深層脆性頁巖水平井井壁崩落失穩研究

劉厚彬 ，崔帥 ，孟英峰 ，周彥行 ，羅益

（1.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；2.西南石油大學保衛處安全消防科，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司通信與信息技術中心，四川 遂寧 629000）

0 引言

隨著鉆井深度的不斷加深，深層脆性頁巖地層發生井壁失穩的比例越來越高［1-3］。綜合成像測井、井下取心等現場信息發現，井壁垮塌通常表現為井壁崩落掉塊，對應發生井壁垮塌層位的層理與裂縫較為發育。鉆井過程中，井底有效當量循環密度存在一定范圍的波動，井底激動壓力的變化更加容易引起井壁巖石沿層理或裂縫發生崩落［4-5］。

國內外學者針對脆性頁巖地層的井壁穩定性問題開展了大量研究工作。Ma等［6-7］通過實驗測試和數學模型模擬，分析了硬脆性泥頁巖地層井壁坍塌的原因。Zhou等［8］分析了圍壓加卸載速度對頁巖力學參數、破壞特征的影響，提出了一種考慮卸載效應的脆性特征評價新方法。李緒鋒等［9-10］綜合考慮弱面等因素的影響，建立了頁巖水平井鉆井過程中井壁坍塌壓力的計算模型。

目前，對頁巖水平井在不同井下條件的井壁拉伸崩落失穩機理仍然認識不足，需進一步研究。為此，針對瀘州區塊龍馬溪組深層頁巖開展了井壁崩落失穩研究，制定了井下工況下力學加卸載模擬實驗方案，分析了圍壓加卸載速度對巖石力學性能參數的影響，建立了深層脆性頁巖水平井井壁崩落失穩模型。

1 頁巖主要特征

以瀘州區塊龍馬溪組井下頁巖為研究對象，取心平均深度在3 500 m以上。該區塊頁巖以黏土、石英礦物為主，質量分數均在45%左右，含少量的斜長石、方解石、白云石。黏土礦物以弱膨脹性的伊利石、綠泥石為主，含少量伊/蒙混層，平均脆性指數高達 60%［11-12］。

該地區水平井鉆進過程中，造斜段、水平段多次發生井下垮塌遇阻現象。通過分析井下打撈上來的巖心和掉塊，發現該層段含裂縫發育的薄層，巖心較為破碎松散。利用掃描電鏡測試了龍馬溪組頁巖的微觀結構特征，發現龍馬溪組頁巖微裂縫貫穿整個視域，層理縫發育，層狀結構明顯。結合前述巖石礦物組成及質量分數對比分析，通常該類頁巖脆性強，水化膨脹能力弱，在高外應力下容易產生微裂縫，巖石容易沿層理縫發生破壞。

2 實驗方法

為了研究井底壓力環境下脆性頁巖水平井井壁拉伸崩落失穩的變化規律，采用力學加卸載實驗測試了井底復雜載荷變化對深層脆性頁巖力學性能及破壞規律的影響。

為了消除巖心非均質性給實驗帶來的影響，首先將巖心制成符合GB/T 23561.2—2009《煤和巖石物理力學性質測定方法》的試件，然后在干燥箱環境下烘烤24 h，最后利用體式顯微鏡、聲波測試裝置篩選符合該標準的巖心進行實驗［13］。最終篩選出來的巖心特征及參數如表1所示。

表1 篩選巖心的特征及參數

2.1 巖石力學性能測試

綜合現場工程、地質等信息，鉆井過程中起下鉆速度過快極易導致井壁垮塌事故，由此推斷圍壓的變化速度會影響井壁的穩定性［14-16］。本次實驗采用MTS三軸試驗機（600 kN）進行不同圍壓卸載速度的巖石力學性能測試。圍壓卸載實驗之前，分別測試9#、15#巖心在20 MPa圍壓下的抗壓強度，把該強度作為其他巖心圍壓卸載實驗需要加載軸壓大小的參考標準。為保證巖心的完整性，防止因加載軸壓過大使巖心提前壓壞，以便觀察后面圍壓卸載實驗的變化規律，23#和10#巖心、1#和3#巖心卸載圍壓時，加載軸壓分別為9#、15#巖心抗壓強度的50%。

實驗開始，圍壓和軸壓加載到設定值后，保持軸壓不變，23#、1#巖心按照10 min內圍壓從20 MPa卸載到0 MPa的速度進行測試，10#、3#巖心按照5 min內圍壓從20 MPa卸載到0 MPa的速度進行測試，觀察巖心何時發生破壞，由此來研究圍壓卸載速度對巖石力學性能的影響。

