礫石層空氣鉆井井壁失穩(wěn)機理研究及應(yīng)用

劉殿琛，韓烈祥，楊 沛

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中石油欠平衡與氣體鉆井試驗基地 3中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院)

空氣鉆井在致密巖性地層、難鉆地層具有極大的優(yōu)勢，氣體鉆井能夠大幅度提高鉆井速度，增加單只鉆頭進尺，對于提高致密性地層、難鉆地層鉆井速度具有重大的意義[1-3]。

2006年至今，氣體鉆井技術(shù)在塔里木油田共進行了9口井13井次應(yīng)用(不包括氮氣鉆井)，提速效果明顯。基于前期現(xiàn)場認(rèn)識及研究成果，選出BZ區(qū)塊庫車組和康村組礫石層進行空氣鉆井試驗，在鉆進過程中雖未鉆遇地層出水，但發(fā)生了比較嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)問題，導(dǎo)致了井下卡鉆事故[4]。

在空氣鉆井井壁失穩(wěn)機理及對策方面，朱忠喜和楊旭等對空氣鉆井條件下溫度對井壁穩(wěn)定的影響進行了深入分析[5-6]。李皋等認(rèn)為氣體鉆井井壁失穩(wěn)機理主要包括由于缺乏足夠井筒流體壓力支撐引起的力學(xué)失穩(wěn)[7]。聶臻等考慮巖石材料峰后的應(yīng)變軟化特性、剪切膨脹特性，建立了氣體鉆井井壁穩(wěn)定性模型[8]。馮武宏等對氣體鉆井中井壁穩(wěn)定、井斜控制、摩阻大、轉(zhuǎn)換過程中井壁剝落、出水以及鉆具斷裂和硫化氫問題做出了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案[9]。金衍從氣體鉆井井壁圍巖的力學(xué)特性出發(fā)，確定了井壁圍巖應(yīng)力場的分布，結(jié)合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，建立了氣體鉆井條件的井壁穩(wěn)定模型，即彈塑性模型和硬脆性模型[10]。孫長健提出了氣體鉆井后鉆井液的轉(zhuǎn)換時鉆井液體系的選擇、鉆井液的配制、鉆井液的性能要求，同時開展了現(xiàn)場試驗[11]。魏武提出了在特殊井下情況下泥頁巖井壁穩(wěn)定對處理劑的性能要求，并對氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑的實驗評價方法進行了探討[12]。鄧虎建立起鉆井液濾液在井周地層中的滲透運移規(guī)律和水化應(yīng)力與地層強度隨時間變化的規(guī)律[13]。王怡發(fā)展了一種任意井斜條件下的考慮合理井壁破損的氣體鉆井井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析模型[14]。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然國內(nèi)外對于氣體鉆井條件下的井壁失穩(wěn)機理進行了深入分析，但在分析階段仍然考慮孔隙壓力對井壁穩(wěn)定影響，但在正常的空氣鉆井條件下，孔隙壓力基本為零，因此需要建立孔隙壓力為零條件下的井壁穩(wěn)定模型，為空氣鉆井井壁穩(wěn)定分析提供理論支撐。

一、空氣鉆井壁穩(wěn)定模型及失穩(wěn)機理

1.空氣鉆條件下的井壁受力模型

傳統(tǒng)的井壁穩(wěn)定模型，對于直井來講，當(dāng)采用柱坐標(biāo)體系時，井筒周圍的有效應(yīng)力可以表示為：

(1)

(2)

(3)

在礫石層鉆井條件下，由于在層位優(yōu)選階段就要避免地層出水，因此空氣鉆井條件下新的井壁穩(wěn)定模型為：

(4)

(5)

(6)

式(1)～式(6)中：σrr—井筒周圍的徑向應(yīng)力,MPa；σθθ—井筒周圍的周向應(yīng)力,MPa；τrθ—井筒周圍的切向應(yīng)力,MPa；SHmax—水平最大主應(yīng)力的大小,MPa；SHmin—水平最小主應(yīng)力的大小,MPa；θ—水平最大主應(yīng)力的方位與指定方向的夾角,°；p0—地層孔隙壓力,MPa；σΔT—由于溫度引起的應(yīng)力,MPa；ΔT—井底溫度和地層溫度之間的差值,℃；R—井筒半徑,m；r—地層中某點同井筒中心之間的距離,m。

2.離散元模型的建立與井壁失穩(wěn)過程

由于礫石地層的非均質(zhì)性分布，采用傳統(tǒng)的軟件進行模擬無法有效表征其整個破壞過程，為了解決該問題，采用離散元方法對礫石層井壁失穩(wěn)過程進行模擬。

