順北區塊超深井侵入體井壁穩定性分析

劉景濤，尹 飛，趙 寧，廖智海，史彪彬

（1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆烏魯木齊830011；2.成都理工大學能源學院，四川成都610059）

鉆井前地層處于力學平衡狀態，鉆井后井壁周圍出現應力集中。如果鉆井液壓力不足于支撐井壁，就會出現井壁坍塌，特別是在頁巖、火成巖等各向異性地層中。順北區塊鉆遇侵入體時經常發生坍塌掉塊、阻卡、攜帶困難、鉆頭崩齒等復雜情況[1]，嚴重影響鉆井效率和安全，因此，對侵入體井壁穩定性研究具有重要意義。

國內外學者已對各向異性地層井壁穩定性進行了一系列研究。Aadnoy[2]早在1988年采用線彈性力學和弱面強度模型，分析了各向異性對井壁穩定的影響。Lee[3]建立了各向異性地層的井壁穩定模型，分析了層理面產狀對井壁坍塌形狀影響。金衍[4]發現弱面存在易使井壁失穩，分析了弱面產狀和井眼軌道對井壁穩定的影響規律。劉向君[5]提出弱面應力和強度的分析方法，發現當井周圍存在裂縫或節理等軟弱面時，井壁穩定性將明顯降低。蔚寶華[6]通過巖石力學試驗發現層理面法向與最大主應力夾角為30°~70°容易發生層理面剪切滑移，通過優化井眼軌道可實現層理性泥頁巖井壁穩定。曹文科[7]通過坐標轉換分析了基質與弱面應力，當層理傾斜角增大時，井壁坍塌的主控因素由頁巖基質破壞轉變為弱面破壞；盡量減小井眼軌跡與層理弱面法向夾角。閆傳梁[8]、馬天壽[9]等建立頁巖井壁穩定模型，發現鉆井液浸泡顯著降低了層理面粘聚力和內摩擦角，層理面強度弱化對頁巖井壁穩定有較大影響。

現有研究多為泥頁巖井壁穩定，對侵入體薄層井壁穩定性研究不足。本文將系統地分析裂縫性侵入體基質與弱面的應力、強度，最終計算侵入體坍塌壓力，并推薦安全鉆井液密度窗口，現場應用情況反映了分析結果的準確性。

1 侵入體鉆井難點與巖石特性

順北區塊二疊系以下即石炭系、志留系、奧陶系發育非連續性侵入體薄層。對順北區塊已鉆的井進行統計分析，發現有23口井鉆遇侵入體，共36層侵入體。有11口井次出現不同程度復雜和故障，鉆遇侵入體事故率32%。復雜與故障類型主要是：扭矩波動大（跳鉆、憋停）、阻卡、卡鉆、井漏。侵入體嚴重影響了鉆井時效和安全成井，例如，順北1、順北52X、順北5-10鉆遇侵入體薄層發生卡鉆故障。

侵入體鉆井收集的巖屑樣品取自順北1-22H井的塔塔埃爾塔格組地層，巖性為灰黑色輝綠巖。對巖樣進行X-射線衍射礦物分析，確定巖樣的全巖礦物組成和粘土礦物相對含量。侵入體輝綠巖礦物組分：以長石、輝石為主，含少量方解石、鈦鐵礦；縫間填充物礦物包括石英、粘土礦物。

采用掃描電鏡對侵入體進行微觀結構分析，10#輝綠巖侵入體的裂縫如圖1所示。輝綠巖發育于斜長石中裂縫縫寬15μm，整體平直，呈開啟狀態，由于斜長石易蝕變，裂縫有輕微充填；發育于輝石中裂縫縫寬1.0~1.4μm，較斜長石中發育的裂縫明顯偏小，發育規模也較前者明顯偏小，但裂縫更為平直，基本未被充填。輝綠巖裂縫發育，裂縫的弱理面效應導致輝綠巖巖體整體強度降低，易造成井壁失穩；但裂縫貫通性不好，少見漏失。輝綠巖中長石含量高，呈硬脆性，受到沖擊容易掉塊。輝綠巖水化不易分散、水化膨脹應變非常小[10]，不易造成井壁水化坍塌。所以，侵入體井壁坍塌主要由力學失穩造成。

