩(wěn)影響因素多，主要影響因素為裂縫間力學(xué)弱面效應(yīng)、井筒－裂縫之間耦合滲流及壓力穿透效應(yīng)、井眼軌跡等，黏土水化效應(yīng)影響弱。

(3)井眼軌跡與裂縫面間的夾角影響KT－II裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定，優(yōu)化井眼軌跡及井眼穿越裂縫面的角度可有效提高裂縫性碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性。

(4)結(jié)合KT－II地層裂縫縫寬，優(yōu)選鉆井液封堵材料及級配，強化鉆井液的有效封堵性，可有效提高鉆井液的防塌能力。