丁 乙 劉向君 羅平亞 梁利喜

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

北部灣盆地流沙港組屬于典型的硬脆性泥頁巖地層，巖石弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且具有一定水化特性，從而導(dǎo)致其鉆井過程中穩(wěn)定井壁難度較大[1]。長期以來，北部灣盆地流沙港組鉆井過程中井眼垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重，井下復(fù)雜狀況頻發(fā)，使得鉆井周期長、效率低、成本高，成為了制約油田勘探開發(fā)的主要技術(shù)瓶頸之一[2-3]。

針對(duì)硬脆性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。Jaeger[4]首先提出了單一弱面準(zhǔn)則；Okland 等[5]、劉向君 等[6]、金衍 等[7]研究了地層弱面對(duì)井壁穩(wěn)定性影響；盧運(yùn)虎 等[8]則借助斷裂力學(xué)和界面化學(xué)理論，建立了介質(zhì)潤濕特性控制的裂縫擴(kuò)展模型，提出了基于潤濕理論的頁巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法；馬天壽 等[9]則通過CT掃描技術(shù)，提出了頁巖水化細(xì)觀損傷特性定量評(píng)價(jià)方法。但是，以上研究對(duì)硬脆性頁巖地層力學(xué)和化學(xué)共同影響因素下坍塌壓力分布規(guī)律的分析還不夠深入，而且有研究表明硬脆性頁巖水化膨脹能力遠(yuǎn)不如膨脹性泥頁巖，其主要失穩(wěn)因素在于層理弱面[10-11]，尤其在與鉆井液接觸后，弱面強(qiáng)度降低，對(duì)于井壁穩(wěn)定性影響更為嚴(yán)重。同時(shí)，不同體系鉆井液與頁巖地層巖石作用后產(chǎn)生的毛細(xì)管力、界面張力和水化應(yīng)力等不同，造成弱面水化和微裂縫擴(kuò)展情況不同，從而對(duì)巖石強(qiáng)度影響也有區(qū)別[12-13]。因此，本文考慮層理弱面和不同流體作用，建立了力化耦合井壁穩(wěn)定分析模型，對(duì)不同井斜角、方位角、層理產(chǎn)狀以及鉆井時(shí)間后的坍塌壓力分布進(jìn)行研究，從而為實(shí)際頁巖地層鉆井工程提供一定指導(dǎo)建議。

1 頁巖組成及理化特性分析

以北部灣盆地流沙港組頁巖地層巖石為研究樣本，其脆性礦物含量(石英、長石和方解石等)約45.4%，黏土含量約50.2%；黏土含量分析顯示幾乎不含蒙脫石，伊蒙混層相對(duì)含量9.5%左右；室內(nèi)陽離子交換容量實(shí)驗(yàn)顯示該地層頁巖陽離子交換容量(CEC)分布在85～120 mmol/kg。從礦物組分上分析，該地區(qū)頁巖主要以脆性礦物和黏土為主，雖然黏土含量不低，但水化膨脹性礦物含量較少，其CEC值相比傳統(tǒng)水化膨脹性泥頁巖要小。由此可知，該地區(qū)硬脆性泥頁巖具有一定脆性和水化特性，但水化性能并不如傳統(tǒng)膨脹性泥頁巖。

從頁巖結(jié)構(gòu)上分析，北部灣盆地流沙港組巖石表觀結(jié)構(gòu)顯示頁巖發(fā)育明顯平行層理面(圖1a)，電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)顯示頁巖發(fā)育微裂縫和孔隙(圖1b)；層理弱面存在使得巖樣呈橫觀各向同性特征，巖體易沿著層理面剪切破壞，且層理多為相對(duì)高滲面[14]，鉆井液易沿層理面侵入，增大井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 北部灣盆地流沙港組頁巖結(jié)構(gòu)Fig .1 Structure of shale from Liushagang Formation in Beibuwan basin

2 井壁穩(wěn)定力化耦合模型的建立

2.1 井周應(yīng)力分析

假設(shè)地層為線彈性多孔介質(zhì)，井壁圍巖處于平面應(yīng)變狀態(tài)。井周應(yīng)力受層理產(chǎn)狀、井眼軌跡和地應(yīng)力共同控制。地應(yīng)力采用3向主應(yīng)力σv、σH、σh描述。對(duì)于任意井眼軌跡，采用井斜角β和井眼方位角α描述，而層理產(chǎn)狀則采用層理傾向β1和層理走向α1描述。地應(yīng)力坐標(biāo)系、井眼坐標(biāo)系和層理坐標(biāo)系如圖2所示。

