流-固-化-熱耦合的陸相頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)模型及應(yīng)用

張 宇，趙 林，王炳紅，張 娜，程 萬

(1.中國石化河南油田分公司，河南 南陽 473000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引 言

井壁失穩(wěn)是石油鉆井中普遍存在的難題，其通常發(fā)生在遇水膨脹的泥頁巖井段[1-2]。為了防止井壁發(fā)生坍塌失穩(wěn)，鉆井液密度不得小于坍塌壓力。金衍[3]論述了單個(gè)弱面對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響，劉志遠(yuǎn)[4]建立了含有多組弱面的地層井壁垮塌量計(jì)算模型，Ding[5]建立了含有多組弱面的坍塌壓力計(jì)算模型。由于頁巖通常具有強(qiáng)烈的各向異性特征，Lee[6]建立了各向異性井壁坍塌區(qū)域計(jì)算模型，Cheng[7]模擬了井壁垮塌動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程；盧運(yùn)虎[8]建立了各向異性地層中斜井井壁力學(xué)模型，認(rèn)為水平地應(yīng)力各向異性對(duì)坍塌壓力[9]和坍塌周期[10]均會(huì)產(chǎn)生較大的影響。溫航[11]考慮了弱面水化作用對(duì)頁巖井壁穩(wěn)定性的影響，但忽略了孔隙彈性效應(yīng)。Liu[12]考慮了多孔介質(zhì)孔隙彈性效應(yīng)對(duì)斜井井壁坍塌壓力的影響。Ekbote[13-14]建立了多場(chǎng)耦合的井壁應(yīng)力場(chǎng)模型，但并未直接應(yīng)用于評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性。Gao[15-16]將Ekbote[8]模型應(yīng)用于評(píng)價(jià)頁巖地層井壁穩(wěn)定性，但未考慮頁巖水化作用。陸相頁巖通常具有黏土易水化膨脹、層理發(fā)育且膠結(jié)性差等特點(diǎn)，孔隙壓力和熱應(yīng)力均能改變有效應(yīng)力[17]，從而引發(fā)井壁失穩(wěn)。此次研究建立了流-固-化-熱耦合的井壁應(yīng)力場(chǎng)模型，結(jié)合陸相頁巖隨鉆井液浸泡時(shí)間的動(dòng)態(tài)水化過程，形成了井壁坍塌壓力預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用于指導(dǎo)泌陽凹陷陸相頁巖油藏鉆井設(shè)計(jì)。

1 井壁穩(wěn)定力學(xué)模型

陸相頁巖在水基鉆井液作用下會(huì)發(fā)生水化膨脹，并導(dǎo)致頁巖黏聚力隨著浸泡時(shí)間逐漸降低[10，18]。鉆井液侵入頁巖地層后，改變了井壁附近的孔隙壓力和孔隙流體的化學(xué)勢(shì)[13-14]。另外，鉆井液與地層的溫度差會(huì)形成熱應(yīng)力。因此，陸相頁巖井壁受到流-固-化-熱多場(chǎng)耦合作用[18]，其力學(xué)模型為：

(1)

圖1為井筒受力示意圖，分析了原主地應(yīng)力作用在井筒直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量。在距離井壁無窮遠(yuǎn)處的邊界條件為：

(2)

圖1 原主地應(yīng)力作用在井筒直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量(圖中θ為極角，°)

井筒在井壁處的邊界條件為：

(3)

陸相頁巖層理發(fā)育，且層理面的黏聚力常小于頁巖基質(zhì)的黏聚力，層理對(duì)井壁破壞形式具有顯著的影響。根據(jù)摩爾庫侖準(zhǔn)則，建立頁巖層理破壞指數(shù)公式[1]：

(4)

當(dāng)fw>1時(shí)，層理面發(fā)生剪切破壞；當(dāng)fw=1時(shí)，可確定頁巖層理發(fā)生剪切破壞的臨界鉆井液密度。同理，建立頁巖基質(zhì)破壞指數(shù)公式：

