馬天壽 向國富 林兆勇 楊博仲 陳穎杰

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司培訓(xùn)中心專業(yè)實訓(xùn)部

3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 4.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部

0 引言

湖相頁巖是我國頁巖油氣勘探的重點(diǎn)方向，四川盆地廣泛分布的湖相頁巖已經(jīng)成為我國頁巖油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域和對象，區(qū)域內(nèi)侏羅系沙溪廟組、涼高山組（千佛崖組）、自流井組的大安寨段、東岳廟段均為頁巖油氣的有利賦存單元[1-2]。近年來，中石化和中石油相繼開展了四川盆地湖相頁巖油氣風(fēng)險勘探工作，2012年，中石化在四川盆地復(fù)興地區(qū)侏羅系千佛崖組頁巖油氣地層部署了YYHF-1井[3-4]；2019年，中石油在川中地區(qū)大安寨段頁巖油氣有利區(qū)部署實施了N2H井，此后又相繼實施了仁安1井和龍安1井；2021年，中石化又在四川盆地涪陵地區(qū)涼高山組實施了泰頁1井[5]。頁巖油氣風(fēng)險勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四川盆地侏羅系湖相頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高、孔隙度高、有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度高、氣油比高、層理發(fā)育、埋藏深度適中、優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大、有利區(qū)面積大，油氣勘探開發(fā)潛力巨大[1-2]，然而，頁巖水平井鉆井井壁失穩(wěn)風(fēng)險高，容易發(fā)生井壁垮塌和埋鉆事故，制約了水平井鉆井提速提效和安全鉆井。例如，N2H井鉆進(jìn)至井深2 991.49 m（水平段241.49 m）時，發(fā)生井壁垮塌和卡鉆事故，被迫回填側(cè)鉆，回填側(cè)鉆后鉆進(jìn)至井深3 760 m時，考慮到水平段垮塌卡鉆的風(fēng)險較高，被迫提前完鉆，水平段長度為1 009 m，未能鉆達(dá)設(shè)計水平段1 500 m。

事實上，頁巖地層井壁穩(wěn)定問題一直都是石油工程巖石力學(xué)研究的難點(diǎn)和焦點(diǎn)[6]，研究主要集中于彈性各向異性、強(qiáng)度各向異性、力學(xué)—化學(xué)耦合等因素對井壁穩(wěn)定的影響[7-14]。在彈性各向異性方面，Aadony等[15]基于各向異性介質(zhì)彈性力學(xué)理論，建立了各向異性地層中斜井井周應(yīng)力分布模型，研究了地層彈性各向異性對井壁穩(wěn)定的影響；之后Ong等[16]、盧運(yùn)虎等[17]、馬天壽等[18]也采用類似方法研究了各向異性地層井壁穩(wěn)定問題，研究發(fā)現(xiàn)彈性各向異性對井壁坍塌壓力的影響較小，對于破裂壓力的影響相對較大。在強(qiáng)度各向異性方面，金衍等[19]、劉向君等[20]、陳平等[21-22]采用單弱面強(qiáng)度理論研究了弱面對井壁穩(wěn)定的影響；隨后，馬天壽等[23-24]、劉志遠(yuǎn)等[25]進(jìn)一步研究了弱面強(qiáng)度參數(shù)劣化及力學(xué)—化學(xué)耦合對井壁穩(wěn)定的影響。在力學(xué)—化學(xué)耦合方面，Yu、Chen、陳勉、程遠(yuǎn)方等[6,26-28]研究了力學(xué)—化學(xué)耦合對井壁穩(wěn)定的影響，隨后，Ma、Wen等[29-32]綜合考慮力學(xué)—化學(xué)耦合和強(qiáng)度各向異性，研究了頁巖和泥頁巖地層定向井和水平井井壁穩(wěn)定問題。此外，針對頁巖油地層巖石力學(xué)及井壁穩(wěn)定問題，陶光輝等[33-37]開展了頁巖油地層巖石力學(xué)實驗、井壁穩(wěn)定機(jī)理測試、鉆井液性能優(yōu)化和井壁穩(wěn)定規(guī)律分析。由此可見，國內(nèi)外學(xué)者針對泥巖或頁巖氣地層井壁穩(wěn)定性已經(jīng)開展了大量研究，但對頁巖油地層井壁穩(wěn)定性的研究則尚處于起步階段，未見針對大安寨段湖相頁巖理化性能、巖石力學(xué)、井壁失穩(wěn)機(jī)理及井壁穩(wěn)定評價方面的研究報道。由于對水平井井壁失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)識不清，制約了四川盆地大安寨段頁巖油水平井安全高效鉆井。為此，以四川盆地大安寨段頁巖為對象，開展了頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)理測試分析，分析了大安寨段頁巖井壁的穩(wěn)定性，確定了地層鉆井液安全密度窗口（以下簡稱安全密度窗口），以期為川中大安寨段頁巖油地層井壁失穩(wěn)防治、水平井鉆井設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。

