龍章亮李 輝溫真桃曾賢薇

（1.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000；

2.中國(guó)石化西南油氣分公司頁(yè)巖氣項(xiàng)目部，四川 永川 402160；

3.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川 成都 610000；4.四川省煤田地質(zhì)局141地質(zhì)隊(duì)，四川 德陽(yáng) 618000）

WY構(gòu)造頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁坍塌周期預(yù)測(cè)

龍章亮1李 輝2溫真桃3曾賢薇4

（1.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000；

2.中國(guó)石化西南油氣分公司頁(yè)巖氣項(xiàng)目部，四川 永川 402160；

3.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川 成都 610000；4.四川省煤田地質(zhì)局141地質(zhì)隊(duì)，四川 德陽(yáng) 618000）

泥頁(yè)巖中含有水敏性黏土礦物，當(dāng)與鉆井液接觸時(shí)，泥頁(yè)巖與鉆井液相互作用，泥頁(yè)巖水化不僅改變了井眼周?chē)膽?yīng)力分布，使得泥頁(yè)巖地層的井壁失穩(wěn)問(wèn)題比常規(guī)恒定彈性參數(shù)的應(yīng)力失穩(wěn)問(wèn)題復(fù)雜得多，井壁坍塌周期預(yù)測(cè)更是難上加難。認(rèn)為若要預(yù)測(cè)井壁坍塌周期必須建立井壁穩(wěn)定性與鉆井液浸泡時(shí)間的定量關(guān)系，落腳點(diǎn)就在于巖石力學(xué)參數(shù)，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)建立巖石力學(xué)參數(shù)隨鉆井液浸泡時(shí)間的變化關(guān)系，建立坍塌壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)而得到垮塌寬度隨鉆井液浸泡時(shí)間的變化關(guān)系。認(rèn)為當(dāng)井壁垮塌寬度增加到不再明顯變化時(shí)為一個(gè)周期，這時(shí)井壁應(yīng)力重新達(dá)到平衡。從結(jié)果出發(fā)，避免了復(fù)雜的力學(xué)—化學(xué)耦合過(guò)程，從而達(dá)到能較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井壁坍塌周期的目的。

頁(yè)巖儲(chǔ)層 井壁穩(wěn)定性 垮塌寬度 坍塌周期

0 引言

泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)問(wèn)題一直是鉆井工程中一個(gè)復(fù)雜且?guī)в惺澜缧缘碾y題。泥頁(yè)巖中含有水敏性黏土礦物，當(dāng)與鉆井液接觸時(shí)，泥頁(yè)巖與鉆井液相互作用，泥頁(yè)巖水化不僅改變了井眼周?chē)膽?yīng)力分布，而且，由于吸水使得泥頁(yè)巖的性能參數(shù)也發(fā)生了變化，可能造成巖石強(qiáng)度降低，彈性模量減小，泊松比增大等，使得泥頁(yè)巖地層的井壁失穩(wěn)問(wèn)題比常規(guī)恒定彈性參數(shù)的應(yīng)力失穩(wěn)問(wèn)題復(fù)雜得多［1］。針對(duì)這一問(wèn)題出現(xiàn)了很多不同的理論模型，力學(xué)研究逐漸由彈性力學(xué)分析向力學(xué)—化學(xué)耦合研究發(fā)展，由于泥頁(yè)巖多場(chǎng)耦合的復(fù)雜性，模型中的很多參數(shù)很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，嚴(yán)重影響了模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和模型的實(shí)用性［2］。

從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)建立巖石力學(xué)參數(shù)隨鉆井液浸泡時(shí)間的定量關(guān)系，通過(guò)GMI地應(yīng)力分析軟件平臺(tái)，獲得巖石力學(xué)—坍塌壓力—坍塌寬度隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系，直接從結(jié)果出發(fā)，避免了復(fù)雜的力學(xué)—化學(xué)耦合過(guò)程，認(rèn)為當(dāng)井壁坍塌寬度增加到不再明顯變化時(shí)為一個(gè)周期，這時(shí)井壁應(yīng)力重新達(dá)到平衡，這個(gè)時(shí)間周期即為井壁坍塌周期。下面則以WY地區(qū)為例，闡述逐步獲得工區(qū)井壁坍塌周期的過(guò)程。