在原始地應(yīng)力情況下，地應(yīng)力σ為

(1)

在原始地應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行井眼轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到地應(yīng)力坐標(biāo)系和井眼坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣L為

圖2 井周應(yīng)力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意Fig .2 Coordinate conversion of stress in borehole wall

(2)

由以上應(yīng)力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到斜井井周應(yīng)力分布為

(3)

其中

=LσLT

(4)

(5)

式(1)～(5)中：σH、σh、σv分別為最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力、垂向地應(yīng)力，MPa；σr、σθ、σz分別為柱坐標(biāo)系下徑向、周向、軸向正應(yīng)力，MPa；σθz、σrθ、σrz分布為柱坐標(biāo)下θz、rθ、rz平面切應(yīng)力，MPa；σxx、σyy、σzz分別為直角坐標(biāo)下X、Y、Z軸方向上地應(yīng)力分量，MPa；σxy(σyx)、σxz(σzx)、σyz(σzy)分別為直角坐標(biāo)系下XY(YX)、XZ(ZX)、YZ(ZY)平面上地應(yīng)力分量，MPa；θ為井周角，(°)；v為泊松比；pi為液柱壓力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；Ba為Biot系數(shù)；φ為孔隙度，%；δ為井壁滲透系數(shù)。

在獲得井周應(yīng)力分布基礎(chǔ)上，求取斜井坐標(biāo)系下井壁任意位置處主應(yīng)力為

(6)

式(6)中：σi、σj、σk分別為井壁i、j、k等3個(gè)方向主應(yīng)力，MPa。

最大主應(yīng)力(σ1)的作用面與z軸的夾角γ為

(7)

σ1與弱面法向的夾角ξ為

(8)

式(8)中：n為弱面法向的方向矢量；N為井壁最大主應(yīng)力σ1的方向矢量。n可通過弱面傾角和走向表示為

n=isinα1cosβ1+jsinα1sinβ1+kcosα1

(9)

N則通過井周角、井斜角、方位角以及最大主應(yīng)力與Z軸夾角一起控制，其表達(dá)式為

N=ib1+jb2+kb3

(10)

[b1b2b3]=[sinθ-cosθcosγ]·L

(11)

2.2 頁巖水化作用分析

根據(jù)巖石組成及理化特性分析結(jié)果，硬脆性頁巖具有一定水化能力，與鉆井液作用后巖石強(qiáng)度必然受到影響。同時(shí)由于發(fā)育一定層理，層理結(jié)構(gòu)面與巖石基體力學(xué)特性差異較為明顯，與鉆井液相互作用程度也會(huì)有所區(qū)別。基于此，通過該地區(qū)現(xiàn)用鉆井液體系浸泡后，采用沿層理面與垂直于層理面的剪切試驗(yàn)分別獲取層理面與巖石基體力學(xué)參數(shù)。作為對(duì)照組，以清水開展上述相應(yīng)試驗(yàn)，從而得到鉆井液與清水作用下頁巖基體與層理面力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3、4所示。對(duì)圖3、4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：在原狀地層條件下，層理力學(xué)參數(shù)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)明顯小于巖石基體，體現(xiàn)出其弱結(jié)構(gòu)面特征；鉆井液作用初期(2 d)巖石基體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為0.9 MPa和0.6°，層理面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為1.0 MPa和0.8°；鉆井液作用后期(8 d)巖石基體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為2.6 MPa和2.9°，層理面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降幅值約為4.8 MPa和5.9°。可見在鉆井液作用下層理面力學(xué)參數(shù)下降幅度明顯大于基體，從而說明層理對(duì)流體更為敏感；對(duì)比鉆井液與清水作用下的巖石力學(xué)參數(shù)變化可知，整體力學(xué)參數(shù)下降趨勢(shì)一致，均在前期下降較為明顯，6 d后趨于穩(wěn)定，而清水作用后巖石力學(xué)參數(shù)整體下降幅度明顯大于受鉆井液作用后，可見硬脆性頁巖對(duì)水依然較為敏感，鉆井液的抑制性對(duì)保持硬脆性頁巖穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖3 巖石基體力學(xué)參數(shù)與鉆井液浸泡時(shí)間關(guān)系曲線Fig .3 Relation curves between matrix mechanical parameter and immersing time

圖4 巖石層理面力學(xué)參數(shù)與鉆井液浸泡時(shí)間關(guān)系曲線Fig .4 Relation curves between bedding plane mechanical parameter and immersing time