1 頁巖井壁穩(wěn)定機(jī)理分析

1.1 礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)特征

采集N2H井大安寨段頁巖井壁坍塌掉塊和井下巖屑，開展了全巖礦物和黏土礦物組成測試，測試結(jié)果顯示（表1）：大安寨段頁巖富含黏土礦物、方解石和石英，平均含量分別為43.0%、24.6%和20.7%，重晶石可能是鉆井液中加重材料；黏土礦物以伊利石、綠泥石和伊/蒙混層礦物為主，平均含量分別為66.9%、26.4%、6.7%，伊/蒙混層礦物間層比為10%。整體來看，大安寨段頁巖黏土礦物含量較高，鉆井液與頁巖接觸后物理化學(xué)作用可能會比較顯著，尤其是水基鉆井液的影響更為顯著。

表1 N2H井大安寨段3 750 m頁巖礦物組成XRD測試結(jié)果

N2H井大安寨段頁巖掉塊的層理面與斷面電鏡掃描圖（圖1），不難看出：層理面平整光滑，礦物顆粒排列雜亂無章，由于黏土礦物與石英礦物的相互嵌合，孔隙較少，導(dǎo)致孔隙度和滲透率較低；層理斷面粗糙，黏土礦物呈片理狀和層狀排列，微孔隙、微裂縫較為發(fā)育，這些微孔隙和微裂隙既是頁巖油的儲集空間和滲流通道，又是鉆井液濾液的侵入通道[23-24]。

如果采用水基鉆井液，當(dāng)鉆井液濾液沿層理和微裂隙侵入后，與黏土礦物發(fā)生物理化學(xué)作用，水化和分散將削弱巖石的黏結(jié)強(qiáng)度和層理面結(jié)合力，使其容易沿層理或微裂隙裂開、擴(kuò)展、剝落，并可能引起井壁掉塊，甚至嚴(yán)重垮塌；如果采用油基鉆井液，雖然物理化學(xué)作用不顯著，但高密度油基鉆井液濾液仍會沿層理和微裂隙侵入，并在層理和微裂隙面產(chǎn)生高孔隙壓力支撐，一方面降低了層理面法向應(yīng)力，另一方面潤滑作用削弱了層理面摩擦系數(shù)，也可能引起頁巖井壁掉塊甚至垮塌。因此，不僅需要重視鉆井液的抑制性，而且需重視鉆井液的物理封堵性能，尤其是對層理和微裂隙的物理封堵。

1.2 頁巖理化性能

采集N2H井大安寨段頁巖巖屑，根據(jù)《泥頁巖理化性能試驗方法：SY/T 5613—2000》，采用蒸餾水、5%KCl溶液、5號白油、現(xiàn)場油基鉆井液4種液體進(jìn)行了線性膨脹率和熱滾回收率測試（圖2）。從測試結(jié)果中不難得出以下認(rèn)識。

1）線性膨脹率在前2 h增長迅速，隨后膨脹率緩慢增加；4種液體24 h最終膨脹率分別為10.31%、8.81%、0.93%和0.96%，其中，蒸餾水的膨脹率最高，其次為5%KCl溶液，而5號白油和現(xiàn)場油基鉆井液的線性膨脹率最低且大致相當(dāng)；說明大安寨段頁巖遇水膨脹能力相對較強(qiáng)，而遇油膨脹能力較弱。