1 巖石力學(xué)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 巖石力學(xué)隨浸泡時(shí)間變化關(guān)系

根據(jù)WY地區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，地層巖石抗壓強(qiáng)度和泊松比受鉆井液水化作用明顯，彈性模量受浸泡時(shí)間影響不明顯。

圖1 抗壓強(qiáng)度及泊松比隨浸泡時(shí)間變化示意圖

取心實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在未浸泡鉆井液時(shí)，巖心單軸抗壓強(qiáng)度均值為36.8 MPa，浸泡鉆井液1～10 d后，巖石抗壓強(qiáng)度均值為18.3～26.5 MPa不等，且在第1 d浸泡之后抗壓強(qiáng)度降低最為明顯，降低了1/4～1/3，隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)度降低趨勢(shì)逐漸減緩，鉆井液浸泡10 d后，巖石抗壓強(qiáng)度僅為之前強(qiáng)度的一半。水化之后巖石強(qiáng)度的變化，將較大地改變地層的井壁穩(wěn)定性特征。

取心實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在未浸泡鉆井液時(shí)，巖心泊松比均值為0.141 MPa，浸泡鉆井液1～10 d后，巖石泊松比均值為0.156～0.413 MPa不等，隨著時(shí)間的推移，泊松比增加趨勢(shì)逐漸增加，鉆井液浸泡10 d后，巖石泊松比變?yōu)橹暗?倍。水化之后巖石泊松比的變化，也將較大地改變地層的井壁穩(wěn)定性特征［3］。

1.2 巖石力學(xué)隨圍壓變化關(guān)系

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的巖石力學(xué)參數(shù)值是在地面條件下獲得的，要得到地層條件下巖石力學(xué)參數(shù)值就必須建立巖石力學(xué)參數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律（忽略溫度影響）。

根據(jù)取心實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（圖2），隨著圍壓逐漸增加，彈性模量、抗壓強(qiáng)度隨著圍壓增加，泊松比隨著圍壓增加逐漸減小，且隨著圍壓變化擬合關(guān)系精度高，變化趨勢(shì)明顯。

圖2 抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨圍壓變化擬合圖

1.3 二元擬合關(guān)系及校正

巖石力學(xué)參數(shù)之間有一定的關(guān)系，其余巖石力學(xué)參數(shù)（抗張強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等）均可根據(jù)已知的巖石彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度及中間參數(shù)（縱橫波時(shí)差、巖石密度、泥質(zhì)含量等）進(jìn)行求取換算［4］。因此，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)成果，即可模擬地層條件下巖石力學(xué)參數(shù)隨鉆井液浸泡時(shí)間的變化而變化的擬合關(guān)系式，由此通過(guò)二元回歸擬合得到巖石力學(xué)參數(shù)隨鉆井液浸泡時(shí)間（t）和圍壓（Pc）的變化關(guān)系：

式中，Pc為圍壓，MPa；t為時(shí)間，d；E為彈性模量，GPa；Sc為抗壓強(qiáng)度，MPa；泊松比，無(wú)量綱。

根據(jù)以上擬合關(guān)系式，求得抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值，將之與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度對(duì)比顯示，抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)關(guān)系明顯，精度在80%以上。

根據(jù)以上擬合關(guān)系式，求得抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值，將之與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度對(duì)比顯示，抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)關(guān)系明顯，精度在80%以上。

2 井壁坍塌周期預(yù)測(cè)