以庫車組礫石層地質(zhì)和工程參數(shù)為基礎(chǔ)，建立離散元數(shù)值模型，模型參數(shù)包括：模擬地層：庫車組；深度：2 000 m；礫石特征：中-細(xì)礫巖；礫石最大半徑：40 mm；礫石最小半徑：8 mm；充填基質(zhì)半徑：1～2 mm；膠結(jié)程度：較差；地層孔隙度20%，地層中無流體；最大水平主應(yīng)力：47 MPa；最小水平主應(yīng)力：36 MPa；井眼尺寸：431.8 mm。

圖1 應(yīng)力加載與裂縫起裂

圖1顯示了裂縫起裂過程，左圖中紅線代表應(yīng)力加載大小，水平方向?qū)?yīng)最大水平主應(yīng)力，垂直方向?qū)?yīng)最小水平主應(yīng)力。裂縫擴展過程中，井眼附近的綠色點狀物表示張性裂縫(見圖1右)，紅色的點狀物表示剪切裂縫。裂縫首先在井壁附近形成，圖中裂縫數(shù)相對較少且不明顯，用程序統(tǒng)計裂縫數(shù)量顯示，張性裂縫要多于剪切裂縫。當(dāng)井壁周圍有礫石大顆粒時，張性裂縫在礫石大顆粒周圍形成，之后在礫石顆粒周圍大量聚集并伴隨有少量的剪切縫，裂縫相互連通造成礫石顆粒的脫落。為便于觀察井壁周圍裂縫擴展形態(tài)，通過設(shè)置程序命令保證地層破壞區(qū)域的完整性，但實際上裂縫擴展到的區(qū)域已經(jīng)坍塌掉塊。

圖2 裂縫傳播過程

裂縫在井周礫石大顆粒周圍形成后，與附近的裂縫迅速貫通，在地應(yīng)力的作用下，大量聚集的裂縫會沿著最小主應(yīng)力方向傳播(見圖2)，圖2模型中的最小地應(yīng)力方向是沿著縱向，因此會形成一個長軸為縱向方向的橢圓井眼(圖3中紅色橢圓)。

圖3顯示井壁破壞形式，其中黑色線的粗細(xì)代表顆粒間接觸力的大小，沒有接觸力的部分表示已經(jīng)發(fā)生掉落和坍塌。值得注意的是，井眼右側(cè)礫石顆粒周圍也造成了大量的掉塊(藍(lán)色圓)，而井壁左側(cè)沒發(fā)生破壞，原因是井壁右側(cè)分布較多礫石大顆粒，與膠結(jié)物膠結(jié)程度差，存在微裂縫，在剪切應(yīng)力的作用下，裂縫擴展貫通，降低井壁巖石強度，引起井壁掉塊。

圖3 井眼破壞形式

3.粒徑特征對井壁失穩(wěn)影響

基于粒徑分布的統(tǒng)計，選擇礫石顆粒半徑：0.5～2 mm、1.5～3 mm、2.5～4 mm和3.5～5 mm。模型計算時間：2×10-3s。

圖4 不同礫石粒徑分布的井壁失穩(wěn)特征

圖4為四種礫石粒徑分布在相同運算時間后井眼模型的破壞特征，紅色點狀部分代表裂縫，紅色箭頭代表裂縫擴展方向，紅色點狀部分大量聚集代表裂縫帶形成并發(fā)生圍巖剝落掉塊，井周的礫石大顆粒降低了井壁圍巖的抗壓強度，在井眼剪切應(yīng)力的作用下，礫石層井壁圍壓產(chǎn)生掉塊，形成以最小水平主應(yīng)力方向為長軸的不規(guī)整崩落橢圓。同時，不同礫石粒徑分布的井眼模型裂縫擴展方向有細(xì)微的差別，礫石顆粒越大，礫石位置分布對裂縫擴展的影響越大，井周破壞區(qū)域向礫石大顆粒方向延展。