2） 4種液體條件下3次熱滾平均回收率分別為70.79%、77.09%、98.76%和98.73%，說明大安寨段頁巖遇水分散性較強(qiáng)，而遇油分散性較弱。因此，大安寨段頁巖表現(xiàn)為弱膨脹和較強(qiáng)分散性，鉆井液防塌應(yīng)以封堵性為主、兼顧抑制性。

1.3 頁巖巖石力學(xué)特征

由于頁巖在形成過程中表現(xiàn)出層理、片理等特征，使得頁巖表現(xiàn)出明顯的各向異性。為了分析頁巖各向異性特征，采集重慶地區(qū)X井大安寨段頁巖樣品24塊，開展了平行和垂直于層理方向樣品的單軸和三軸力學(xué)實驗。

平行于層理和垂直于層理方向的彈性參數(shù)表現(xiàn)出了一定的差異性（圖3）；平行于層理方向彈性模量介于12.4～46.8 GPa、垂直于層理方向彈性模量介于18.9～80.2 GPa，垂直于層理方向彈性模量高于平行于層理方向，垂直和平行于層理方向彈性模量比值介于1.04～1.27；與之相反，平行于層理方向泊松比介于0.18～0.30、垂直于層理方向泊松比介于0.15～0.25，垂直于層理方向泊松比低于平行于層理方向，垂直和平行于層理方向泊松比介于0.5～1.0；說明大安寨段頁巖呈現(xiàn)出一定的彈性各向異性，但各向異性特征并不顯著，根據(jù)Aadony等[15-17]關(guān)于彈性各向異性對井壁穩(wěn)定影響的研究結(jié)果，可以忽略彈性各向異性的影響。

大安寨段頁巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角測試結(jié)果（圖4）：平行于層理方向樣品的內(nèi)聚力介于11.1～23.0 MPa，垂直于層理方向樣品的內(nèi)聚力介于8.9～21.0 MPa，平行于層理方向樣品的內(nèi)聚力略低于垂直于層理方向；平行于層理方向樣品的內(nèi)摩擦角介于31.4°～43.2°，垂直于層理方向樣品的內(nèi)摩擦角介于25.5°～42.3°，平行于層理方向樣品的內(nèi)摩擦角明顯高于垂直于層理方向；說明大安寨段頁巖呈現(xiàn)出較顯著的強(qiáng)度各向異性，雖然受到樣品數(shù)量限制未能開展不同取樣角度的巖石力學(xué)實驗，但大安寨段頁巖層理發(fā)育，頁巖強(qiáng)度受層理角度影響顯著，根據(jù)金衍等[19-25]關(guān)于含弱面地層強(qiáng)度各向異性對井壁穩(wěn)定影響顯著的結(jié)論，不能忽視強(qiáng)度各向異性的影響。

1.4 頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)理

結(jié)合N2H井井壁垮塌掉塊樣品（圖5），坍塌掉塊主要為扁平狀、塊狀和板狀掉塊，在大安寨段頁巖礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)、理化性能、巖石力學(xué)等測試分析的基礎(chǔ)上，可以基本明確大安寨段頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)理：主要是由于弱層理面或裂縫發(fā)育地層強(qiáng)度各向異性導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)，或者是由于頁巖中應(yīng)力集中過高以及鉆井液穿透進(jìn)入弱層理面或裂縫導(dǎo)致的時間效應(yīng)誘發(fā)的井壁失穩(wěn)。因此，N2H井井壁垮塌主要是由于頁巖中應(yīng)力集中過高、巖石強(qiáng)度各向異性及鉆井液穿透進(jìn)入弱面等因素造成，也即是說N2H井大安寨段頁巖主要為力學(xué)失穩(wěn)。

2 頁巖地層安全密度窗口評價模型

2.1 安全密度窗口下限

安全密度窗口下限取決于地層壓力和坍塌壓力，通常取值為二者最大值；地層壓力通?？梢酝ㄟ^測井解釋直接獲得；而坍塌壓力通常取決于地層地應(yīng)力、地層壓力、巖石力學(xué)參數(shù)以及井眼軌跡，對于大安寨段頁巖油地層，可以忽略彈性各向異性，但需要考慮強(qiáng)度各向異性。為了準(zhǔn)確計算坍塌壓力，首先，采用斜井井周應(yīng)力分布模型計算井壁應(yīng)力狀態(tài)為[6]：

