頁(yè)巖水化特征及其井壁穩(wěn)定分析*

梁利喜，王光兵，劉向君，張明明

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

0　引言

美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)項(xiàng)目獲得巨大商業(yè)利益后，頁(yè)巖氣作為1種非常規(guī)油氣資源得到全世界的高度關(guān)注，而頁(yè)巖地層的井壁失穩(wěn)已嚴(yán)重制約著頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油等非常規(guī)油氣資源高效勘探開發(fā)。基于頁(yè)巖礦物組成的認(rèn)識(shí)，學(xué)者們認(rèn)為頁(yè)巖水化是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的1個(gè)非常重要的因素，針對(duì)該類地層井壁失穩(wěn)問(wèn)題，前人做了大量的研究工作，主要集中在水化對(duì)井壁穩(wěn)定的影響以及考慮水化作用后井壁穩(wěn)定模型的建立[1-11]，而關(guān)于頁(yè)巖水化特征的研究還很缺乏，尤其利用超聲波信號(hào)研究水化現(xiàn)象鮮見于文獻(xiàn)中，這也直接影響到了頁(yè)巖地層中進(jìn)行油氣資源勘探與開發(fā)等工程活動(dòng)的安全性。基于上述考慮，通過(guò)開展超聲波透射實(shí)驗(yàn)與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)全方位多角度認(rèn)識(shí)頁(yè)巖的水化特征，并分析水化對(duì)井壁穩(wěn)定的影響，為優(yōu)化頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定技術(shù)提供參考依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為揭示頁(yè)巖水化特征，用現(xiàn)場(chǎng)水基鉆井液對(duì)巖樣進(jìn)行浸泡，浸泡壓差為3 MPa，溫度100℃。對(duì)比鉆井液作用前后的巖樣聲學(xué)與力學(xué)性質(zhì)的差異來(lái)研究頁(yè)巖水化特征。鉆井液浸泡后發(fā)現(xiàn)，巖樣膨脹效果不明顯，外觀結(jié)構(gòu)保持完整(見圖1)，沒有出現(xiàn)明顯剝落與掉塊，由于外觀結(jié)構(gòu)依舊完整，浸泡后的巖樣完全可以如浸泡之前的巖樣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

圖1　實(shí)驗(yàn)巖樣Fig.1　The experimental sample

1.1　超聲波透射實(shí)驗(yàn)

超聲波透射實(shí)驗(yàn)選用激發(fā)頻率為25 kHz的縱波探頭發(fā)射出超聲波脈沖穿透巖樣，接收探頭接收信號(hào)后傳遞到示波器上以波的形式顯示出來(lái)，由與示波器匹配的Ultra Scope軟件采集信號(hào)保存到計(jì)算機(jī)中，采樣間隔為2 μs，能對(duì)超聲波波形進(jìn)行精確的記錄。

超聲波透射實(shí)驗(yàn)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6351-2012[14]的規(guī)范與建議進(jìn)行，對(duì)制取的柱塞巖樣烘干后進(jìn)行第1次超聲波透射實(shí)驗(yàn)，然后用鉆井液浸泡3d后進(jìn)行第2次超聲波透射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。在超聲波透射實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用示波器調(diào)出完整波形圖，待波形穩(wěn)定后，保持1次波形圖，然后找出波形圖首波的位置，利用示波器對(duì)首波放大，讀出首波的振幅與首波的起跳時(shí)間，依此計(jì)算聲波時(shí)差與衰減系數(shù)，根據(jù)波形圖記錄的數(shù)據(jù)作出時(shí)域信號(hào)圖，由時(shí)域信號(hào)利用傅里葉變換作出頻域信號(hào)圖。

表1　超聲波透射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2　層理面直剪與三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

