弱面對井壁穩(wěn)定性影響研究進(jìn)展

廖開瑞，楊明合

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100）

弱面是指在成巖過程中和后期構(gòu)造作用下，巖體中形成有一定方向、延展性的含大量各種物質(zhì)和極低或沒有抗拉強度的不連續(xù)面。含弱面巖石強度、彈性參數(shù)表現(xiàn)出各向異性[1]，在鉆井過程中，鉆遇含弱面巖石時，由于弱面強度較低巖石更容易沿弱面發(fā)生剪切破壞，井壁坍塌問題尤為突出，傳統(tǒng)井壁穩(wěn)定模型對坍塌壓力的預(yù)測不能解決含弱面井壁失穩(wěn)問題，井壁失穩(wěn)輕則造成井壁坍塌、卡鉆、埋鉆事故，延長鉆井周期，影響后期的固井、完井作業(yè)，重則井眼報廢造成巨大經(jīng)濟損失，因此含弱面地層的井壁穩(wěn)定性問題是制約油氣資源高效開采的主要原因之一。特別是近些年來，隨著對弱面井壁穩(wěn)定性研究的深入，發(fā)現(xiàn)弱面數(shù)量、滲流、溫度、鉆井液化學(xué)作用也會對弱面井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

實踐表明，弱面地層井壁失穩(wěn)是一個力學(xué)問題，弱面導(dǎo)致的巖石強度、彈性參數(shù)各向異性是問題的關(guān)鍵，滲流、溫度、鉆井液化學(xué)作用體現(xiàn)在對井周應(yīng)力和弱面強度的影響。針對這一問題，國內(nèi)外許多學(xué)者經(jīng)過大量研究，重點研究弱面導(dǎo)致強度、彈性參數(shù)各向異性以及描述多物理場引起的力學(xué)效應(yīng)和對弱面強度的影響，弱面井壁失穩(wěn)問題仍不能得到有效解決。本文根據(jù)弱面數(shù)量，從單弱面和多弱面井壁穩(wěn)定模型對坍塌壓力預(yù)測方面對國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行闡述，為進(jìn)一步研究弱面井壁穩(wěn)定性提供參考。

1 單弱面井壁穩(wěn)定性研究進(jìn)展

國內(nèi)外許多科技工作者已經(jīng)在弱面對井壁穩(wěn)定性影響方面進(jìn)行了大量研究。最早在20 世紀(jì)80 年代末期[1]，在層理性頁巖鉆探中美國學(xué)者進(jìn)行了探索性研究。目前該問題研究從力學(xué)角度進(jìn)行研究較多且相對成熟，研究成果已得到廣泛應(yīng)用。但隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和井壁失穩(wěn)理論研究不斷進(jìn)步，由單純的力學(xué)分析逐漸發(fā)展到考慮地層流體、鉆井液、地層溫度等因素影響，已經(jīng)發(fā)展到以力學(xué)為基礎(chǔ)多物理場耦合的研究，圖1 給出了單弱面井壁穩(wěn)定性研究進(jìn)展概括。

圖1 單弱面井壁穩(wěn)定性研究進(jìn)展

1.1 力學(xué)單一因素

常規(guī)井壁穩(wěn)定模型適用于巖石強度各向同性求解，但弱面的存在導(dǎo)致巖石強度、彈性參數(shù)（彈性模量、泊松比）表現(xiàn)出各向異性，無法求解含弱面井壁穩(wěn)定性的問題。1988 年由AADNOY 提出含弱面井壁穩(wěn)定性求解方法，該方法主要依據(jù)彈性力學(xué)求解井壁主應(yīng)力和單弱面準(zhǔn)則[1]，通過判斷巖石和弱面發(fā)生破壞時對應(yīng)最小鉆井液壓力，取兩者的最大值作為最終坍塌壓力[2]。

之后國內(nèi)外學(xué)者在AADNOY 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，其中國內(nèi)學(xué)者劉海龍等[3]給出的模型最具代表性?？紤]彈性各向異性，根據(jù)橫觀向同性材料的本構(gòu)方程及邊界條件得出。研究表明，當(dāng)彈性各向異性逐漸增強時，對弱面法向應(yīng)力與切向應(yīng)力影響增大，從而巖石更容易沿弱面破壞導(dǎo)致坍塌壓力增大。在渤海油田層理頁巖易垮塌地層應(yīng)用該模型有效解決坍塌埋卡問題。但力學(xué)弱面井壁穩(wěn)定模型未考慮井周應(yīng)力的變化，尤其是對于滲透弱面井壁仍舊存在失穩(wěn)問題，因此還需要考慮滲流作用影響。