式中σrr、σθθ、σzz分別表示井壁徑向、切向和軸向應(yīng)力分量，MPa ；τθz，τrθ，τrz分別表示井壁 3 個剪應(yīng)力分量，MPa；pm表示井筒壓力，MPa；pp表示地層壓力，MPa；σv、σH、σh分別表示垂向、水平最大和水平最小地應(yīng)力，MPa；δ表示井壁滲透系數(shù)，無因次，介于0～1之間，由于頁巖地層較為致密，其井壁滲透系數(shù)通常取值為0；φ表示孔隙度；ψ表示井斜角，（°）；Ω表示井斜方位與水平最大地應(yīng)力方位夾角，（°）；θ表示井周角，（°）；μ表示泊松比；K1表示滲流效應(yīng)系數(shù)；α表示Biot系數(shù)；A、B、C、D、E、F、G、H、J表示坐標(biāo)變換系數(shù)。

其次，根據(jù)材料力學(xué)理論，求得井壁最大和最小主應(yīng)力為：

式中σ1、σ3分別表示井壁最大、最小主應(yīng)力，MPa。

進(jìn)一步，考慮頁巖油巖石強(qiáng)度各向異性特征，采用單弱面強(qiáng)度理論表征頁巖油巖石強(qiáng)度及各向異性特征，頁巖層理剪切滑移破壞和本體剪切破壞的判據(jù)為：

式中cw表示層理面內(nèi)聚力，MPa；φw表示層理面內(nèi)摩擦角，（°）；β表示弱面法線與最大主應(yīng)力方向夾角，（°）；c0表示本體內(nèi)聚力，MPa；φ0表示本體內(nèi)摩擦角，（°）；β0表示本體剪切破壞破裂面角度，β0= π/4+φ0/2；β1，β2表示層理剪切滑移破壞角度范圍[22-23]，（°）；fc表示井壁坍塌破壞函數(shù)，fc＜0將發(fā)生坍塌失穩(wěn)，fc=0則處于極限平衡狀態(tài)，fc＞0則不會發(fā)生坍塌失穩(wěn)。

式（1）～（3）便是井壁坍塌壓力計算模型，聯(lián)立求解關(guān)于井筒壓力pm的非線性方程，即可求得井壁坍塌壓力pc。求解過程中，需要判斷頁巖發(fā)生層理剪切滑移和本體剪切破壞的類型，其核心在于確定弱面法線與最大主應(yīng)力方向夾角β，此處采用本文參考文獻(xiàn)[6]給出的空間幾何關(guān)系式計算夾角β；當(dāng)β1≤β≤β2時，將式（1）～（2）帶入式（3）第一項，計算頁巖層理剪切滑移破壞的臨界井筒壓力；當(dāng)β＜β1或β＞β2時，將式（1）～（2）帶入式（3）第二項，計算頁巖本體剪切破壞的臨界井筒壓力；計算所得的臨界井筒壓力即為井壁坍塌壓力（pc）。

最后，根據(jù)地層壓力和坍塌壓力的大小，計算安全密度窗口下限為：

式中g(shù)表示重力加速度，m/s2；TVD表示井眼垂直深度，km。

2.2 安全密度窗口上限

安全密度窗口上限取決于破裂壓力和漏失壓力，通常取值為二者的最小值；漏失壓力通?？梢匀≈禐?個地應(yīng)力的最小值，即漏失壓力通過測井解釋直接獲得；而破裂壓力通常取決于地層地應(yīng)力、地層壓力、巖石力學(xué)參數(shù)以及井眼軌跡。為了準(zhǔn)確計算破裂壓力，首先，考慮到彈性各向異性并不十分顯著，仍然采用式（1）計算斜井井壁應(yīng)力狀態(tài)；其次，利用計算井壁可能的拉應(yīng)力狀態(tài)：

式中σt表示井壁可能的拉應(yīng)力狀態(tài)，MPa。

再次，當(dāng)井壁拉應(yīng)力超過抗張強(qiáng)度后，井壁發(fā)生拉伸破壞或井壁破裂，井壁破裂判據(jù)為[6]：

式中St表示頁巖抗張強(qiáng)度，MPa；ff表示井壁破裂破壞函數(shù)，fc＜0將發(fā)生井壁破裂，fc=0則處于極限平衡狀態(tài)，fc＞0則不會發(fā)生井壁破裂。

