威遠地區頁巖氣水平鉆井井壁穩定影響因素分析

楊光偉

摘? 要：隨著我國能源結構的不斷優化，頁巖氣的勘探開發已被列入了國家戰略開發范圍。由于頁巖氣藏儲層特征決定，采用水平井工藝可大大提高頁巖氣開發效率因此得到了極為廣泛的應用，井壁穩定問題作為影響水平井開發效果的重要因素之一。本文以四川威遠地區頁巖氣藏為研究對象，重點分析頁巖氣水平鉆井過程中影響井壁穩定的因素，并提出相應對策。

關鍵詞：頁巖氣? 水平井? 井壁穩定分析

中圖分類號：TE243 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0047-02

頁巖氣具有較大的資源潛力、較長的開采壽命和生產周期，目前已成為能源研究的熱點和突破口。但頁巖氣藏是低豐度、低品位非常規天然氣藏，采用直井鉆井方式無法對其進行經濟有效的開發。采用水平井開發方式，能夠有效增加頁巖氣儲層暴露面積，進而提高單井產量，目前在國內外得到了極為廣泛的應用。四川威遠—長寧構造地層出露老、地表疏松、成巖性差，二疊系龍潭組地層含鋁土質泥巖，易水化膨脹、水敏性強，目的層頁巖性脆、易掉塊，出現破碎性垮塌;同時構成頁巖的粘土礦物對流體敏感性強，鉆井液長時間的沖刷浸泡將會加劇頁巖的垮塌。諸多因素的影響引起頁巖氣水平井出現井壁失穩問題，因此，從安全、高品質、快速、高效的鉆井角度出發，研究頁巖氣水平井鉆井過程中井壁穩定問題就顯得特別重要。

1? 井壁失穩機理分析

鉆井前，原狀地層所受的地應力及孔隙壓力處于平衡狀態。鉆井后，井眼的形成破壞了原始地應力的平衡狀態，導致井壁圍巖的應力重新分布。鉆井時，井眼通過低強度地層產生的應力集中可能導致井壁圍巖破壞，即井壁力學失穩。鉆井液作為石油工程的“血液”，在鉆井過程中，對于大部分地層及井壁巖石，鉆井液密度只需稍稍大于地層孔隙壓力梯度就能保持井下壓力和井壁地層應力的平衡，實現鉆井井壁穩定。而對于泥頁巖地層，粘土礦物具有極強的水敏性，僅靠調整鉆井液密度無法保持井壁地層的穩定，有時甚至使井壁失穩加劇。

1.1? 力學因素導致井壁失穩

從力學角度分析井壁失穩有兩種基本形式：壓縮剪切破壞和拉伸破壞。

在鉆開井眼前，地下巖石處于應力平衡狀態。鉆開井眼后，井壁地層原有的支撐被井筒內鉆井液的業主壓力所取代，井眼周圍的應力進行了重新分布。當地應力、巖石強度和孔隙壓力等一系列地層參數與井內液柱壓力、鉆井液性質等工程參數之間不能達到平衡時，將會引起不同形式的井眼破壞。如：當井內液柱壓力低于井壁巖石的剪切強度時，井壁巖石將會發生剪切破壞，當井內液柱壓力高于井壁巖石的拉張強度時，井壁巖石將會發生張性破壞，即在井壁地層形成裂縫，造成井漏。

1.2 化學因素導致井壁失穩

鉆井過程中，鉆井液等外來流體與地層不配伍，將會打破地層原有的化學平衡。水敏性粘土礦物是泥頁巖的主要成分，不同的鉆井液體系作用于泥頁巖結果各不相同。大量研究成果表明，泥頁巖地層與鉆井液在井下溫度和壓力條件下接觸將產生如下三種相互作用。

（1）鉆井液和地層流體的離子濃度差引起的離子擴散交換作用;（2）泥頁巖和鉆井液中水的化學勢差異產生的擴散滲透作用;（3）鉆井液柱壓力與地層流體壓力的壓差作用引起的鉆井液濾液沿泥頁巖的微裂隙的侵入。