1.2 力學(xué)-滲流耦合作用

實踐表明在鉆井初期，對于部分井單純從力學(xué)角度能較好解決弱面井壁穩(wěn)定性問題。但井壁巖石力學(xué)性質(zhì)隨時間增長，鉆井液滲流作用導(dǎo)致井周應(yīng)力變化，含弱面井壁失穩(wěn)問題無法有效解決。

針對上述問題，CHEN等[4]首次依據(jù)多孔彈性力學(xué)給出在未考慮弱面影響的條件下滲流引起井周應(yīng)力求解方法。之后國內(nèi)學(xué)者梁利喜等[5]將該方法應(yīng)用于含弱面井壁穩(wěn)定性分析，建立力學(xué)-滲流耦合弱面井壁穩(wěn)定模型。研究表明考慮滲流作用后坍塌壓力增加7%；若再考慮弱面后坍塌壓力增幅最大可達(dá)23.6%；同時發(fā)現(xiàn)坍塌壓力隨鉆井時間增長而增大，最后趨于定值；并將該模型應(yīng)用于泥頁巖地層水平井坍塌壓力預(yù)測與現(xiàn)場實際誤差約為1.2%，能較好解決井壁坍塌失穩(wěn)問題。

但對于深井和超深井等高溫條件下，當(dāng)鉆井液滲入層理性地層，弱面對井壁穩(wěn)定性的影響不僅在于滲流作用，同時弱面與鉆井液產(chǎn)生化學(xué)作用對井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響亦不可忽略；另一方面溫度也會對井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

1.3 力學(xué)-滲流-溫度耦合作用

盡管巖石熱流固化全耦合研究較早[6]，但并未考慮弱面的影響。馬天壽等[7]首次將熱流固化全耦合與單弱面強度準(zhǔn)則相結(jié)合建立熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定模型，分析了溫度和滲流作用、弱面導(dǎo)致的彈性、強度各向異性對坍塌壓力的影響。研究表明，滲流作用和傳熱效應(yīng)導(dǎo)致井周應(yīng)力隨時間改變，從而井壁穩(wěn)定性也隨時間變化；在考慮到弱面的影響后坍塌壓力最大增幅可達(dá)44.8%。并使用四川長寧W201-H1 井水平井易坍塌井段數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，將鉆井液壓力提高43%后井壁坍塌問題有所減輕，表明該模型能解決高溫、滲流條件下層理性地層井壁失穩(wěn)問題。但由于該井使用的是油基鉆井液未考慮鉆井液的化學(xué)作用。在使用水基鉆井液時，該模型適用性受限，需要考慮化學(xué)作用對井壁穩(wěn)定性的影響。

1.4 力學(xué)-滲流-化學(xué)耦合作用

由于化學(xué)作用對井壁穩(wěn)定性的影響不可忽略，尤其是在含弱面層理性地層，鉆井后期更易產(chǎn)生井壁失穩(wěn)問題。針對該問題，CHEN等[8]、黃榮樽等[9]采取實驗研究在鉆井液中浸泡不同時間巖石力學(xué)性質(zhì)變化情況，發(fā)現(xiàn)在隨浸泡時間增長層理面強度先于巖石本體降低，導(dǎo)致巖石更容易沿弱面破壞，從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。曹文科等[10]依據(jù)實驗結(jié)果描述弱面強度隨含水量變化情況，建立力學(xué)-滲流-化學(xué)（流固化）耦合弱面井壁穩(wěn)定模型，研究滲流、化學(xué)作用下坍塌壓力隨時間變化規(guī)律，用以解決層理性地層鉆井后期井壁失穩(wěn)問題，研究表明坍塌壓力隨時間增加而增大且增幅逐漸變小，最大增幅達(dá)20.4%，但在計算滲流作用對井周應(yīng)力影響時，忽略了鉆井液與地層流體之間的溶質(zhì)濃度差。MA等[11]進(jìn)一步考慮兩者溶質(zhì)濃度差，提高了對井周圍巖應(yīng)力的求解精度，從而提高了坍塌壓力的預(yù)測精度。MA 等運用四川盆地X201-H1 井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計算，結(jié)果和實際情況吻合并提出鉆井液的使用在確保井壁力學(xué)穩(wěn)定性的同時，通過提高鉆井液封堵性與抑制性，嚴(yán)格控制鉆井液進(jìn)入弱面地層的方式，以減少鉆井液的侵入量，能夠預(yù)防井壁坍塌。該模型能分析層理性頁巖井壁化學(xué)失穩(wěn)機理和鉆井時間對坍塌壓力的影響規(guī)律，但是未考慮溫度的影響，在應(yīng)用于溫度較高深部層理性地層時會出現(xiàn)誤差。