(5)

式中：fm為頁巖基質(zhì)破壞指數(shù)；p(x，y，t)、σ1(x,y,t)、σ3(x,y,t)分別代表浸泡時(shí)間t時(shí)刻位于坐標(biāo)(x，y)處的孔隙壓力、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；Cm(t)為頁巖基質(zhì)在鉆井液浸泡t時(shí)刻的黏聚力，MPa；φm(t)為頁巖基質(zhì)在鉆井液浸泡t時(shí)刻的內(nèi)摩擦角，rad。

為防止井壁坍塌，鉆井液密度不得小于坍塌壓力，故取頁巖基質(zhì)和層理二者發(fā)生破壞的鉆井液密度較大值為坍塌壓力。當(dāng)采用水基鉆井液鉆井時(shí)，水基鉆井液中的活性水使得頁巖中的黏土礦物發(fā)生水化。此次研究采用油田現(xiàn)場(chǎng)所用的水基鉆井液浸泡井下頁巖巖心，獲得黏聚力隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系如下：

(6)

2 實(shí)例分析

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

基于泌陽凹陷陸相頁巖A水平井井下巖心開展實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合該區(qū)塊地質(zhì)資料、測(cè)井資料和實(shí)鉆資料，獲取泌陽凹陷陸相頁巖A水平井的參數(shù)(表1)。

2.2 井壁坍塌分析

在垂深2 100 m處，在水基鉆井液中裸露10 d的井壁發(fā)生剪切破壞的臨界鉆井液密度如圖2所示。圖2中周向?yàn)榫鄣姆轿唤?0～360 °)，徑向?yàn)榫鄣木苯?0～90 °)，由中心向外分別為0、30、60、90 °，圖3亦同)。由圖2可知：隨著井斜角增大，頁巖井壁發(fā)生剪切破壞的臨界鉆井液密度增大，這表明在井眼造斜過程中，若不及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)逐漸加大。由圖2a可知：頁巖基質(zhì)發(fā)生剪切破壞的臨界鉆井液密度為0.84～1.17 g/cm3；當(dāng)井斜角較小時(shí)(小于45 °，圖中藍(lán)色區(qū)域)，臨界鉆井液密度較小，為0.84～0.92 g/cm3；當(dāng)井斜角較大時(shí)(大于60 °，圖中紅色區(qū)域)，臨界鉆井液的密度較大，為1.02～1.17 g/cm3。圖2a表明：隨著井斜角增大，井壁巖石基質(zhì)發(fā)生剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)越大。地質(zhì)資料顯示，泌陽凹陷最小水平主地應(yīng)力為南北方向，水平井若沿最小水平主地應(yīng)力方向布置，則巖石基質(zhì)發(fā)生剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)最小，即井壁最為安全。由圖2b可知：頁巖層理發(fā)生剪切破壞的臨界鉆井液密度為0.54～1.46 g/cm3，隨著井斜角增大，井壁巖石層理發(fā)生剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)越大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：圖2a中藍(lán)色區(qū)域的臨界鉆井液密度值高于圖2b中的藍(lán)色區(qū)域，表明井斜角較小時(shí)頁巖基質(zhì)會(huì)先于頁巖層理發(fā)生剪切破壞；圖2a中紅色區(qū)域的臨界鉆井液密度值低于圖2b中的紅色區(qū)域，表明井斜角較大時(shí)頁巖層理會(huì)先于頁巖基質(zhì)發(fā)生剪切破壞。

表1 泌陽凹陷陸相頁巖A井參數(shù)