式（1）、（5）和（6）便是井壁破裂壓力計算模型，將式（1）帶入式（5），并帶入式（6）中，利用二分法求解關(guān)于井筒壓力（pm）的非線性方程，即可求得井壁破裂壓力（pf）。

最后，根據(jù)漏失壓力（即3個地應(yīng)力的最小值）和破裂壓力的大小，計算安全密度窗口上限為：

式中pl表示漏失壓力，取值為3個地應(yīng)力的最小值，MPa。

3 頁巖地層井壁穩(wěn)定實例分析

為驗證大安寨段頁巖油地層井壁穩(wěn)定機(jī)理認(rèn)識和安全密度窗口評價模型，利用測井解釋和實鉆資料，對N2H井開展了井壁穩(wěn)定性評價分析，N2H井是在原N2井基礎(chǔ)上側(cè)鉆的水平評價井。由于缺少地應(yīng)力方位、層理產(chǎn)狀等數(shù)據(jù)，利用鄰井Y井測井資料進(jìn)行確定， Y井FMI成像測井解釋結(jié)果（圖6），大安寨段頁巖中發(fā)育了大量近似水平的層理，層理傾角介于0°～9°（平均1.2°）、層理傾向為N50°E；3 529～3 532 m井段N20°E方向出現(xiàn)了明顯的井壁崩落，而偶極橫波中快橫波方位為N100°E，可確定大安寨段頁巖最大地應(yīng)力方位為N100°E～N110°E；此外，由于缺乏井下巖心實測的強(qiáng)度各向異性參數(shù)，此處根據(jù)巖石力學(xué)測試結(jié)果和經(jīng)驗取值為：cw=5～10 MPa、φw=25°。

3.1 井壁穩(wěn)定規(guī)律分析

利用安全密度窗口評價模型，采用MATLAB軟件編制了安全密度窗口計算程序，計算了N2H井大安寨段頁巖油地層在油基鉆井液條件下的坍塌壓力和破裂壓力當(dāng)量密度（圖7），為了形象展示計算結(jié)果，圖中采用下半球投影圖[18]，其中，圖7-a為常規(guī)模型計算的坍塌壓力當(dāng)量密度下半球投影圖，圖7-b為本文模型計算的坍塌壓力當(dāng)量密度下半球投影圖，圖7-c為考慮頁巖強(qiáng)度折減后本文模型計算的坍塌壓力當(dāng)量密度下半球投影圖，圖7-d為破裂壓力當(dāng)量密度下半球投影圖。由圖7可以看出：

1）常規(guī)模型計算結(jié)果表明（圖7-a），偏離最大水平地應(yīng)力方向（110°）約40°左右的水平井的坍塌壓力當(dāng)量密度最低、破裂壓力當(dāng)量密度最高，沿著該方向鉆進(jìn)井壁穩(wěn)定性最好，其次為其他方向的水平井、大斜度井和定向井，而穩(wěn)定性最差的是直井，直井坍塌壓力當(dāng)量密度1.32 g/cm3、沿最小水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力當(dāng)量密度1.27 g/cm3。

2）本文模型計算結(jié)果表明（圖7-b）所示，直井和小角度定向井井壁穩(wěn)定性最好，其次為井斜小于45°的定向井，整體上，沿著最大水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)水平井穩(wěn)定性最好，而沿著最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)水平井穩(wěn)定性最差，其中，沿著最大水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力當(dāng)量密度約1.71 g/cm3，沿著最小水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力當(dāng)量密度約1.91 g/cm3，說明水平井井壁穩(wěn)定的最佳鉆進(jìn)方位為最大水平地應(yīng)力方向。與常規(guī)模型計算結(jié)果相比，考慮層理弱面后的坍塌壓力明顯增大，說明常規(guī)模型計算結(jié)果嚴(yán)重偏低。此外，鉆井返出的掉塊大都呈扁平狀和板狀形態(tài)，這也證實了大安寨段頁巖油地層井壁垮塌是受層理等軟弱結(jié)構(gòu)面控制，即地層巖石強(qiáng)度各向異性的影響不可忽視。