1.5 力學(xué)-溫度-滲流-化學(xué)耦合作用

為解決深部層理性地層受溫度、滲流、化學(xué)綜合影響下的井壁失穩(wěn)問題，國內(nèi)外學(xué)者在此方面展開研究。EKBOTE等[12]給出了熱流固化全耦合控制方程，為熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定性分析奠定了基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，CHENG等[13]在考慮頁巖層理面強度隨著鉆井液浸泡時間變化基礎(chǔ)上，使用式（1）可求fw=1時弱面破壞對應(yīng)臨界鉆井液壓力，構(gòu)建熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定模型，用于預(yù)測深部層理性地層坍塌壓力，研究表明考慮弱面后坍塌壓力增加24.8%。并應(yīng)用于泌陽凹陷陸相頁巖井動態(tài)坍塌壓力預(yù)測[14]，在設(shè)計鉆井周期內(nèi)未發(fā)生井壁坍塌問題，能解決深部層理性地層井壁失穩(wěn)問題。

式中：fw-頁巖層理破壞指數(shù)；t-鉆井液浸泡時間；Cw（t）-頁巖層理在鉆井液浸泡t 時刻的黏聚力；φw（t）-頁巖層理在鉆井液浸泡t 時刻的內(nèi)摩擦角作用在層理上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。

實踐表明，熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定模型預(yù)測坍塌壓力精度較高，是目前單弱面井壁穩(wěn)定性影響因素考慮最全面的模型，但由于考慮到各物理場之間相互耦合，該模型的計算較為復(fù)雜，求解難度大，因此，理論研究較多，在現(xiàn)場應(yīng)用較少，而且該模型的研究大部分是基于材料彈性各向同性，在彈性各向異性較強地層還需要進(jìn)一步研究。

2 多弱面井壁穩(wěn)定性研究進(jìn)展

裂縫性地層井裂縫系統(tǒng)發(fā)育，導(dǎo)致巖石內(nèi)部產(chǎn)生了大量的弱面，尤其是硬脆性頁巖地層，除了層理弱面之外還包括構(gòu)造縫、成巖收縮微裂縫和有機質(zhì)演化異常壓力縫等，易形成多組弱面相交的情況，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)問題嚴(yán)重，單弱面井壁穩(wěn)定模型明顯不適用于該地層[15]。因此，多弱面下井壁穩(wěn)定性的研究顯得尤為重要。根據(jù)目前的研究可將其分為力學(xué)和化學(xué)作用下井壁穩(wěn)定模型。

2.1 力學(xué)單一因素

對于多弱面發(fā)育地層，僅將縫隙視為單弱面不能較好解決井壁坍塌問題。國內(nèi)學(xué)者劉志遠(yuǎn)等[16]2014 年首次建立多弱面井壁垮塌量模型，通過垮塌量反映井壁穩(wěn)定性情況。但坍塌量只能對井壁的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，無法用于坍塌壓力的求解。陳平等[15]、丁乙等[17]在單弱面研究基礎(chǔ)上，認(rèn)為多弱面巖石強度取決于強度最低的弱面，通過對不同產(chǎn)狀弱面的強度逐一校核，提出另外一種多弱面井壁穩(wěn)定模型，解決了垮塌量模型無法求解坍塌壓力的問題。經(jīng)計算分析，雙弱面井壁坍塌壓力計算結(jié)果比單弱面高18.7%，說明隨巖石中弱面數(shù)量的增加，井壁巖石更加容易沿弱面剪切破壞，導(dǎo)致坍塌壓力增大。并運用該模型對川南某頁巖地層坍塌壓力進(jìn)行預(yù)測，解決了該地層井壁失穩(wěn)問題。

多弱面井壁穩(wěn)定模型是單弱面井壁穩(wěn)定模型的拓展延伸，與單弱面相比，多弱面導(dǎo)致井壁巖石更容易沿弱面發(fā)生剪切破壞，井壁坍塌失穩(wěn)風(fēng)險增大，導(dǎo)致坍塌壓力增加。隨鉆井時間增長，受鉆井液化學(xué)作用，井壁還會進(jìn)一步發(fā)生失穩(wěn)。

2.2 力學(xué)-滲流-化學(xué)耦合作用

由于鉆井液沿層理面、縫隙侵入地層，導(dǎo)致井周應(yīng)力改變和弱面強度降低，從而導(dǎo)致最初坍塌壓力無法維持井壁穩(wěn)定。因此在鉆井初期，多弱面力學(xué)模型能較好解決井壁穩(wěn)定性問題，但隨鉆井時間增長，井壁會逐漸發(fā)生坍塌掉塊的現(xiàn)象。