2.3 頁巖破壞準(zhǔn)則的構(gòu)建

層理性頁巖地層最大特點(diǎn)是其發(fā)育平行弱面結(jié)構(gòu)，可采用單一弱面準(zhǔn)則進(jìn)行巖石破壞判斷，且層理性巖石破壞可分為基體破壞和沿層理面破壞2種形式。當(dāng)巖體發(fā)生基體破壞時(shí)，反映的是巖石本體強(qiáng)度，該強(qiáng)度為

(12)

其中

(13)

式(12)、(13)中：ζ0為破壞面與σ1的夾角，(°)；C0為基體內(nèi)聚力，MPa；φ0為基體內(nèi)摩擦角，(°)。

當(dāng)巖體沿著層理面破壞時(shí)，反映的是巖石層理面的強(qiáng)度，該強(qiáng)度為

(14)

式(14)中：ζ為最大主應(yīng)力σ1與弱面法向的夾角，(°)；Cw為弱面內(nèi)聚力，MPa；φw為弱面內(nèi)摩擦角，(°)。

基于井周應(yīng)力分析，綜合頁巖水化作用下強(qiáng)度變化規(guī)律及所構(gòu)建的頁巖破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則，最終形成井壁穩(wěn)定力化耦合模型，從而為該類地層進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析提供參考依據(jù)。

3 實(shí)例驗(yàn)證及井壁穩(wěn)定影響因素分析

3.1 實(shí)例驗(yàn)證

北部灣盆地X井流沙港組深度2 451 m處井斜角約為24°，水平段方位角約為310°。地質(zhì)資料顯示該頁巖地層層理傾角約30°，走向與水平最大主應(yīng)力夾角約為40°。根據(jù)層理分布特征，得到2 451 m深度處坍塌壓力分布如圖5所示?；谠撎鷫毫Ψ植?，選取3個(gè)井眼軌跡進(jìn)行分析，其中井眼軌跡1和2分別為坍塌壓力當(dāng)量密度數(shù)值最高和最低位置，即該地層鉆井最危險(xiǎn)區(qū)域和最穩(wěn)定區(qū)域；井眼軌跡3為X井實(shí)際井眼軌跡。

圖5 北部灣盆地X井流沙港組坍塌壓力分布預(yù)測(cè)結(jié)果Fig .5 Distribution of collapse pressure prediction of Liushagang Formation in Well X，Beibuwan basin

采用不同的井壁穩(wěn)定模型，分析得到了3種井眼軌跡條件下不同鉆井時(shí)間下的坍塌壓力變化，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：隨著鉆井時(shí)間增加，坍塌壓力當(dāng)量密度整體上升，尤其在不穩(wěn)定井眼軌跡1條件下，坍塌壓力上升最為明顯，后期穩(wěn)定井壁難度較大。同時(shí)注意到，在井眼軌跡1條件下，常規(guī)均質(zhì)模型與本文力化耦合模型的差異較大。而在井眼軌跡2條件下，即較為穩(wěn)定方位時(shí)，坍塌壓力數(shù)值較小，且兩個(gè)模型差異相對(duì)較小。由此可見，井眼軌跡的選擇對(duì)鉆井過程中穩(wěn)定井眼至關(guān)重要。在實(shí)際井眼軌跡3條件下，采用常規(guī)均質(zhì)模型計(jì)算的初始坍塌壓力當(dāng)量密度為0.95 g/cm3，隨著鉆井時(shí)間增加，8 d后達(dá)到1.18 g/cm3。

圖6 北部灣盆地流沙港組X井不同井眼軌跡下的坍塌 壓力隨鉆井時(shí)間變化Fig .6 Collapse pressure with drilling time in different well trajectories of Well X in Liushagang Formation,Beibuwan basin

本文力化耦合模型分析結(jié)果顯示，初始坍塌壓力當(dāng)量密度為1.09 g/cm3，在鉆井后期坍塌壓力達(dá)到穩(wěn)定，為1.25 g/cm3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，該井開始使用鉆井液密度1.11 g/cm3，鉆井期間井壁垮塌嚴(yán)重，逐步提升到約1.24 g/cm3后井下復(fù)雜情況減少，從而達(dá)到安全鉆進(jìn)。由此可見，該井實(shí)際鉆井液密度使用情況與力化耦合模型計(jì)算結(jié)果基本吻合，證明了本文所構(gòu)建的力化耦合模型在該類地層的適用性。同時(shí)，針對(duì)硬脆性頁巖地層，水化與層理弱面都對(duì)坍塌壓力有顯著影響，綜合考慮兩者作用機(jī)制后的耦合模型能夠更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液密度的設(shè)計(jì)與使用。