2.2 巖石縱、橫波速度測試

本次加卸載實驗過程中，測試了所有巖心縱、橫波速度的動態變化。通過對比分析巖心聲波時差的變化規律，以間接評價力學加卸載對井壁巖石力學性能的影響［17］。

本次實驗對三軸試驗機的巖心夾持器進行了改裝，在原巖心夾持器上下兩端裝有聲波測試傳感器。通過連接傳感器與聲波測試裝備，在加卸載實驗過程中利用電腦軟件記錄巖心縱、橫波速度的動態變化過程。

3 實驗結果

按照上述實驗方法開展了井底復雜載荷下頁巖的力學加卸載實驗，結果如表2所示。圍壓卸載實驗過程中，縱、橫波速度的動態變化規律如圖1所示。

表2 圍壓卸載實驗結果

圖1 圍壓卸載實驗中縱、橫波速度的動態變化規律

實驗過程中，隨著圍壓、軸壓增大，巖心壓實，縱、橫波速度增大，當達到某一值后，巖心縱、橫波速度變化很小；隨著圍壓不斷地減小，巖心慢慢被破壞，出現裂縫，縱、橫波速度減小，在巖心破壞瞬間，縱、橫波速度突然下降。不同圍壓卸載速度的實驗表明，加載軸壓相同的條件下，圍壓卸載速度越快，越容易導致巖心發生破壞，巖心破壞時卸載掉的圍壓相對越小，即井底激動壓力變化越迅速，越容易引起井壁巖石發生破壞，在井下崩落掉塊。通過對比實驗后的巖心發現，巖心主要沿著層理縫發生脆性劈裂破壞。

4 井壁拉伸崩落失穩判斷模型

4.1 模型建立

對于井壁巖石而言，井壁崩落掉塊的條件為井壁巖石的徑向應力為拉應力，且拉應力大于巖石自身的抗拉強度［18］。對于含有層理、裂縫的地層，判斷井壁是否沿層理、裂縫發生崩落掉塊，需要研究作用在層理、裂縫面上的法向主應力大小。當作用在層理、裂縫面上的法向主應力為拉應力，且拉應力大于層理、裂縫間的抗拉強度，則井壁會發生崩落掉塊；反之，井壁不會發生崩落掉塊。此處假設巖心為橫觀各向同性。

假設地應力場直角坐標系為σHσhσv，層理面直角坐標系為XsYsZs，地層層理或裂縫傾向與最大水平主應力方向的夾角為αs，層理或裂縫面傾角為βs。以地應力場直角坐標系為基準，沿σv方向軸線旋轉αs，然后沿σh方向軸線旋轉90°-βs，便可得到層理面直角坐標系（見圖2a）。結合地應力場與層理面直角坐標系的空間角度關系，地應力場與層理面直角坐標系的空間笛卡爾坐標轉換矩陣W可表示為

假設斜井井眼軸線直角坐標系為XbYbZb，斜井的方位角與井斜角分別為αb，βb。以地應力場直角坐標系為基準，沿σv方向軸線旋轉αb，然后沿σh方向軸線旋轉βb，便可得到斜井井眼軸線直角坐標系（見圖2b，其中θ為井周角）。地應力場與斜井井眼軸線直角坐標系的空間笛卡爾坐標轉換矩陣G可表示為

為了評價斜井井壁的巖石崩落垮塌情況，需要建立斜井井眼軸線柱坐標系（rθZb）。沿斜井井眼軸線直角坐標系的Zb方向旋轉θ，便可得到斜井井周任一位置點的柱坐標系（見圖2c）。結合斜井井眼軸線直角坐標系與柱坐標系的空間角度關系，斜井井眼軸線直角坐標系與柱坐標系的空間笛卡爾坐標轉換矩陣C可表示為

圖2 各坐標系之間的空間角度關系示意

結合地應力場分布及建立的空間笛卡爾坐標轉換矩陣，便可評價不同井型井壁上任意分布的裂縫、層理面上的法向主應力大小，進而判斷井壁是否會沿層理、裂縫發生崩落掉塊。假設地應力場主應力已知，其分布矩陣 σins為

結合空間笛卡爾坐標轉換矩陣，便可得到斜井井眼軸線柱坐標系下的井周應力場分布矩陣σcws：

式中：σrr，σθθ，σzz分別為斜井井眼軸線柱坐標系下井周應力場的徑向主應力、周向主應力、法向主應力，MPa；τrθ，τθz，τrz為斜井井眼軸線柱坐標系下井周應力場的剪切應力分量，MPa。

