不同裂縫傾角誘導井底巖爆動態演化數值模擬

羅成波, 何 龍, 蔣祖軍, 李 皋, 歐 彪, 孟英峰,肖國益, 嚴焱誠, 王希勇, 賈紅軍

(1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院, 德陽 618000； 2.西南石油大學國家重點實驗室, 成都 610599；3.中國石化西南油氣分公司, 成都 610041； 4.中國石油塔里木油田公司, 庫爾勒 841000)

氮氣鉆井鉆遇致密砂巖裂縫圈閉導致井底巖爆是QL1井惡性井噴事故的根本誘因,針對巖爆的動態演化過程進行系統分析并形成正確認識是恢復氮氣鉆井技術良性發展的緊迫需要[1]。

氮氣鉆井井底巖爆——氮氣鉆井鉆遇高壓裂縫圈閉,當裂縫與井底之間有一定距離時,由于裂縫與井底之間是低滲透的致密砂巖,裂縫內氣體不會向井筒滲流泄壓,裂縫內的壓力作為一種靜壓力作用于致密砂巖,井底壓力為環空氣柱低壓；當井底足夠接近裂縫時,裂縫內高壓與井筒低壓形成的高壓差導致致密砂巖巖石墻局部應力集中,使巖石瞬間崩裂、破碎,大量坍塌碎屑和釋放的高壓氣體噴入井內,釋放巨大能量,稱之為氮氣鉆井的井底巖爆。

氮氣鉆井中這種“巖石突然爆碎并與天然氣一起猛烈噴出”的工程現象,從未在中外氣體鉆井的文獻、專著、工程記錄中報道過,這種現象是第一次在鉆井工程中發現[1-3]。該現象與煤礦、金屬礦及隧道廠房等工程領域中的巖爆發生的機制有相似之處,但又有很大不同。

煤礦、金屬礦及隧道廠房等工程領域中的巖爆是指在開挖或其他外界擾動下,地下工程巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放,導致圍巖爆裂、彈射的動力現象[4-8],且力學誘因為地應力和開挖擾動應力或者遠場擾動應力,其中開挖擾動應力或者遠場擾動應力為主要誘因,而氮氣鉆井井底巖爆的力學誘因為地應力、開挖擾動應力和裂縫內的圈閉高壓,其中裂縫內的圈閉高壓為主要誘因。兩種巖爆的相同點為都具有很強的突發性、隨機性和危害性。

現應用多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics 4.3進行巖爆的動態演化數值模擬。建立井底逐漸接近裂縫的數值模型,基于致密砂巖巖體內部微裂縫起裂時對應的等效塑性應變為判斷標準,分別采用CWFS-DP(cohesion weakening and frictional strengthening-Drucker-Prager)強度準則、DP(Drucker-Prager)強度準則及MC強度準則進行平行數值計算,研究氮氣鉆井井底巖爆的動態演化過程。

1 數值模型

構建簡化的裂縫傾角為0°的幾何模型。裂縫傾角為0°的實體以及線框模型如圖1和圖2所示，由井筒、致密砂巖及簡化的裂縫面構成。

圖1 幾何模型實體圖Fig.1 Geometric model entity diagram

圖2 幾何模型線框圖Fig.2 Geometric model wireframe

幾何模型尺寸:模型長4 m,寬4 m,高3 m,井筒半徑為0.18 m。

1.1 材料屬性

致密砂巖基質的物理及力學參數如表1所示。

表1 致密砂巖基質的基本物理及力學參數

1.2 應力邊界條件

QL1井地應力及孔隙壓力參數:上覆地應力為47 MPa,水平最大地應力為50 MPa,水平最小地應力為49 MPa,井底壓力為0.38 MPa,裂縫圈閉高壓為30 MPa。

1.3 位移邊界條件

模型的下表面邊界為裂縫內高壓氣體對致密砂巖基質的靜壓力,前后表面邊界條件為在x方向位移為0,左右表面邊界條件為在y方向位移為0,上表面邊界條件為在z方向位移為0,井筒表面邊界條件為環空氣柱壓力,如圖3所示。

圖3 完整模型邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of boundary conditions

2 巖爆計算理論模型

Hajiabdolmajid等[9]在Mohr-Coulomb強度準則的基礎上,基于巖石損傷演化理論,提出了內聚力弱化-摩擦力強化的硬巖本構模型,如圖4所示。該本構模型在高地應力條件下硬巖脆性破壞深度和范圍的模擬效果較好,具有良好的工程應用前景。

σ3為圍壓；σ1為軸壓；為有效圍壓；為內聚力弱化塑性參數；為摩擦力強化塑性參數圖4 脆性破壞過程中裂紋演化對巖石強度的影響示意圖Fig.4 Schematic diagram of crack evolution on rock strength during brittle failure

基于CWFS模型,則Mohr-Coulomb和Drucker-Prager模型可以分別演化為式(2)和式(4)[9-12]。

2.1 Mohr-Coulomb強度準則

τ=c+σtanφ

(1)

(2)

式中:τ為沿平面剪應力,MPa；c為內聚力,MPa；σ為垂直平面正應力,MPa；φ為內摩擦角,(°)；εp為等效塑性應變,%。

2.2 Drucker-Prager強度準則

(3)

(4)

式中:

I1=σii=σ1+σ2+σ3=σx+σy+σz

(5)