針對此現(xiàn)象，LIANG等[18]于2014 年首次考慮多弱面強度隨鉆井液浸泡而降低，提出熱流固化全耦合多弱面井壁穩(wěn)定模型，研究鉆井液化學(xué)作用對多弱面井壁坍塌壓力的影響規(guī)律，但計算鉆井液滲流產(chǎn)生的附加應(yīng)力時忽略了地層孔隙壓力的變化。

MA等[19]、ZHAO等[20]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開研究，其中MA 等的研究較為全面，使用式（2）描述滲流作用和鉆井液與地層流體溶質(zhì)差導(dǎo)致的孔隙壓力變化，求取瞬態(tài)井周應(yīng)力。該模型重點研究了弱面數(shù)量、不同類型鉆井液浸泡時間對巖石強度、坍塌壓力的影響。

該模型在四川盆地南部頁巖地層的水平鉆井，較好解決了井壁坍塌問題。計算表明，隨含水量和弱面數(shù)量的增加，巖石強度由各向異性向各向同性轉(zhuǎn)變，而且強度大幅降低。相同情況下，雙弱面與單弱面坍塌壓力差值最大可達(dá)36.8%；在不同鉆井液中浸泡相同時間時，坍塌壓力在水基鉆井液中增幅最大可達(dá)16.3%，在油基鉆井液中最大降幅為5%。

式中：p-孔隙壓力，MPa；Cf-地層水壓縮系數(shù)；k1-水力擴散系數(shù)；k2-膜效率，%；Cs-溶質(zhì)濃度，mol/L；Deff-離子擴散系數(shù)；n-溶質(zhì)離子物質(zhì)的量，mol；R-普適氣體常數(shù)；T-溫度，℃。

3 發(fā)展與展望

目前，含弱面井壁穩(wěn)定性研究已經(jīng)從單弱面發(fā)展到多弱面研究，但仍缺乏進(jìn)一步實驗驗證弱面數(shù)量對巖石強度影響和多于三組弱面對坍塌壓力影響，且該耦合為單向耦合，也未考慮溫度影響。若解決弱面井壁失穩(wěn)問題，建議開展以下幾方面研究：

（1）在熱流固化全耦合單弱面模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮彈性參數(shù)各向異性對井壁穩(wěn)定性的影響；同時尋求該模型中井周應(yīng)力高效求解方法，有利于該模型的推廣應(yīng)用。

（2）采取相應(yīng)的實驗方法驗證弱面數(shù)量和鉆井液浸泡時間對巖石強度的影響，同時在弱面數(shù)量對坍塌壓力影響方面還需進(jìn)一步研究。

（3）考慮溫度的影響建立熱流固化全耦合多弱面井壁穩(wěn)定模型，并結(jié)合實際情況，修改和完善井壁穩(wěn)定模型。

4 結(jié)論

（1）弱面存在使巖石強度、彈性參數(shù)表現(xiàn)出各向異性是含弱面井壁失穩(wěn)的主要原因。依據(jù)線彈性力學(xué)發(fā)展起來的力學(xué)單弱面井壁穩(wěn)定模型能夠解決弱面地層鉆井初期井壁失穩(wěn)問題，并得到廣泛應(yīng)用。

（2）滲流、溫度、鉆井液化學(xué)作用是單弱面井壁延遲失穩(wěn)的主要原因。在孔隙彈性力學(xué)基礎(chǔ)上，根據(jù)不同影響因素可分為流固化耦合、熱流固化耦合、流固化耦合、熱流固化全耦合單弱面井壁穩(wěn)定模型，能解決單弱面井壁延遲失穩(wěn)問題，其中熱流固化全耦合單弱面井壁穩(wěn)定模型預(yù)測精度最高，但求解難度較大，大范圍應(yīng)用方面受到限制。

（3）多弱面井壁穩(wěn)定性研究可視為單弱面井壁穩(wěn)定性研究的拓展延伸，力學(xué)多弱面井壁穩(wěn)定模型能解決鉆井初期井壁失穩(wěn)問題，目前多弱面井壁穩(wěn)定性研究僅考慮力學(xué)、滲流和鉆井液化學(xué)作用的影響，能解決多弱面井壁延遲失穩(wěn)問題，但對井壁穩(wěn)定性影響因素考慮不全面，在多物理場耦合方面研究還有較大進(jìn)步空間。

（4）弱面井壁穩(wěn)定性的研究，建議以后研究方向為：尋求單弱面熱流固化全耦合模型高效解法和在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮彈性各向異性對井壁穩(wěn)定性的影響、采取實驗驗證弱面數(shù)量對巖石強度的影響、進(jìn)一步考慮溫度影響建立熱流固化全耦合多弱面井壁穩(wěn)定模型，并結(jié)合實際情況，修改和完善井壁穩(wěn)定模型，以減少鉆井周期，提高油氣資源開采效率。