3.2 井壁穩(wěn)定影響因素分析

基于本文所構(gòu)建的井壁穩(wěn)定力化耦合模型，對(duì)X井地層井壁穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析。地層參數(shù)為：井深2 240 m，最大水平地應(yīng)力77.1 MPa，最小水平地應(yīng)力56.7 MPa，垂向地應(yīng)力66.5 MPa，孔隙壓力為24.6 MPa，泊松比為0.24，孔隙度為7.8%。力學(xué)參數(shù)采用室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

1) 層理面影響。

層狀頁巖發(fā)育大量平行層理結(jié)構(gòu)面。對(duì)比有無層理面X 井地層的坍塌壓力分布，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：在考慮層理面破壞后，整體坍塌壓力上升。只考慮巖石基體破壞時(shí)，坍塌壓力主要分布在0.90～1.10 g/cm3；而當(dāng)考慮弱面后，坍塌壓力分布范圍增加到0.95～1.20 g/cm3，增幅為0.05～0.10 g/cm3。由此可見，層理面的存在會(huì)極大增加井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)巖石力學(xué)參數(shù)一定時(shí)，地層中發(fā)育不同產(chǎn)狀層理面時(shí)會(huì)對(duì)坍塌壓力分布產(chǎn)生重要影響。不同層理面傾角和走向下X井地層坍塌壓力分布如圖8所示。從圖8可以看出：當(dāng)?shù)貙哟嬖趯永砻鏁r(shí)，坍塌壓力分布與層理面產(chǎn)狀密切相關(guān)；隨著層理產(chǎn)狀變化，易坍塌區(qū)域(紅色)和穩(wěn)定區(qū)域(藍(lán)黑色)出現(xiàn)位置也相應(yīng)改變，在一定方位角下不再是單純的隨井斜角單調(diào)變化，坍塌壓力分布更加復(fù)雜。

圖7 北部灣盆地流沙港組X井有無層理面地層的坍塌壓力分布Fig .7 Distribution of collapse pressure with and without bedding plane of Well X in Liushagang Formation，Beibuwan basin

圖8 北部灣盆地流沙港組X井坍塌壓力隨層理產(chǎn)狀分布Fig .8 Distribution of collapse pressure with different occurrence of bedding plane of Well X in Liushagang Formation, Beibuwan basin

2)流體作用影響。

根據(jù)室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，在層理產(chǎn)狀一定條件下，對(duì)比清水和鉆井液作用下X井地層坍塌壓力分布結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出：隨著浸泡時(shí)間增加，巖石力學(xué)強(qiáng)度降低情況下坍塌壓力也逐漸上升；原巖情況下坍塌壓力當(dāng)量密度數(shù)值分布在0.85～1.18 g/cm3;在鉆井液作用下,坍塌壓力上升，8 d后坍塌壓力當(dāng)量密度分布在0.97～1.32 g/cm3；而在清水作用下，8 d后坍塌壓力上升至1.05～1.43 g/cm3。整體上看，清水浸泡后，坍塌壓力上升幅度明顯增大，影響更為顯著。

圖9 不同流體作用下北部灣盆地流沙港組X井坍塌壓力分布Fig .9 Distribution of collapse pressure with different fluid influence of Well X in Liushagang Formation，Beibuwan basin

4 結(jié)論

1) 室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到了北部灣盆地流沙港組硬脆性頁巖基體和層理面的水化力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明該地層頁巖層理面具有明顯弱面水化力學(xué)特性：在浸泡鉆井液與清水后，巖石力學(xué)強(qiáng)度在初期迅速下降后才趨于穩(wěn)定，層理面力學(xué)參數(shù)下降更為明顯，對(duì)流體表現(xiàn)出更強(qiáng)敏感性，而流體作用進(jìn)一步加強(qiáng)了頁巖弱面特性。

2) 基于頁巖水化力學(xué)特性分析，結(jié)合井周應(yīng)力分析、頁巖破壞準(zhǔn)則的構(gòu)建，建立了井壁穩(wěn)定力化耦合模型，實(shí)例分析表明本文所建立的力化耦合模型與實(shí)際情況較為為吻合，能更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地層坍塌壓力，從而利于井壁穩(wěn)定分析。

3) 井壁穩(wěn)定影響因素分析表明，層理面的存在會(huì)極大增加井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn)，清水較鉆井液更容易使坍塌壓力上升。

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