于磊

摘要：本文基于對頁巖氣鉆井情況的了解，分析由于工程因素、力學(xué)因素和化學(xué)因素等對頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性的影響深入分析，計(jì)算出井壁坍塌壓力和破裂壓力產(chǎn)生的具體數(shù)值，以此為依據(jù)提出井壁穩(wěn)定防塌優(yōu)化策略，為礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；井壁穩(wěn)定；防塌技術(shù)

1.引言

我國能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，在頁巖氣勘探開采中，由于多種因素影響經(jīng)常導(dǎo)致井壁失穩(wěn)情況，從而延長鉆井速度和周期，增加鉆井成本，甚至?xí)霈F(xiàn)坍塌等事故，因此，必須要注重井壁穩(wěn)定影響因素研究，推進(jìn)地質(zhì)資源開采的可持續(xù)健康發(fā)展。

2.頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定影響因素分析

2.1工程因素

頁巖氣是一種非常重要的天然氣資源，在實(shí)際頁巖氣鉆井過程中，可能由于諸多因素影響導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，從工程因素角度看，其主要包括鉆井液的性能性質(zhì)、對井壁的沖刷程度、產(chǎn)生的波動與激動壓力等多項(xiàng)內(nèi)容，主要是根據(jù)鉆井液的綜合性質(zhì)來對井壁穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化考慮，但是可以通過人為方式進(jìn)行有效調(diào)節(jié)的，所以總體來說工程因素對井壁穩(wěn)定性的影響較小，同時(shí)還可以有效規(guī)避存在的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，對整體鉆井施工安全起到一定保障作用[1]。

2.2力學(xué)因素

力學(xué)因素也是影響頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性的重要內(nèi)容之一，從力學(xué)角度看，地應(yīng)力是影響井壁失穩(wěn)的最重要因素，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的形式可分為：拉伸破壞和剪切破壞。剪切破壞主要是在未開始鉆井施工前期，地應(yīng)力始終保持平衡狀態(tài)，當(dāng)鉆開井眼后，井壁底層原有的支撐力遭到破壞，并由原有鉆井液壓力所取代，與此同時(shí)，需要將地應(yīng)力進(jìn)行重新分布，如果此時(shí)井筒中鉆井液密度造成破壞，會導(dǎo)致井眼發(fā)生直徑擴(kuò)張或縮小的情況，在后期需要進(jìn)行大型水力壓裂，才能保證井壁具有一定的穩(wěn)定性和安全性特征，但是當(dāng)鉆井內(nèi)地層參數(shù)與工程參數(shù)之間難以達(dá)到平衡狀態(tài)，則表明井壁必然會出現(xiàn)一定破壞，從而出現(xiàn)井壁失穩(wěn)情況；拉伸破壞通常情況下是由于井內(nèi)液壓過高，且已經(jīng)超過了巖石的抗張強(qiáng)度，則會導(dǎo)致井壁出現(xiàn)裂縫，甚至?xí)霈F(xiàn)氣體泄漏等不良情況，對工程及施工人員安全造成嚴(yán)重威脅。

2.3化學(xué)因素

由于頁巖氣屬于一種重要的非常規(guī)天然氣資源，且存在的地質(zhì)層內(nèi)，其自身具有一定的化學(xué)屬性，而在鉆井過程中，鉆井液等外來流體難以與地層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)進(jìn)行高效匹配，必然會在注入階段打破原有的化學(xué)平衡。對于泥頁巖來說，水敏性粘土礦物是其主要成分，而當(dāng)不同的鉆井液體系對泥頁巖進(jìn)行作用時(shí)，得出的結(jié)果也具有較大差異，通常情況下，當(dāng)井下溫度和壓力條件一定時(shí)，泥頁巖地層與鉆井液會產(chǎn)生相互作用：第一，液體水份化學(xué)勢差異會產(chǎn)生一定的擴(kuò)散和滲透作用；第二、二者流體的離子濃度具有較大差異，會出現(xiàn)離子的擴(kuò)散和交換；第三，鉆井與地層的液壓和流壓時(shí)之間會產(chǎn)生壓力差，會在出現(xiàn)微小裂縫的情況下鉆井液濾液流入到地層泥頁巖中，從而對井壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，降低了井壁整體的穩(wěn)定性，極易出現(xiàn)井壁垮塌、漏失等現(xiàn)象。