層理面直剪實(shí)驗(yàn)與三軸壓縮實(shí)驗(yàn)按照GB/T 50266-2013[15]的相關(guān)規(guī)定與建議進(jìn)行，層理面直剪實(shí)驗(yàn)選用方塊巖樣，三軸壓縮實(shí)驗(yàn)選用柱塞巖樣。直剪實(shí)驗(yàn)與三軸壓縮實(shí)驗(yàn)均由伺服控制，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，可以精準(zhǔn)的記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2-3。

表2　三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3　直剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2　頁(yè)巖水化特征討論

表1顯示，鉆井液作用后巖石聲波時(shí)差普遍增大，說(shuō)明水化后巖石物性或微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，超聲波穿透巖樣需要更長(zhǎng)的時(shí)間。鉆井液作用后除個(gè)別巖樣聲波時(shí)差變化不大以外，其余樣品聲波時(shí)差都變大，呈現(xiàn)出整體變大的趨勢(shì)。巖樣經(jīng)鉆井液浸泡后，衰減系數(shù)均增大。鉆井液浸泡后，頁(yè)巖內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)，聲衰減較原巖增大。衰減系數(shù)與水化程度呈現(xiàn)很好的相關(guān)性，衰減系數(shù)同聲波時(shí)差一樣，能在一定程度上反映了頁(yè)巖的水化特征。

通過(guò)對(duì)比同一塊巖樣在水化前后的時(shí)域信號(hào)發(fā)現(xiàn)，時(shí)域信號(hào)明顯發(fā)生變化。頁(yè)巖水化后，最顯著的變化就是首波振幅的減小，首波起跳時(shí)間的延遲。振幅代表超聲波在巖樣內(nèi)部傳遞時(shí)具有的能量，原巖基本上在10個(gè)脈沖之內(nèi)振幅達(dá)最大，之后聲波能量逐漸衰減，鉆井液浸泡后，衰減相對(duì)原巖變慢，可以說(shuō)明，原巖內(nèi)部孔隙空間對(duì)聲能量吸收明顯，鉆井液浸泡后，內(nèi)部充斥著流體，流體對(duì)聲能的衰減弱于孔隙對(duì)聲能的衰減，鉆井液浸泡后延遲了聲能量的衰減過(guò)程。最大振幅的變化沒有明顯的規(guī)律，部分巖樣水化后超聲波透射時(shí)最大振幅反而增大，反映出水化后內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的隨機(jī)性。

圖2　時(shí)域信號(hào)與頻域信號(hào)Fig.2　Time domain signals and frequency domain signals

通過(guò)對(duì)巖樣頻域信號(hào)分析發(fā)現(xiàn)，信號(hào)能量集中在頻率為25 kHz附近，主頻突出，呈漏斗狀，表明巖樣水化前后對(duì)25 kHz的頻率不會(huì)明顯吸收。原巖頻域曲線中低頻會(huì)有突出部分。水化后頻率成分減少，頻域曲線變得更加光滑，部分巖樣主頻會(huì)向減少的方向發(fā)生偏移(圖2(b),(d),(j),(r))，主頻發(fā)生偏移，也進(jìn)一步說(shuō)明巖石聲衰減增大，可推斷為巖石內(nèi)部出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺陷。部分巖樣原巖主頻出現(xiàn)畸變(圖2(l)，(n)，(p))而鉆井液浸泡后主頻光滑，可推斷原巖內(nèi)部發(fā)育較大的裂紋，鉆井液浸泡后流體充滿裂紋空間。根據(jù)不同的信號(hào)可反映巖石內(nèi)部的一些信息，在某些情況下，超聲波的頻域信號(hào)比聲波時(shí)差及衰減系數(shù)更加有效的反應(yīng)巖石的內(nèi)部物理信息，通過(guò)對(duì)頻域信號(hào)的分析，可加深對(duì)頁(yè)巖水化特征的理解。綜合考慮聲波時(shí)差、衰減系數(shù)、時(shí)域信號(hào)與頻域信號(hào)對(duì)研究頁(yè)巖水化特征有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