2.1 坍塌壓力隨鉆井液浸泡時(shí)間變化

根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)隨鉆井液浸泡時(shí)間和圍壓的變化關(guān)系，將不同時(shí)間的參數(shù)代入GMI軟件分別計(jì)算，即可得到坍塌壓力隨鉆井液浸泡時(shí)間的變化規(guī)律［5］。分別計(jì)算并建立了鉆井液浸泡0 d、1～10 d后的坍塌壓力剖面。圖3為WY構(gòu)造地層坍塌壓力隨鉆井液浸泡時(shí)間變化剖面圖，紅色曲線表示地層坍塌壓力梯度（單位：SG，即g/cm3，由于1 MPa/100 m在數(shù)值上約等于1 g/cm3，因此壓力梯度和鉆井液密度統(tǒng)一用SG表示），藍(lán)色為地層孔隙壓力梯度，紫色為地層破裂壓力梯度；綠色窗口為理論安全鉆井液密度范圍，安全鉆井液密度上限為破裂壓力梯度值（防止密度過(guò)高壓破地層），下限為坍塌壓力梯度值或地層孔隙壓力梯度值（近平衡鉆井安全密度下限高于地層壓力梯度值［6］，欠平衡鉆井安全密度下限低于地層壓力梯度值，并保證安全密度下限總體高于地層坍塌壓力梯度值，防止井壁失穩(wěn)嚴(yán)重影響鉆井安全）。

2.2 坍塌寬度隨鉆井液浸泡時(shí)間變化

根據(jù)坍塌壓力變化，分別進(jìn)行了鉆井液浸泡0 d、1～10 d后的井壁坍塌寬度分析，明確了浸泡后不同時(shí)間關(guān)系下的垮塌寬度變化規(guī)律。見(jiàn)圖4將井筒360°展開(kāi)，紅色區(qū)域表示井筒的垮塌區(qū)域，由圖中可以看出，未浸泡鉆井液時(shí)，地層坍塌壓力較低，以地層壓力為下限的近平衡鉆井能夠保證安全鉆井，根據(jù)模擬情況，當(dāng)浸泡1 d后，龍馬溪組上部地層坍塌壓力升高，上部地層垮塌寬度增加，隨著浸泡時(shí)間的推移，當(dāng)浸泡5 d后，可以明顯看到坍塌壓力總體升高，以地層壓力為下限的近平衡鉆井已經(jīng)不能保證安全鉆井，地層總體開(kāi)始垮塌，垮塌寬度接近90°，當(dāng)浸泡10 d后，龍馬溪組地層井壁垮塌寬度與浸泡5 d后的情況無(wú)明顯區(qū)別，認(rèn)為地層應(yīng)力重新接近平衡狀態(tài)。

2.3 WY構(gòu)造頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁坍塌周期預(yù)測(cè)

WY工區(qū)從鉆井開(kāi)始鉆井液浸泡井壁會(huì)逐漸降低表面巖石強(qiáng)度，井壁應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)浸泡5 d左右的某個(gè)時(shí)間井壁應(yīng)力開(kāi)始釋放，井壁垮塌寬度明顯增加，然后井壁應(yīng)力重新接近平衡狀態(tài)。由此認(rèn)為，WY工區(qū)井壁垮塌周期在5 d左右。

圖3 WY構(gòu)造地層坍塌壓力隨鉆井液浸泡時(shí)間變化剖面圖

圖4 WY構(gòu)造坍塌寬度隨鉆井液浸泡時(shí)間變化剖面圖

3 應(yīng)用方向

WY構(gòu)造現(xiàn)階段處于勘探階段，工區(qū)僅有1口探井WY1井。目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣鉆井技術(shù)面臨的難題主要為長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性問(wèn)題以及“井工廠”模式下的鉆井提速問(wèn)題。油基鉆井液可以使井壁垮塌問(wèn)題得到解決，但是費(fèi)用、固井質(zhì)量以及環(huán)保所面臨的問(wèn)題也相當(dāng)突出。使用水基鉆井液以及欠平衡鉆井技術(shù)應(yīng)該是頁(yè)巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向［7］。

3.1 水基鉆井液鉆進(jìn)

根據(jù)WY1井黏土礦物分析、電鏡掃描、陽(yáng)離子交換及線性膨脹等實(shí)驗(yàn)可以得出：蒙脫石含量低、陽(yáng)離子交換量低、水化膨脹性弱。