3）考慮到鉆井液侵入對巖石強(qiáng)度具有弱化作用，采用強(qiáng)度折減的方法，將頁巖層理內(nèi)聚力折減50%，即取層理內(nèi)聚力為5 MPa（圖7-c），弱面強(qiáng)度參數(shù)劣化對坍塌壓力當(dāng)量密度分布規(guī)律幾乎沒有影響，僅對坍塌壓力當(dāng)量密度數(shù)值有顯著影響，即沿著最大水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)水平井穩(wěn)定性最好，而沿著最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)水平井穩(wěn)定性最差，其中，沿著最大水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力當(dāng)量密度約1.91 g/cm3，沿著最小水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力當(dāng)量密度約2.13 g/cm3。

4）破裂壓力當(dāng)量密度計算結(jié)果（圖7-d），直井井壁破裂壓力當(dāng)量密度最低，其次為定向井，而水平井破裂壓力當(dāng)量密度最高；對于水平井而言，沿著最小水平地應(yīng)力方向破裂壓力當(dāng)量密度最低，而偏離最大水平地應(yīng)力方向約40°左右的破裂壓力當(dāng)量密度最高，沿著最大水平地應(yīng)力方向破裂壓力當(dāng)量密度明顯高于沿著最小水平地應(yīng)力方向；沿著最小水平地應(yīng)力方向破裂壓力當(dāng)量密度3.15 g/cm3，沿著最大水平地應(yīng)力方向破裂壓力當(dāng)量密度3.60 g/cm3。

因此，沿最大水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力低、破裂壓力高，井壁穩(wěn)定性最好，但不利于壓裂改造；而沿著最小水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力高、破裂壓力低，井壁穩(wěn)定性最差，但卻有利于壓裂改造；實際頁巖油水平井應(yīng)盡量沿最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)，如果確實沒有足夠的安全鉆井密度窗口，則可適當(dāng)偏離最小水平地應(yīng)力方向一定角度。

3.2 井壁穩(wěn)定測井解釋結(jié)果

根據(jù)安全密度窗口評價模型，在測井?dāng)?shù)據(jù)斜深校正的基礎(chǔ)上，利用測井解釋方法對N2H井地層壓力、坍塌壓力、破裂壓力和漏失壓力進(jìn)行測井解釋，N2H井2 023～3 724 m井段井壁穩(wěn)定測井解釋結(jié)果（圖8），經(jīng)過分析不難得出如下結(jié)論認(rèn)識：

1）N2H井大安寨段頁巖段地層壓力34.89～47.61 MPa、平均值40.08 MPa；地層壓力當(dāng)量密度1.41～1.93 g/cm3、平均值1.65 g/cm3；而N2H井實鉆鉆井液密度1.74 g/cm3發(fā)生溢流，說明預(yù)測地層壓力非常接近。

2）N2H井大安寨段頁巖井段坍塌壓力當(dāng)量密度1.91～1.98 g/cm3、平均值1.94 g/cm3，坍塌壓力當(dāng)量密度隨井斜角增加顯著增大，說明井斜角對坍塌壓力影響顯著；而常規(guī)井壁穩(wěn)定模型計算的坍塌壓力當(dāng)量密度0.95～1.52 g/cm3、平均值1.19 g/cm3；N2H井是在原N2井基礎(chǔ)上沿N20°E側(cè)鉆的水平評價井，采用密度1.95 g/cm3的鉆井液鉆至2 991.49 m發(fā)生井壁坍塌卡鉆事故，卡鉆前返出的掉塊（圖5），由于井下落魚打撈多次失敗，被迫回填側(cè)鉆；最后一道曲線中黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)代表回填側(cè)鉆前鉆井液密度（圖8），新井眼偏離老井眼20°，二者理論計算的坍塌壓力非常接近，對比發(fā)現(xiàn)卡鉆前采用的鉆井液密度略低于坍塌壓力當(dāng)量密度，加之受起下鉆抽汲壓力影響，才發(fā)生了嚴(yán)重的井壁垮塌事故；回填后調(diào)整井眼方位偏離20°，沿著N0°E側(cè)鉆水平段，采用密度2.24～2.36 g/cm3的強(qiáng)封堵鉆井液安全鉆至井深3 760 m（水平段長1 009 m），考慮到水平井段垮塌卡鉆風(fēng)險較高而提前完鉆，最終未能鉆達(dá)設(shè)計水平段1 500 m，完井電測平均井徑介于216～350 mm，井徑擴(kuò)大率介于10～120%，側(cè)鉆點(diǎn)附近井徑擴(kuò)大率達(dá)120%，水平段A點(diǎn)附近擴(kuò)大率相對較大（超過60%），整個鉆井過程中未發(fā)生嚴(yán)重的井下事故，說明提高密度后井壁穩(wěn)定性明顯改善；因此，常規(guī)井壁穩(wěn)定模型計算結(jié)果遠(yuǎn)低于實際坍塌壓力當(dāng)量密度，而考慮頁巖強(qiáng)度各向異性后計算結(jié)果與實際值非常接近。