結合地層層理、裂縫三維空間展布及其與地應力場的空間角度關系，利用空間笛卡爾坐標轉換矩陣，便可得到不同井型井周層理、裂縫面上的應力場分布矩陣σbfp：

利用式（6）便可計算作用在層理、裂縫面上的主應力及剪切應力。結合拉伸崩落失穩準則，即可判斷井壁是否發生崩落掉塊。

4.2 模型應用

以某井為例，該井為瀘州區塊的一口頁巖氣水平井，所鉆水平井段為龍馬溪組頁巖地層，井深為4 604.52 m，垂深為4 372 m。最大水平主應力為110 MPa，最小水平主應力為93 MPa，垂向主應力為102 MPa，地層孔隙壓力梯度為2.14 MPa/100 m。該井的基本參數如表3所示。結合表3，通過計算停鉆停泵、起下鉆、正常鉆進等工況下的井底有效當量循環密度，進而分析了井底有效液柱壓力的動態變化規律，結果如表4所示。

表3 基本參數

表4 不同工況下井底有效當量循環密度計算結果

受井底激動壓力的影響，當起下鉆速度控制在6 m/min時，鉆井液密度附加值為±0.020 g/cm3，井底壓力附加值為±0.87 MPa。正常鉆進與停鉆停泵時的井底有效當量循環密差異相對較大。正常鉆進時，鉆井液密度附加值為0.128 g/cm3，井底壓力附加值為5.51 MPa。

基于不同工況下井底有效當量循環密度的計算結果，分別分析了在不同工況下，頁巖地層致密無裂縫、發育層理和裂縫時水平井的井壁拉伸崩落穩定性，結果如圖3、圖4所示。

圖3 致密頁巖地層水平井井壁拉伸崩落失穩判斷

圖4 含層理、裂縫頁巖地層水平井井壁拉伸崩落失穩判斷

對比圖3、圖4可知：當地層致密無裂縫或鉆井液有效封堵性為100%時，地層保持原始地層壓力狀態，井筒和地層之間無滲流運移及壓力傳遞，井壁不會發生拉伸崩落。當地層發育層理、裂縫時，在井底壓差下井筒和地層之間存在滲流及壓力傳遞，尤其開泵過程中，井底有效液柱壓力最大，導致近井壁地帶孔隙壓力迅速增加，鉆井液沿著層理縫滲入后，產生的附加壓力大于井筒液柱壓力；停鉆停泵、起鉆工況下井底附加壓力消失，井底有效液柱壓力最小，井壁部分位置的頁巖受拉應力作用，當拉應力超過頁巖抗拉強度，便會發生拉伸崩落。從圖4a，4b可以看出，起鉆、停鉆停泵后，水平井段上、下井壁的頁巖受拉應力，將會發生小范圍拉伸崩落。

4.3 模型驗證

為了檢驗頁巖水平井井壁崩落失穩模型的準確性，將該井上述預測結果與現場實際工況進行了對比分析。該井在采用密度為2.15 g/cm3的鉆井液進行水平井段鉆井過程中，井壁較為穩定，無井下遇阻卡鉆現象。但停鉆停泵之后進行起下鉆作業時，在水平井段伴有掛卡遇阻現象，發現循環出來的鉆井液有大量2～3 cm厚度的脆性頁巖。后期完井的電測井徑曲線也表明，在該井水平井段的卡鉆遇阻位置發生了擴徑，最大擴徑率達到了27%（見圖5）。這說明該理論預測結果與現場結果基本一致。

圖5 完井電測井徑曲線

5 結論

1）龍馬溪組深層頁巖以黏土、石英礦物為主，脆性礦物質量分數高，巖心層理縫發育，井底壓力環境下容易沿層理縫發生脆性劈裂破壞。

2）不同工況下井底液柱壓力的變化明顯。起鉆工況下井底激動壓力變化迅速，井壁巖石所受支撐圍壓減小，從而容易導致井壁巖石發生破壞，誘發龍馬溪組頁巖水平段井壁發生拉伸崩落。

3）通過與現場實際工況進行對比分析，證實了本文模型的合理性和準確性。針對井下復雜的工況環境，應合理控制起下鉆速度，有效控制井底激動壓力的變化，提高鉆井液的有效封堵性，從而降低鉆井液沿層理縫的壓力穿透效應，提高鉆井液對井壁巖石的有效支撐力，增加井壁巖石的抗破壞強度。該研究對深層脆性頁巖水平井的安全高效鉆進具有一定的指導意義。