1）黏土礦物分析。黏土礦物成分主要以伊利石為主，平均相對(duì)含量為67.23%；綠泥石為輔，平均相對(duì)含量為22.68%，其間層比較低；次為伊/蒙間層，平均相對(duì)含量為10.10%，間層比為10%，不含高嶺石。

2）電鏡掃描。伊蒙混層中蒙脫石含量低，泥質(zhì)多于片狀蒙脫石，反映頁(yè)巖水化影響不強(qiáng)。

3）陽(yáng)離子交換。頁(yè)巖陽(yáng)離子交換容量在2～4.5 mmol/100 g，屬于低CEC值，表明頁(yè)巖吸附保水能力較弱。

4）線性膨脹。隨著時(shí)間的推移巖心緩慢膨脹，整體膨脹量不高。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)可以得出，WY工區(qū)頁(yè)巖水化作用不強(qiáng)，且根據(jù)井壁坍塌周期研究認(rèn)為WY工區(qū)井壁垮塌周期在5 d左右，因此，若鉆開(kāi)易塌層段前期注意防塌工藝，待5 d左右井壁應(yīng)力平衡后，從工程地質(zhì)角度講，使用水基鉆井液是可行的。

3.2 欠平衡鉆井提速

在地質(zhì)力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力不變的情況下，井眼形狀只與鉆井液密度有關(guān)［8］，也就是說(shuō)，如果要進(jìn)行欠平衡鉆井，降低鉆井液密度就要允許井壁有一定的垮塌，但是垮塌不能影響安全鉆井，利用GMI軟件模擬了全井筒方位的安全鉆井極限坍塌壓力分布圖（圖5），根據(jù)圖5所示，不同方位水平段坍塌壓力在1.72～1.89 SG不等，在相對(duì)方位角40°～50°、130°～150°方向坍塌壓力最小為1.72 SG。如果要進(jìn)行長(zhǎng)水平段欠平衡鉆井，應(yīng)優(yōu)先選擇40°～50°、130°～140°方向。

圖5 不同方位、不同井斜角坍塌壓力變化圖

由此，模擬了在相對(duì)方位角45°方向不同井斜的坍塌壓力變化曲線，曲線顯示井斜從0°～60°坍塌壓力逐漸增大，最大到1.83 SG，60°～90°坍塌壓力逐漸減小，水平段最小在1.74 SG左右，根據(jù)工區(qū)目的層地層孔隙壓力梯度（1.92 MPa/100 m左右），WY地區(qū)目的層水平段有0.2 g/cm3左右的欠壓值。若采用三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，第二次開(kāi)鉆封住60°井斜上部地層且第三次開(kāi)鉆水平段鉆進(jìn)方位為相對(duì)方位角45°方向，水平段井壁穩(wěn)定性相對(duì)良好，液體欠平衡鉆井可行。

4 結(jié)論

頁(yè)巖儲(chǔ)層的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，它涉及到力學(xué)，化學(xué)、熱力學(xué)和電化學(xué)等眾多領(lǐng)域，筆者未能全面開(kāi)展研究，只是從生產(chǎn)角度進(jìn)行了初步分析。WY構(gòu)造目前只有1口探井，面臨著大規(guī)模開(kāi)發(fā)的需求，坍塌周期的計(jì)算對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)鉆井有著十分重要的意義，特別是“井工廠”開(kāi)發(fā)模式，考慮因素和研究方法應(yīng)該進(jìn)一步增加和優(yōu)化。筆者從生產(chǎn)出發(fā)，避免了復(fù)雜的力學(xué)—化學(xué)耦合過(guò)程，從而達(dá)到能夠較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井壁坍塌周期的目的，為工程工藝對(duì)策提供了理論依據(jù)。

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（編輯：李臻）

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2095-1132（2016）05-0032-04

10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 05. 008

修訂回稿日期：2016-08-06

龍章亮（1983-），工程師，從事油氣田工程地質(zhì)方面的研究工作。E-mail：76415750@qq.com。