由表2可以看出，該地區(qū)頁(yè)巖的彈性模量在33 000～45 000 MPa之間，泊松比在0.20～0.31之間，水化后彈性模量和泊松比略有變化，但不明顯，這說(shuō)明水化對(duì)頁(yè)巖彈性參數(shù)的影響不大。不同圍壓條件下，原巖抗壓強(qiáng)度與鉆井液浸泡后抗壓強(qiáng)度差別較突出，鉆井液浸泡后巖石的承載能力明顯下降。水化作用會(huì)改變頁(yè)巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，弱化其抗壓強(qiáng)度，加大鉆井施工時(shí)的井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。鉆井液浸泡后，巖樣依舊沿層理面破壞，由表3可知，法向應(yīng)力變大，抗剪強(qiáng)度變大。鉆井液浸泡后巖石抗剪強(qiáng)度明顯出現(xiàn)減弱的趨勢(shì)，表明鉆井液浸泡后，巖樣內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致頁(yè)巖結(jié)構(gòu)面抵抗剪切能力下降。由此可見，水化后，層理的力學(xué)性能大幅下降。在2種不同正應(yīng)力狀態(tài)下，鉆井液浸泡后抗剪強(qiáng)度均降低，巖石內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角減弱。

注：極軸代表弱面傾角，0～90°；極徑代表弱面傾向，0～360°；灰度代表坍塌壓力，MPa圖3　水平井坍塌壓力Fig. 3　Collapse pressure of horizontal well

巖石力學(xué)參數(shù)由巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)往往對(duì)巖樣產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。利用彈性模量、泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)頁(yè)巖水化特征往往需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，超聲波透射實(shí)驗(yàn)對(duì)巖樣無(wú)損害，鉆井液浸泡前后分別進(jìn)行1次超聲波透射實(shí)驗(yàn)即可獲得評(píng)價(jià)水化特征的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)所獲得的彈性模量與泊松比是根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段的擬合而來(lái)，反映頁(yè)巖的彈性性質(zhì)。超聲波信號(hào)反映頁(yè)巖的綜合信息，相對(duì)于巖石力學(xué)參數(shù)而言，超聲波信號(hào)評(píng)價(jià)頁(yè)巖水化特征更加實(shí)際。

3　井壁穩(wěn)定分析

本文所取的頁(yè)巖巖芯來(lái)自2 600～2 650 m之間，該井水平最大地應(yīng)力梯度為2.20 MPa/100m，水平最小地應(yīng)力梯度為1.60 MPa/100m，垂向地應(yīng)力梯度為2.40 MPa/100m。該井附近若要持續(xù)布井，井壁穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)最為關(guān)注的問(wèn)題是坍塌壓力的影響因素，本文以垂深2 630 m的水平井為例，重點(diǎn)分析水化對(duì)坍塌壓力的影響。

層理面直剪實(shí)驗(yàn)表明，巖樣沿著層理面被剪開，可看作是巖樣弱面破壞。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)表明，圍壓下實(shí)驗(yàn)巖樣更多的出現(xiàn)傾角裂縫，破壞面與層理面呈現(xiàn)很大的角度，可看作巖樣基體破壞；另外，依據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以原巖平均泊松比0.272作為原始地層泊松比，以鉆井液浸泡后平均泊松比0.286作為水化后地層泊松比。結(jié)合表2與表3的數(shù)據(jù)可得到計(jì)算坍塌壓力參數(shù)(見表4)。

由于頁(yè)巖結(jié)構(gòu)的特殊性，不能用常規(guī)井壁穩(wěn)定模型計(jì)算坍塌壓力，文獻(xiàn)[12]的弱面地層井壁穩(wěn)定模型很適合頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定的判定，現(xiàn)選取表4的參數(shù)，以相對(duì)方位角分別為0°，30°，60°，90°的水平井為例計(jì)算頁(yè)巖地層的坍塌壓力。