圖2 垂深為2100 m處發(fā)生剪切破壞的臨界鉆井液密度

取圖2中2個(gè)子圖中的臨界鉆井液密度較大值作為井壁的坍塌壓力，其結(jié)果如圖3a所示。A井直井段使用的水基鉆井液密度為1.0～1.1 g/cm3，直井段未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象；圖3a中直井段坍塌壓力(鉆井液當(dāng)量密度，下同)小于0.90 g/cm3，小于現(xiàn)場(chǎng)所用的鉆井液密度，故預(yù)測(cè)直井段不會(huì)發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況吻合。A井在造斜段使用的鉆井液的密度為1.20～1.38 g/cm3，當(dāng)井斜角超過60 °后，井壁出現(xiàn)了嚴(yán)重失穩(wěn)；圖3a中井斜角60～85°范圍內(nèi)坍塌壓力為1.32～1.45 g/cm3，表明現(xiàn)場(chǎng)在造斜井段采用的鉆井液密度偏小，導(dǎo)致頁巖沿著層理面發(fā)生了剪切破壞，致使井壁發(fā)生坍塌失穩(wěn)。A井在水平段使用的鉆井液的密度為1.56 g/cm3，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象；圖3a中的水平段坍塌壓力最大值僅為1.46 g/cm3，小于現(xiàn)場(chǎng)采用的鉆井液密度。此次研究預(yù)測(cè)水平段不會(huì)發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，與實(shí)鉆情況吻合。

圖3 水基鉆井液井壁坍塌壓力分布(井壁浸泡10d)

2.3 鉆井液密度優(yōu)選

泌陽凹陷頁巖油儲(chǔ)層水平井造斜段設(shè)計(jì)在10 d內(nèi)鉆完，當(dāng)采用水基鉆井液鉆井10 d時(shí)，不同埋深處裸眼井壁的坍塌壓力如圖3所示。通過對(duì)比圖3中4張圖可知：在垂深為2 055～2 446 m的造斜段中，井壁坍塌壓力分布情況主要受井斜角的影響，而受垂深的影響較小。基于圖3，針對(duì)泌陽凹陷頁巖油區(qū)塊造斜段最容易發(fā)生井壁坍塌的井段，推薦下述鉆井液密度方案：在直井段和井斜角為0～45 °的造斜段內(nèi)，均可采用1.10 g/cm3的水基鉆井液，既能保證井壁不坍塌，又能平衡地層壓力；在井斜角為45～70 °的造斜段內(nèi)，水基鉆井液密度維持在1.35 g/cm3以上，井壁不會(huì)發(fā)生坍塌；在井斜角為70～90 °的造斜段內(nèi)，水基鉆井液密度維持在1.50 g/cm3以上，井壁不會(huì)發(fā)生坍塌；由于儲(chǔ)層孔隙壓力僅為1.057 g/cm3，過平衡會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層傷害，因此，在井斜角為70～90 °的井段內(nèi)宜采用油基鉆井液。

3 結(jié)論與建議

(1) 考慮頁巖動(dòng)態(tài)水化作用，建立了流-固-化-熱耦合的陸相頁巖油儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定力學(xué)模型。預(yù)測(cè)的井壁穩(wěn)定性與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況吻合良好，證明了所建模型的合理性。

(2) 泌陽凹陷頁巖油區(qū)塊，隨著井斜角增大，頁巖井壁發(fā)生剪切破壞的臨界鉆井液密度增大。在造斜過程中，需及時(shí)提高鉆井液密度，防止井壁失穩(wěn)。泌陽凹陷頁巖油水平井若沿著最小水平主地應(yīng)力方向布置，則在造斜段井壁發(fā)生坍塌的風(fēng)險(xiǎn)最小。

(3) 針對(duì)泌陽凹陷頁巖油區(qū)塊，推薦下述鉆井液密度方案：在直井段和井斜角為0～45 °的造斜段內(nèi)，采用1.10 g/cm3的水基鉆井液；在井斜角為45～70 °的造斜段內(nèi)，可采用密度高于1.35 g/cm3的水基鉆井液；在井斜角70～90 °的造斜段內(nèi)，宜采用油基鉆井液。