3.頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性研究

3.1第一性原理模型構(gòu)建

在以第一性原理為依據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建過程中，需要進(jìn)行高精度優(yōu)化得到能量最低的結(jié)構(gòu)，采用彈性穩(wěn)定判定方法判斷其零壓力時(shí)的穩(wěn)定性，并計(jì)算其平衡態(tài)能量、彈性常數(shù)和應(yīng)力隨應(yīng)變的變化規(guī)律。

α-石英晶體屬六方晶系，空間群為P3121，硬度較大，在自然界中能夠長期穩(wěn)定存在，這也是由其微觀晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的硅—氧四面體連續(xù)成鏈形成堅(jiān)固框架聚合物所決定的，四面體一部分因?yàn)樗毕莸娜〈饔帽黄茐模部梢源致怨罍y到環(huán)境水造成了石英的軟化。

在三維周期性條件下，應(yīng)用基于平面波贗勢密度泛函理論（DFT）和局域密度近似（LDA）的第一性原理方法進(jìn)行兩種模型的第一性原理拉伸試驗(yàn)，離子核和電子間相互作用通過模守恒贗勢表示；平面波的截?cái)嗄芰恳宦刹捎?200eV；由Monkhorst-Pack方法取α-石英及α-濕石英結(jié)構(gòu)的k點(diǎn)為6×6×5。在幾何優(yōu)化過程中，設(shè)置如下收斂條件：原子平均總能的收斂值為5×10-8eV；單原子最大受力和最大位移分別為0.01eV/A和0.0005A；應(yīng)力偏差不大于0.02GPa。在這樣的計(jì)算條件下，結(jié)果的精度和收斂性良好。

3.2晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與力學(xué)穩(wěn)定性

在局域密度近似條件下，對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算所得晶格常數(shù)平衡態(tài)體積與之前實(shí)驗(yàn)值和文獻(xiàn)吻合度較高，Lin等人受計(jì)算條件所限而利用伯奇-莫納漢狀態(tài)方程來確定平衡態(tài)體積存在一定的誤差，本項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果如表1所示，由于LDA在計(jì)算中常低估晶格常數(shù)，所求的純α石英模型的晶格常數(shù)與理論值（=b=4.916A。，c=5.405A。）相比僅小1.8%以內(nèi)，符合度很高，數(shù)據(jù)相對可靠。從對比平衡態(tài)體積，水化作用導(dǎo)致石英的晶胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可忽視的畸變。

α-石英作為六方晶系晶體，具有六個獨(dú)立的彈性常數(shù)，考慮到方程復(fù)雜度，因此不選擇從伯恩機(jī)械穩(wěn)定性條件來驗(yàn)證其力學(xué)穩(wěn)定性。

3.3彈性與延脆性分析

通過實(shí)驗(yàn)和熱彈性理論模擬，能夠有效揭示出巖石的彈性模量和吸水量呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)性，同時(shí)也進(jìn)一步證實(shí)了巖心吸水后會產(chǎn)生線膨脹應(yīng)力，并隨含水量增大而增大，使得巖石強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)減小，井壁穩(wěn)定性下降。固體的彈性性質(zhì)反映固體本身應(yīng)對外力的形變承受與恢復(fù)程度，進(jìn)而可推算出幾種常見的模量和泊松比的值，相比較而言更能表明頁巖其井壁表面的石英晶體更容易發(fā)生形變，由脆性逐漸向韌性方向轉(zhuǎn)變。

在進(jìn)行破裂壓力計(jì)算時(shí)，還需要對物性及巖石微觀結(jié)構(gòu)、理化特征等進(jìn)行分析，從物性角度看，在鉆井過程中的液壓直接作用在井壁上，當(dāng)遇到孔隙度和滲透率較低的頁巖地層時(shí)，會導(dǎo)致孔隙壓力和地應(yīng)力場發(fā)生一定變化，在一定程度上會削弱地層有效強(qiáng)度，致使井壁出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；從井壁巖石微觀結(jié)構(gòu)特征方面看，主要是硬脆性頁巖反映較為明顯，能夠充分反映出遇水后發(fā)生的水化反映能力。通常情況下，硬脆性泥頁巖中會普遍存在裂縫，但是可能由于多種因素影響導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)掉塊、坍塌等不良情況，甚至?xí)霈F(xiàn)礦井坍塌情況[2]。