上述三種作用將會導致泥頁巖地層吸水膨脹，使井壁圍巖的應力分布和地層巖石特性發生顯著變化，最終導致井壁失穩，發生鉆井復雜事故。

1.3 工程因素導致井壁失穩

導致鉆井井壁失穩的工程因素主要包括：鉆井液的性能與性質、井壁地層的浸泡時間、鉆井液對井壁的沖刷程度、鉆井液循環產生的波動壓力、起下鉆時的鉆井液激動壓力、鉆柱對井壁地層的摩擦和碰撞等。因此，導致井壁失穩的因素可以概括為一種力學因素，其實質就是井壁地層巖石所受應力超過了其強度進而產生地層破壞。

2? 頁巖氣水平鉆井井壁穩定性研究

大量文獻表明，水平地應力的不均衡對地層坍塌壓力和地層破裂壓力具有顯著的影響，當最大水平地應力與最小水平地應力的比值越大，坍塌壓力與破裂壓力的差值就越小，鉆井作業就越困難。地應力的不均衡是井壁力學失穩的主要誘因之一。因此，要分析井壁穩定，井壁地層的坍塌壓力和破裂壓力是基礎。

2.1 坍塌壓力計算

通過分析井壁處主應力分布情況，此前有關井壁應力分布情況已有大量研究結果，限于篇幅，文章不進行公式推導。由Mohr-Coulomb準則可知：巖石最大、最小主應力仍然分別為切向應力σθ和徑向應力σr。σθ在θ=90°和θ=270°處達到最大，井壁發生坍塌。則：

當水平井井軸沿最大水平應力σH（或σh）方向時：

2.2 破裂壓力計算

當井內鉆井液液柱壓力過高時，在井壁處會出現拉應力，根據最大拉應力理論可知，當巖石內任意點的最小主應力σ3超過巖石的抗拉強度σt時，巖石便會發生拉伸破壞，考慮孔隙壓力的影響，則有：

（1）當水平井井軸沿σH（或σh）方向時，形成橫向裂縫的破裂壓力分別為

（2）當水平井井軸沿σH（或σh）方向時，形成縱向裂縫的破裂壓力分別為

3? 實例應用

W201井是一口垂直評價井，用來獲取龍馬溪組和筇竹寺組地層的地化、巖礦、物性、巖石力學和地層含油氣性等資料。該井采用隨鉆測井方式，根據測井解釋結果顯示在1390～1460m處出現井壁垮塌。

W201-1井是該地區的一口頁巖氣水平井，目標層是志留系下部龍馬溪組黑色頁巖氣層。通過參考井的測井資料對比：目標層埋深為1477.43～1518.6m，層厚約40m，其中優質氣層厚度約18.7m。根據施工數據顯示，鉆井采用油基泥漿體系。當鉆至2738m時再次無法鉆進，隨著泥漿比重在水平段不斷增加，井漏現象變得嚴重。這表明當泥漿比重變得太高時，地層發生了破裂。完鉆深度2823m，水平段1079m，基本達到鉆井設計目標。

分析原因為：該區塊頁巖儲層應力分布規律為最小水平主應力〈上覆巖層壓力〈最大水平主應力，且發育有微裂縫。威遠地區志留系龍馬溪組頁巖地層中的粘土含量較大，粘土礦物因水化作用使井眼坍塌而擴徑嚴重，同時頁巖地層層理及微裂縫發育，地層巖石強度低，容易破碎，地層破裂壓力較低，水平井井壁穩定性較差，地層中存在微裂縫導致地層漏失壓力較小，通過增大鉆井液密度來保持井壁穩定反而容易壓開裂縫，因此要在保證鉆井液封堵效果的前提下，適當提高鉆井液密度。

4? 結語

地下巖石應力平衡是控制頁巖地層井壁穩定的基礎，通過研究分析得出威遠地區該儲層地應力分布情況為最小水平主應力〈上覆巖層壓力〈最大水平主應力，且發育有微裂縫，地層易破碎。通過分析井壁地層失穩的機理確定合適的水平井段鉆井方案，結合地層巖石力學分析及地層巖石物理性質選擇合理的鉆井液密度及鉆井液性能可以有效保證鉆井井壁的穩定。

參考文獻

[1] 陳秀榮.泥頁巖井壁穩定性研究[D].中國地質大學，2009.

[2] 陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學[M].北京：科學出版社，2008.