二疊系火成巖地層井壁穩定性分析*

劉景濤，張 文，于 洋，丁 乙，梁利喜

(1.中國石化西北油田分公司 工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011； 2.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500)

0 引言

火成巖是指在高溫的條件下由巖漿或熔巖流冷凝結晶而成的巖石[1-2]。針對鉆井工程而言，常發生井壁失穩的火成巖多為玄武巖、英安巖和輝綠巖地層[3]。目前國內塔河、冀東、大港油田都鉆遇不同類型火成巖地層，均出現坍塌掉塊、卡鉆等井下復雜情況，造成鉆井周期延長，限制了油氣田的高效開發。針對火成巖地層井壁失穩問題，國內學者已經開展了一定研究。丁銳等[4]、馮京海等[5]對冀東油田館陶組失穩的火成巖地層的研究表明，玄武巖、凝灰巖地層黏土礦物含量較高，是導致井壁失穩的主要原因之一；考慮到水敏性黏土礦物影響，朱寬亮等[6]、徐小峰等[7]從抑制水化角度出發，形成含有不同抑制劑的鉆井液來提升火成巖地層井壁穩定性；李金鎖等[8]對塔河油田二疊系玄武巖的坍塌、漏失機理作了分析，認為力學軟弱面的存在是導致該類地層井壁垮塌的主要因素。

目前，對火成巖地層井壁穩定性分析仍不夠深入，力學分析均借助于單一弱面準則，但火成巖地層裂縫發育，不僅僅存在一組弱面,普遍采用的單一弱面準則不再具有適用性。基于此，本文通過室內試驗，基于火成巖結構特征，利用摩爾庫倫理論形成多弱面強度理論，結合井周應力分布構建坍塌壓力預測方法，對火成巖地層井壁穩定性進行分析。

1 火成巖組構特征

本文研究的二疊系火成巖地層為英安巖，黏土含量分布在12.02%～37.80%。在鉆井過程中，水敏性黏土礦物將與鉆井液發生水化作用，進而誘發井壁失穩[9-10]。火成巖宏觀與微觀結構如圖1所示。由圖1可以發現，火成巖具有結構面，其中大多結構面被其他礦物充填。同時，火成巖發育大量微裂縫，該微裂縫將為鉆井液侵入提供通道。進一步弱化井壁穩定性。綜合微觀結構與組分含量分析，封堵與抑制性能均為該類地層鉆井液設計的重點。

圖1 火成巖結構示意Fig.1 Structure of igneous rock

2 火成巖力學強度分析

2.1 火成巖強度理論

針對弱面影響，目前多采用單一弱面準則[11-12]。但火成巖弱結構面發育程度高，形成多組弱面相交的情況，單一弱面準則不再具有適用性。因此，本文以Mohr-Coulomb準則為依據，采用疊加原理，建立多弱面強度準則。當火成巖地層中存在多組結構面，任意1個結構面上的法向應力σ和剪應力τ滿足式(1)所示關系：

(1)

式中：σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；β(i)為結構面i法線與最大主應力的夾角，(°)；K為巖石內部結構面數量，條。

結構面強度曲線滿足Mohr-Coulomb準則[13]：

τ=cwi+σtanφwi(i=1,2,,K)

(2)

式中：cwi為結構面i的黏聚力，MPa；φwi為結構面i的內摩擦角，(°)。

將式(2)帶入式(1)，整理可得多弱面條件下的巖石破壞準則：

(3)

β(i)的邊界范圍如式(4)所示：

(4)

式中：β1(i)為β(i)的下限值，(°)；β2(i)為β(i)的上限值，(°)。

當滿足β1(i)<β(i)<β2(i)，且式(3)成立，則沿弱面破壞；若所有弱面都不滿足以上條件，則巖石沿本體破壞，如下所示：

(5)

式中：c0為巖石基體黏聚力，MPa；φ0為巖石基體內摩擦角，(°)；β0為破壞面法線與最大主應力夾角，(°)。

2.2 結構面條件下的火成巖強度

基于上述理論方法，對多弱面條件下的巖石破壞應力進行分析，不同弱面數量下火成巖破壞應力如圖2所示。由圖2分析可知：當火成巖沿弱結構面破壞時，破壞應力明顯下降。隨著弱結構面條數增加，沿弱結構面破壞范圍增大，表明巖石更易沿結構面發生破壞。尤其當弱結構面數達到5條時，巖石必然沿弱結構面破壞，表明在該條件下，巖石破壞完全取決于弱結構面強度。

圖2 不同弱面數量下火成巖破壞應力Fig.2 Schematic of multiple weak planes

2.3 多結構面下的巖石破壞方式

根據多結構面下的強度特征，對多弱面下的巖石破壞形式進行分析，單弱面與多弱面下的火成巖破壞形式如圖3所示。當巖石僅存在1條弱面，巖石呈現經典單一弱面準則規律，弱面傾角為42～71°時，巖石沿結構面破壞。當更多弱面存在時，由于假設基體強度不變，當弱面增加時，破壞形式不一定會發生變化。弱面傾角位于42°～58°時，巖石依然沿最初裂縫面破壞，弱面傾角位于16°～42°和78°～90°時，巖石依然沿基體破壞。由于破壞形式沒有變化，從而巖石強度不發生改變。而當裂縫角度在0°～16°和58°～77°時，巖石沿結構面2和結構面3破壞，此時破壞形式發生變化，從而影響巖石強度。由此可知，多弱面相互存在，會共同影響巖石破壞形式，從而改變巖石強度。多弱面的協同作用與其產狀密切相關，在一定傾角時，更多裂縫存在，不會改變巖石破壞形式，從而對強度無明顯影響。