4.頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定防塌優(yōu)化策略

4.1合理控制鉆井液密度

在頁巖氣鉆井過程中，想要保證井壁具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，需要對鉆井液密度進(jìn)行合理控制，避免由于密度過大增加對地層的壓力，從而出現(xiàn)裂縫，同時(shí)還要防止鉆井液密度過小造成壓力過度釋放，以致于出現(xiàn)井壁裂縫擴(kuò)大、崩裂甚至坍塌等情況。對于硬脆性泥頁巖來說，如果發(fā)生井壁裂縫持續(xù)擴(kuò)大且掉塊現(xiàn)象，可以通過人為提高鉆井液密度的方式來有效防止井壁坍塌。在此基礎(chǔ)上，還要根據(jù)實(shí)際頁巖地層情況進(jìn)行針對性的方案制訂，避免由于方案與實(shí)際不符導(dǎo)致出現(xiàn)鉆井液密度過高或過低，不利于進(jìn)行儲層保護(hù)，同時(shí)還會對氣測錄井產(chǎn)生一定干擾。除此之外，還要對鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)選，一般來說油基鉆井液的應(yīng)用在很大程度上能夠克服井壁失穩(wěn)，但是存在使用成本高、環(huán)保壓力大等特點(diǎn)，因此在進(jìn)行鉆井液體系選擇時(shí)，除了要考慮成本和環(huán)保問題，還需要對頁巖層面強(qiáng)度的影響程度進(jìn)行充分考慮。除此之外，還要減少由于工程因素對井壁產(chǎn)生的失穩(wěn)現(xiàn)象，主要是對鉆井液的各項(xiàng)性能以及井壁摩擦和碰撞等進(jìn)行考慮，其中還包括井眼的裸露時(shí)間，最佳解決方式是采用旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向工具，并切實(shí)做好前期分析工作，才能有效避免頁巖地層與鉆井液接觸時(shí)間過長，能夠有效的在提高鉆井質(zhì)量和效率的同時(shí)縮短鉆井周期[3]。

4.2優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)

想要提高頁巖氣井壁穩(wěn)定性，必須要在原有基礎(chǔ)上對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際情況對鉆井參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，能夠有效緩解整體鉆井結(jié)構(gòu)帶來的壓力。以轉(zhuǎn)化后三開結(jié)構(gòu)為例，一開代表的是頁巖表層套管封隔新近系，主要具有易塌、易漏等特點(diǎn)，且膠結(jié)程度較低，能夠減少上部地層的裸露時(shí)間；二開指的是技術(shù)套管封隔三疊系，具有良好的隔離作用，同時(shí)還能起到一定的承上啟下作用；三開是采用的生產(chǎn)套管深入到井中進(jìn)行具體運(yùn)作，并利用多項(xiàng)技術(shù)組合對井深質(zhì)量進(jìn)行有效控制，同時(shí)還要保證鉆井參數(shù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，將其控制在可控范圍內(nèi)，比如：井傾斜角控制在4°以內(nèi)、井直徑擴(kuò)大率<10%等，能夠大幅度的降低井壁坍塌壓力，保證其具有良好的穩(wěn)定性和安全性[4]。除此之外，還要以井深結(jié)構(gòu)和鉆井參數(shù)為依據(jù)，對頁巖井壁失穩(wěn)力學(xué)模型進(jìn)行有效構(gòu)建，以孔隙彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，對井壁穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，通常情況下會采用層理性地層模型來進(jìn)行開采模擬，但不適用在存在較多裂縫的頁巖地層，同時(shí)還需要對鉆井液的擴(kuò)散、離子轉(zhuǎn)移等因素對地層孔隙壓力產(chǎn)生的影響進(jìn)行考慮，比較適用于力學(xué)化學(xué)耦合模型的應(yīng)用。