礫石顆粒半徑為0.5～2 mm時，井壁坍塌區(qū)域在近井眼處，礫石顆粒的脫落和膠結(jié)物的破裂幾乎同時發(fā)生，井周礫石分布對裂縫擴展方向影響較小，裂縫幾乎沿著最小主應(yīng)力方向即Y軸方向擴展，但破壞區(qū)域在Y軸方向距離較短；當(dāng)?shù)[石顆粒半徑為1.5～3 mm時，井周破壞區(qū)域涵蓋了X軸方向大顆粒礫石所在區(qū)域，礫石大顆粒周圍膠結(jié)面強度低，優(yōu)先發(fā)生破壞，形成裂縫聚集區(qū)，同時多個裂縫聚集區(qū)相互貫通，加速了裂縫擴展過程，破壞區(qū)域在Y軸方向距離較長；當(dāng)?shù)[石顆粒半徑為2.5～4 mm時，微裂縫沿著最大主應(yīng)力方向傳播，逐漸和附近大粒徑礫石顆粒裂縫聚集區(qū)連通，擴展過程更迅速，破壞區(qū)域在Y軸方向距離更遠(yuǎn)；當(dāng)?shù)[石顆粒半徑為3.5～5 mm時，礫石顆粒從膠結(jié)物上剝離，形成不規(guī)則井眼，在井筒周圍大粒徑礫石顆粒聚集區(qū)井壁失穩(wěn)更加突顯。對于相同井眼尺寸的礫石層，在非均勻構(gòu)造應(yīng)力作用下，礫石顆粒粒徑分布影響井周裂縫擴展過程，顆粒粒徑越大(大于3 mm時)，多個裂縫聚集區(qū)相互貫通，裂縫擴展更遠(yuǎn)，井壁破壞區(qū)域延伸到井周深處。

離散元模擬結(jié)果顯示，膠結(jié)物及膠結(jié)物同礫石之間的強度、礫石粒徑大小對井壁穩(wěn)定具有決定的作用。礫石層井壁失穩(wěn)破壞時破壞的只是膠結(jié)物，之后礫石顆粒從井壁上剝落下來。采用空氣鉆井時，必須保證礫石顆粒能被攜帶出井筒；當(dāng)?shù)[石顆粒不能被帶出時，極易造成井底沉砂，甚至卡鉆。

二、現(xiàn)場應(yīng)用驗證

基于以上建立的空氣鉆井井壁穩(wěn)定模型和井筒失穩(wěn)過程分析，結(jié)合BZ區(qū)塊空氣鉆井情況，對以上結(jié)論進行了驗證。

1.礫石層膠結(jié)物強度及粒徑大小分析

在礫石含量相同時，礫石粒徑越大，巖石強度越低；膠結(jié)物強度越大，巖石強度越大。通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，礫石粒徑越大，井壁越易形成坍塌和掉塊，當(dāng)?shù)[石粒徑較大時(一般大于5 mm時)，巖屑很難被帶離井底，造成沉砂過多、起下鉆遇阻和卡鉆問題。

2.沉砂規(guī)律研究

BZ101井?333.375 mm井眼沉砂規(guī)律為8 m/100 m(即每100 m地層產(chǎn)生8 m的沉砂)，BZ102井?333.375 mm井眼沉砂規(guī)律為17.9 m/100 m。影響沉砂厚度的主要為膠結(jié)物強度和礫石粒徑(見圖5)。

3.沉砂原因分析

基于BZ102井空氣鉆井情況模擬可知，當(dāng)井眼直徑為333.375 mm、井深為4 700 m時，模擬結(jié)果如圖6所示。400 m3/min注氣量在井眼擴大20%時，僅可攜帶5 mm粒徑的砂粒，井眼擴大40%時，僅可攜帶3 mm粒徑的砂粒。

鉆頭打開地層后形成坍塌橢圓，形成大量沉砂，且為礫石，因此注入井筒空氣的攜巖能力將會對沉砂速度及沉砂深度有較大影響。

圖5 沉砂規(guī)律特征

圖6 不同巖屑直徑同排量之間的關(guān)系

三、結(jié)論

(1) 礫石層鉆井時，坍塌橢圓有利于降低井壁周圍應(yīng)力集中，井底沉砂的主要來源是形成坍塌橢圓的巖石。

(2) 膠結(jié)物的含量和強度、礫石粒徑大小對井壁穩(wěn)定影響大，空氣鉆井適合于礫石分布均勻的小礫巖地層(粒徑小于5 mm)，對于大和中粒徑礫石層，需考慮膠結(jié)強度對井壁穩(wěn)定的影響。

(3) 目前空氣鉆井條件下的攜巖能力計算均未考慮不規(guī)則井徑的影響，因此需進一步加強研究。加強并完善上部礫石電測數(shù)據(jù)采集，進一步加強和細(xì)化礫石含量、粒徑大小及分布規(guī)律研究，為空氣鉆井井位優(yōu)選提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。