圖1 10#輝綠巖侵入體裂縫掃描電鏡照片

2 侵入體井壁與弱面應力分析

2.1 井壁應力狀態

深部地層受到三向主地應力的作用，它是井壁圍巖/裂縫的遠場應力。在此遠場地應力作用下，求解井壁圍巖應力、弱面應力。為了便于計算，建立大地坐標系（X，Y，Z）、地應力坐標系（Xs，Ys，Zs）、井眼坐標系（Xb，Yb，Zb）、弱面坐標系（Xw，Yw，Zw）。從而，把地應力從地應力坐標系依次轉換到大地坐標系、井眼坐標系，如圖2所示，則可得井眼直角坐標系中遠場地應力分量：

圖2 用于應力分析的四種坐標系轉換

式中：σH、σh、σv——水平最大地應力、水平最小地應力、垂向地應力，MPa；

σij(i,j=x,y,z)——井眼直角坐標系中遠場地應力分量，MPa；

ω——水平最大地應力方位角，（°）；

βb——井斜方位角，（°）；

αb——井斜角，（°）。

在上述遠場地應力分量的作用下，對定向井/斜井的井壁進行彈性力學分析，求得在井眼柱坐標系中井壁圍巖應力分布[11]：

式中：σij(i,j=r,θ,z)——井眼柱坐標系中井壁圍巖應力分量，MPa；

R——井眼半徑，m；

r——井壁圍巖的半徑，m；

θ——井眼周向角，（°）；

υ——巖石泊松比；

a——Biot系數；

φ——巖石孔隙度；

δ——井壁滲透或不滲透，1或0；

pi——井眼內鉆井液壓力，MPa；

pp——孔隙壓力，MPa。

當r=R時，可得井壁應力分布：

2.2 弱面應力狀態

裂縫、節理、層理等弱面降低了巖石強度，極易發生破壞，影響井壁穩定。為了便于分析弱面的力學狀態，需要把井壁圍巖應力從井眼柱坐標系轉換到弱面直角坐標系。通過以下坐標轉換：把井眼柱坐標系依次反向轉換到井眼直角坐標系、大地坐標系；再依次正向轉換到弱面直角坐標系，則得到弱面直角坐標系中弱面應力[7]：

式中：βw——弱面走向，（°）；αw——弱面傾角，（°）。

從而，可獲得弱面上法向正應力、剪應力：

3 侵入體強度準則

3.1 巖石基質強度準則

根據Mohr-Coulomb準則，巖石破壞時破裂面上剪應力必須克服巖石內聚力和破裂面上摩擦阻力。

式中：τ——破裂面上剪應力，MPa；

σn——破裂面上正應力，MPa；

C0——巖石內聚力，MPa；

φ0——巖石內摩擦角，（°）。

用主應力表示：

式中：σ1、σ3——最大主應力、最小主應力，MPa；β0——破裂面與最大主應力夾角，（°）。

對于完整的巖石，破裂面與最大主應力夾角β0是一個定值：

聯立上述兩個式子，且考慮巖石內孔隙壓力，則用有效應力表示為：

3.2 裂縫弱面強度準則

對于含弱面地層，由于受到弱面影響，其破壞形式不同。Jaeger提出了弱面地層強度理論，基質與弱面破壞滿足不同的Mohr-Coulomb準則，如圖3所示。

圖3 弱面巖石的失效模式

弱面的強度準則用主應力表示：

式中：Cw——弱面內聚力，MPa；

φw——弱面內摩擦角，（°）；

βw——弱面與最大主應力夾角，（°）。

弱面失效的風險取決于弱面強度和角度。當弱面滿足上述應力條件及一定角度范圍β1≤β≤β2，巖石表觀強度才受弱面控制[7]。

為了直觀顯示弱面對巖石強度的影響，繪制了巖石基質與弱面的強度，其中，巖石強度參數如表1所示，圍巖為10MPa。可見，隨著弱面與最大主應力夾角增加，裂縫性地層破壞形式依次為：基質破壞、弱面破壞、基質破壞。弱面破壞時強度遠小于基質破壞時強度，弱面可顯著降低巖石強度。