3）大安寨段頁巖井段破裂壓力當(dāng)量密度2.30～3.11 g/cm3、平均值2.81 g/cm3；大安寨段頁巖井段漏失壓力當(dāng)量密度2.37～2.55 g/cm3、平均值2.45 g/cm3；N2H井沿N20°E側(cè)鉆水平井過程中，采用密度為1.95 g/cm3的鉆井液鉆進(jìn)至井深2 991.49 m時，發(fā)現(xiàn)扭矩由5.6 kN·m上升到11.2 kN·m，轉(zhuǎn)速由96 r/min下降到0 r/min，立壓由29.7 MPa上升到33.6 MPa后，發(fā)生井漏和坍塌卡鉆事故，主要原因是井壁坍塌掉塊堵塞環(huán)空，開泵建立循環(huán)過程中憋漏地層發(fā)生井漏，累計漏失油基鉆井液39.2 m3，經(jīng)綜合分析確定漏失壓力當(dāng)量密度2.30～2.50 g/cm3，說明實際漏失壓力與預(yù)測結(jié)果基本一致。

因此，N2H井安全密度窗口下限為1.91～1.98 g/cm3，平均值1.94 g/cm3，安全密度窗口上限為2.37～2.55 g/cm3，平均值2.45 g/cm3；綜合考慮波動壓力的影響，推薦鉆井液密度為2.05～2.30 g/cm3，而預(yù)測結(jié)果與實鉆情況吻合較好，驗證了井壁穩(wěn)定機(jī)理和安全密度窗口評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1）綜合大安寨段頁巖礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)、理化性能及井壁掉塊分析結(jié)果，大安寨段頁巖垮塌機(jī)理主要是應(yīng)力集中過高、強(qiáng)度各向異性及鉆井液穿透進(jìn)入弱面等引起的力學(xué)失穩(wěn)，油基鉆井液的物理封堵性能仍需引起高度重視，尤其是對層理和微裂隙的物理封堵。

2）大安寨段頁巖彈性各向異性特征并不十分顯著，可忽略其對井壁穩(wěn)定的影響；平行于層理方向的內(nèi)聚力略低于垂直于層理方向，平行于層理方向的內(nèi)摩擦角明顯高于垂直于層理方向，說明強(qiáng)度各向異性特征顯著，加之該頁巖層理較為發(fā)育，不可忽視強(qiáng)度各向異性對井壁穩(wěn)定的影響。

3）大安寨段頁巖地層中直井和小角度定向井井壁穩(wěn)定性最好，其次為井斜小于45°的定向井，水平井井壁穩(wěn)定性最差；沿最大水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力低、破裂壓力高，井壁穩(wěn)定性好，但不利于壓裂改造；而沿最小水平地應(yīng)力方向水平井坍塌壓力高、破裂壓力低，井壁穩(wěn)定性差，但卻有利于壓裂改造。

4）N2H井大安寨段頁巖地層安全密度窗口下限為1.91～1.98 g/cm3、平均值1.94 g/cm3，安全密度窗口上限為2.37～2.55 g/cm3、平均值2.45 g/cm3，綜合考慮波動壓力的影響，推薦油基鉆井液密度為2.05～2.30 g/cm3，預(yù)測結(jié)果與實鉆情況吻合較好，驗證了本文井壁穩(wěn)定機(jī)理和安全密度窗口評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。