4.3加強(qiáng)力學(xué)特性與地應(yīng)力研究

4.3.1力學(xué)特性研究

在頁巖氣鉆井過程中，需要在深化頁巖原巖的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)其與不同鉆井液體系接觸后的力學(xué)特性研究。對于頁巖來說，其主要由于自身層理發(fā)育情況，以及地下形成環(huán)境等影響，促使其力學(xué)特征不具備均勻性和穩(wěn)定性。在進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)研究期間，通常情況下會采用單軸或三軸的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，通過壓縮的方式測算出巖石的強(qiáng)度參數(shù)，才能以此為依據(jù)對其變形破壞特性進(jìn)一步分析。

力學(xué)特性與層理面法向和巖軸向夾角具有較大關(guān)系，相應(yīng)的不同參數(shù)的巖心力學(xué)特征也不同，尤其是在頁巖鉆井過程中，必須首先要明確頁巖的層理走向，以及其與井筒軸向之間的關(guān)系，才能保證力學(xué)試驗(yàn)開展的具有精準(zhǔn)性、針對性特征。從目前情況看，沿層理面的剪切滑移是頁巖地層井壁失穩(wěn)的主要原因和機(jī)理，因此必須要重視層理面剪切強(qiáng)度，可采用直剪儀對層理面的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，保證測試數(shù)值的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。除此之外，還需要考慮到鉆井液對頁巖力學(xué)特性的影響，對于硬脆性頁巖來說，水基鉆井液會弱化頁巖自身強(qiáng)度，而想要對弱化程度進(jìn)行有效研究，可采用對比分析法來將頁巖原巖與鉆井液接觸后的頁巖進(jìn)行強(qiáng)度測試，同時(shí)還要進(jìn)行多次試驗(yàn)，才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。頁巖強(qiáng)度的弱化還需要對時(shí)間因素進(jìn)行考慮，在實(shí)際鉆井過程中，在時(shí)間條件一定的情況下，通過與鉆井速度的有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)︺@井液弱化后的頁巖強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，同時(shí)還需要對弱化后的力學(xué)特性進(jìn)行測試評價(jià)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

4.3.2地應(yīng)力研究

對于地應(yīng)力來說，其是影響頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定性的重要因素，因此想要保證鉆井井壁始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，必須要切實(shí)做好加強(qiáng)頁巖地層地應(yīng)力的研究工作，從目前情況看，通常情況下頁巖氣鉆井都較為傾向于沿著最小地應(yīng)力方向開始施工，有利于對裂縫進(jìn)行壓裂擴(kuò)散，促使其與井筒始終保持垂直相交或交錯狀態(tài)。從我國土地結(jié)構(gòu)方面看，頁巖氣地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有地層傾角大、構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此需要在前期地質(zhì)調(diào)查及鉆井過程中，利用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備向井下巖心積極開展地應(yīng)力測試，與此同時(shí)，還要與接下來的小型壓裂試驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，才能從根本上實(shí)現(xiàn)對地應(yīng)力的測試與校正，以相關(guān)地震材料為依據(jù)進(jìn)一步對地應(yīng)力分布進(jìn)行深入研究，才能保證研究結(jié)果的精準(zhǔn)程度，由于鉆井?dāng)?shù)量的不斷增多，還需要根據(jù)實(shí)際情況對地應(yīng)力場進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為接下來的鉆井工作提供便利條件。除此之外，現(xiàn)階段對于地應(yīng)力的研究大多數(shù)都是基于同一屬性的地理層面，但是由于頁巖地層自身具有特殊屬性，同時(shí)其又屬于橫觀各向同性體，所以需要采用不同層理產(chǎn)狀下的地層應(yīng)力計(jì)算模型來代替均質(zhì)模型，進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井液與地應(yīng)力之間的關(guān)系，才能有效避免井壁坍塌。

結(jié)論

綜上所述，加強(qiáng)對頁巖氣鉆井井壁穩(wěn)定影響因素的分析，是鉆井施工安全的重要保障，因此，必須要根據(jù)實(shí)際情況對地應(yīng)力場進(jìn)行綜合探究，不斷完善優(yōu)化井壁穩(wěn)定性分析的數(shù)值方法和計(jì)算技術(shù)，才能保證井壁穩(wěn)定力學(xué)模型構(gòu)建合理，保障頁巖氣鉆井施工安全。

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