圖3 單弱面與多弱面下的火成巖破壞形式Fig.3 Schematic of rock failure with single and multiple weak planes

3 坍塌壓力預測方法

基于線彈性、各向同性介質理論，通過井眼坐標轉換，原地應力可轉換為井周應力分布[14-15]。基于井周應力分布，井壁處任1點的主應力如下所示：

(6)

式中：σi，σj，σk分別為井壁處任1點的3向主應力，MPa；σθz為井壁θz面上切向應力，MPa；σθ為井壁周向應力，MPa；σz為井壁軸向應力，MPa；pi為鉆井液液柱壓力，MPa；pp為隙壓力，MPa。其中，最大主應力σ1的作用面與Z軸的夾角γ為：

(7)

最大主應力與弱面i法向的夾角β(i)為：

(8)

式中：n為弱面法向的矢量；N為最大主應力σ1的方向矢量。二者表達式如式(9)～(10)所示：

(9)

(10)

4 井壁穩定影響因素分析

4.1 結構面產狀

根據本文坍塌壓力預測方法，對均質與單一結構面下的坍塌壓力進行分析，如圖4所示。由圖4分析可知：均質條件下，坍塌壓力分布呈明顯對稱性；當沿最小水平地應力方向鉆進時，坍塌壓力最大，穩定性最差；當弱面存在時，坍塌壓力分布變得復雜，高危區域與穩定區域交替出現，坍塌壓力數值明顯增大，井壁穩定性降低。

圖4 結構面產狀對坍塌壓力影響Fig.4 The influence of weak plane occurrence on collapse pressure

4.2 結構面數量

當多組弱面存在時，地層坍塌壓力分布如圖5所示。由圖5分析可知：隨著裂縫面數量增加，相對穩定區域逐漸減少，高危區域增加。例如，當單一弱面時，在井斜角50°～65°和方位角180°～255°區域，坍塌壓力約為1 120 kg/m3，數值相對較小。而當弱面數量增大至3條時，該區域坍塌壓力明顯上升，升至約為1 250 kg/m3。由此可見，隨著弱結構面數量增加，坍塌壓力增加，安全鉆井方位逐漸變得狹小，鉆井難度逐步提升。

圖5 多弱面下的地層坍塌壓力Fig.5 Collapse pressure in multiple weak planes condition

4.3 鉆井液作用

鉆井過程中，鉆井液對巖石影響不容忽視。尤其對含有水敏性黏土礦物巖石，鉆井液作用后的巖石力學特征變化是井壁穩定分析的重點問題。基于多弱面發育條件，對鉆井液作用前后坍塌壓力進行分析，如圖6所示。由圖6可知：由于鉆井液作用造成水化效應，隨著鉆井時間增加，坍塌壓力呈現增大趨勢；鉆井4 d后，坍塌壓力平均增幅為80 kg/m3；高危鉆井區域明顯增大，表明井壁穩定性下降。

圖6 鉆井液作用前后的地層坍塌壓力(3組弱面條件)Fig.6 Influence of drilling fluid on collapse pressure (3 weak planes condition)

5 實際應用

基于本文構建模型，對所選工區的火成巖地層開展坍塌壓力預測分析。巖石力學參數與上述試驗一致。該井在深度4 507 m處，井斜角約為24°，水平段方位角約為310°。成像測井資料顯示該深度處明顯有2條天然裂縫。測井解釋表明，2條天然裂縫傾角分別為20°和35°，走向與水平最大主應力夾角分別為60°和42°。基于此，采用不同計算模型，得到不同鉆井時間下的坍塌壓力分布，如圖7所示。實際鉆井資料顯示，初始鉆井液密度為1 240 kg/m3，隨著鉆井時間增加，井下出現掉塊遇阻，從而提升鉆井液密度到1 310 kg/m3，井下復雜情況減少，從而達到安全鉆進。常規模型與單一弱面準則模型得到的坍塌壓力明顯低于實際鉆井液密度，從而不能穩定地層。采用多弱面模型得到的坍塌壓力與實際鉆井液密度吻合較好，從而證明了該模型的實用性。

圖7 不同模型下的坍塌壓力Fig.7 Collapse pressure of different models

6 結論

1)火成巖含一定黏土，在鉆井過程中，黏土礦物將與水接觸發生水化作用，進而誘發井壁失穩。同時，火成巖發育大量微觀裂縫，為鉆井液侵入提供通道，加劇水化反應。綜合微觀結構與黏土含量分析，封堵與抑制性能均為該類地層鉆井液設計的重點。

2)火成巖結構面發育，當巖石沿結構面破壞時，破壞應力出現明顯下降。隨著弱結構面條數增加，巖石更易沿結構面發生破壞。尤其當弱結構面數達到5條時，巖石必然沿弱結構面破壞，表明在該條件下，巖石破壞完全取決于弱結構面強度。當弱結構面強度越低時，弱結構面對巖體整體強度影響越顯著。

3)當弱結構面存在時，火成巖地層坍塌壓力分布變得復雜，高危區域與穩定區域交替出現，坍塌壓力數值明顯增大，安全鉆井方位減小，鉆井難度顯著提升。綜合考慮弱結構面與水化的耦合作用是穩定井壁的關鍵。