從圖3可以清晰的看出，坍塌壓力隨井眼軌跡以及弱面傾向與傾角的變化而變化，表明井壁穩(wěn)定受井眼軌跡和弱面的嚴(yán)重影響。對(duì)比圖3中上下云圖相同位置灰度還可以發(fā)現(xiàn)，在相同的井眼軌跡與相同的弱面分布情況下，井眼形成3 d后坍塌壓力明顯上升，可說(shuō)明水化對(duì)井壁穩(wěn)定造成重要影響。

表4　計(jì)算坍塌壓力參數(shù)

若該區(qū)域某地段層理為東北—西南走向，傾角為20°，需要在此布一水平井，井壁穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)需要提供鉆井液的密度范圍。以該井為例，進(jìn)行坍塌壓力預(yù)測(cè)。

圖4　水化對(duì)坍塌壓力的影響Fig.4　The influence of hydration on collapse pressure

由圖4發(fā)現(xiàn)，隨著鉆進(jìn)的進(jìn)行，坍塌壓力上升。坍塌壓力除了受井眼軌跡與層理產(chǎn)狀影響很大以外，受水化的影響也很大，鉆井液浸泡3 d后，水平井坍塌壓力當(dāng)量密度上升了0.19～0.45 g/cm3。由圖4可以看出，縱軸上的數(shù)據(jù)要比橫軸上數(shù)據(jù)變化明顯，說(shuō)明水化對(duì)坍塌壓力的影響程度要大于相對(duì)方位角對(duì)坍塌壓力的影響程度，水化是導(dǎo)致該類地層井壁失穩(wěn)的重要原因。比如，沿最小水平地應(yīng)力方向鉆井時(shí)，井眼形成3 d后坍塌壓力當(dāng)量密度由剛開始的0.99 g/cm3上升到1.32 g/cm3，此時(shí)，鉆井液性能嚴(yán)重制約著井壁的穩(wěn)定與否。鉆井液對(duì)巖樣持續(xù)浸泡，巖石力學(xué)性能會(huì)持續(xù)降低，在鉆井施工時(shí)可以理解為：隨著鉆井過(guò)程的進(jìn)行，頁(yè)巖的力學(xué)性能持續(xù)下降，其基體黏聚力與內(nèi)摩擦角、層理面黏聚力與內(nèi)摩擦角持續(xù)下降，地層坍塌壓力持續(xù)上升。鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)注重提高鉆進(jìn)效率，時(shí)刻注意鉆井液性能，在坍塌周期前完鉆，以防止井壁失穩(wěn)。

4　結(jié)論

1)頁(yè)巖水化后聲波時(shí)差增大，衰減系數(shù)增大，時(shí)域信號(hào)及頻域信號(hào)明顯發(fā)生變化，層理面強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)性能下降。

2)頁(yè)巖水化后彈性模量與泊松比變化不明顯，彈性模量、泊松比等參數(shù)難以準(zhǔn)確的量化頁(yè)巖的水化特征。超聲波信號(hào)可以初步反映頁(yè)巖的水化規(guī)律，且超聲波透射實(shí)驗(yàn)對(duì)巖樣無(wú)損害，鉆井液浸泡前后分別進(jìn)行1次超聲波透射實(shí)驗(yàn)即可獲得評(píng)價(jià)水化特征的參數(shù)，持續(xù)對(duì)巖樣鉆井液浸泡后進(jìn)行超聲波透射實(shí)驗(yàn)可以獲取頁(yè)巖水化動(dòng)態(tài)特征的超聲波信號(hào)，對(duì)多組超聲波信號(hào)的分析可以為頁(yè)巖水化動(dòng)態(tài)過(guò)程提供研究依據(jù)。

3)頁(yè)巖水化是井壁失穩(wěn)的主要影響因素。頁(yè)巖井壁穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮地層巖石基礎(chǔ)物性、井眼軌跡，鉆井液性能等多種參數(shù)對(duì)井壁穩(wěn)定的影響，鉆井過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)井下巖石力學(xué)以及聲學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)，基于井下信息的動(dòng)態(tài)變化適時(shí)調(diào)整鉆井方案。

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