為應力第一不變量；

(6)

為應力偏量第二不變量；

α、K為僅與巖石內摩擦角φ和內聚力c有關的實驗常數，即

(7)

(8)

Martin等[18]用圖5所示的計算方法獲得的Lacdu Bonnet花崗巖的微裂縫起裂應力σci=0.4σf,本節計算井底巖爆動態演化過程,需要使用微裂縫起裂應力時的等效塑性應變,因此,借助圖5所示的方法,結合致密砂巖三軸實驗數據,確定三軸應力狀態時致密砂巖微裂縫的起裂應力為σci=0.43σf。微裂縫起裂時,巖體內出現新的微裂縫,微裂縫主要是沿著礦物晶體之間的晶體邊界或者顆粒之間的孔隙隨機形成新的微裂縫,此時內聚力開始下降,摩擦力開始增加,滿足CWFS-DP準則的使用條件。

ε1為軸向應變；ε3為徑向應變；εv為體積應變；為微裂縫體積應變；σci為微裂縫起裂應力；σcd為裂縫非穩定擴展應力；σf為峰值應力圖5 致密砂巖三軸實驗圖Fig.5 Triaxial experiment on tight sandstone

3 計算結果分析

圖6～圖9分別為井底塑性破壞區動態演化直至產生井底巖爆過程示意圖。

裂縫傾角為0°導致巖爆動態演化分析過程如圖6所示。裂縫傾角為15°導致巖爆動態演化分析過程如圖7所示。裂縫傾角為30°導致巖爆動態演化分析過程如圖8所示。裂縫傾角為45°導致巖爆動態演化分析過程如圖9所示。

圖6 井底塑性破壞區動態演化過程Fig.6 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

圖7 井底塑性破壞區動態演化過程Fig.7 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

圖8 井底塑性破壞區動態演化過程Fig.8 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

圖9 井底塑性破壞區動態演化過程Fig.9 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

從圖6～圖9可知,塑性破壞區首先出現在井底附近和裂縫面附近,中間區域未出現破壞區,且塑性破壞區隨著井底和裂縫之間距離的減小而逐漸增大,破壞區增大的方向是從裂縫方向往井底延伸,直至塑性破壞區貫通井底,井筒低壓和裂縫內的高壓連通,井底巖爆發生。

4 DX1井巖爆發生過程錄井數據分析

DX1井井底巖爆發生后隨鉆監測數據分析如圖10～圖13所示。

圖10 大鉤載荷及套管壓力Fig.10 Diagram of hook load and casing pressure

圖11 鉆壓及鉆時Fig.11 Weight on bit and drilling time

從圖10和圖11可知,A點和D點表示監測到井底巖爆,高壓氣體攜帶巖屑沖擊鉆具,產生瞬間巨大上頂力,從圖中看出,懸重降低10 t左右,鉆壓升高100 kN,說明瞬間上頂力為10 t左右。圖10中的BC段以及圖11中的EF段,鉆具上提,在鉆具上提過程中,聚集在鉆頭附近的巖屑被從裂縫中持續流出的高壓高速氣體排出,鉆具的失重現象逐漸消失。圖11中的GH段,在鉆具下放劃眼過程中,鉆壓一直都有數值,說明巖爆后產生局部井段砂堵,然后下放劃眼過程中產生的摩擦力導致鉆壓一直都有數值。從圖10中可知,套管壓力的數值始終為0,說明巖爆產生的巖屑并未在排砂管線處形成堵塞,可以推測此次巖爆為烈度較小的巖爆。

圖12中顯示了兩種排砂管線壓力,是由于在排砂管線的上游和下游安裝了兩個傳感器。從圖12可知,當巖爆發生以后,裂縫中的高壓氣體攜帶被破碎的巖屑運移至排砂管線,此時,距離巖爆發生2～3 min,因此,排砂管線壓力升高,由于巖屑的不均勻排出,導致壓力波動,此階段持續大概5 min。

圖12 排砂管線壓力Fig.12 Pressure diagram of sand discharge pipeline

圖13 返出甲烷濃度Fig.13 Returned methane concentration

從圖12可知,未產氣時,壓差Δp=3.5 kPa,產氣,但未發生巖爆時,Δp=4 kPa,將14:29至14:33時間短的Δp曲線段,近似為矩形,Δp=8 kPa,總共持續了5 min,可計算巖爆發生以后,排出的巖屑總量大約為0.25 m3。

從圖13可知,巖爆碎屑被排出后,被碎屑堵塞的天然氣排出,因此甲烷濃度升高,而后逐漸進入穩定狀態。

5 結論

(1)井底巖爆動態演化過程即是井底逐漸接近高壓裂縫圈閉,塑性破壞區首先出現在井底附近和裂縫面附近,中間區域未出現破壞區,且塑性破壞區隨著井底和裂縫之間距離的減小而逐漸增大,且破壞區增大的方向是從裂縫方向往井底延伸,直至塑性破壞區貫通井底,井筒低壓和裂縫內的高壓連通,井底巖爆發生。

(2)井底巖爆動態演化過程分析研究可以充分解釋DX1井隨鉆監測參數的異常變化,其研究結果不僅可為巖爆的防治提供理論基礎,而且在石油工程領域為深部巖體動力學失穩研究提供了一個新的視角。