4 侵入體坍塌壓力分析

順北區塊鉆遇侵入體時經常發生坍塌掉塊、阻卡、攜帶困難、鉆頭崩齒等復雜情況。前期研究認為，桑塔木組侵入體的坍塌壓力1.055~1.409g/cm3，破裂壓力1.956~2.150g/cm3。應用本文方法重新進行井壁穩定分析。根據SHB5-5H井等資料，桑塔木組侵入體地質與巖石力學參數如表1所示。由于侵入體位于直井段，則井斜角、井斜方位角都為0°。給定裂縫面的走向和傾角，代入裂縫性地層應力與強度公式，則可分析不同裂縫產狀下井壁坍塌壓力。利用MATLAB軟件對井壁應力和強度準則進行編程，采用迭代法求解坍塌壓力。

表1 桑塔木組侵入體地質與巖石力學參數

首先，分析侵入體基質的坍塌壓力。計算可知，當井壁不滲透時，輝綠巖基質坍塌壓力為1.37g/cm3；當考慮鉆井液濾失時，輝綠巖基質井壁坍塌壓力為1.40g/cm3。然后，對侵入體弱面破壞進行分析，獲得侵入體弱面傾角對坍塌壓力的影響規律，如圖4所示。由圖可知，當弱面走向為近水平最小地應力方位時，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力逐漸增大；當弱面傾角為90°，弱面地層的坍塌壓力達到最大，其當量密度為1.74g/cm3。

圖4 侵入體弱面傾角對坍塌壓力的影響規律

上述分析是基于裂縫弱面走向為近水平最小地應力方位的結果。但侵入體裂縫十分發育，如果考慮任意弱面走向及傾角，則進一步分析任意弱面走向及傾角下坍塌壓力，如圖5所示。由圖可知，當弱面傾角較小時(小于10°~15°)，弱面不會先于基質破壞，即弱面不會惡化井壁穩定；而較大傾角的弱面會使井壁更容易失穩；不同弱面產狀下坍塌壓力亦不同，當弱面走向為近水平最小地應力方位時，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力逐漸增大；當弱面走向為近水平最大地應力方位時，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力先增大后減小[12]；當弱面走向為近水平最大地應力方位且弱面傾角為30°時，弱面地層的坍塌壓力達到最大值1.87g/cm3。

圖5 任意弱面走向及傾角下坍塌壓力

綜上，考慮裂縫弱面影響時侵入體坍塌壓力當量密度為1.74~1.87g/cm3，遠大于侵入體輝綠巖基質坍塌壓力當量密度1.37~1.40g/cm3。所以鉆井現場出現了鉆井故障和專打專封的井身結構。分析結果可得到現場鉆井實踐的驗證，當采用鉆井液密度小于1.60g/cm3時，SHB1-9等井在侵入體發生阻卡；SHB1-6H井使用鉆井液密度為1.85g/cm3，順利鉆穿厚度為39m桑塔木組侵入體，鉆速0.91m/h，是順北區塊順利鉆穿侵入體的第一口井。現場應用情況表明了侵入體井壁穩定性分析的準確性。研究成果可為侵入體安全鉆進工藝技術提供理論依據。

5 結論

（1）侵入體裂縫發育，容易引起井壁坍塌掉塊、鉆井阻卡。采用多孔介質彈性力學和Mohr-Coulomb強度準則，分析裂縫性地層基質與弱面的坍塌壓力，選取兩者最大值作為侵入體坍塌壓力。

（2）當地層弱面傾角較小時，弱面不會影響井壁穩定；然而，較大傾角的弱面會使井壁更容易失穩。弱面產狀對井壁穩定性有著顯著的影響，當弱面走向為近水平最小地應力方位時，隨著弱面傾角增加，弱面地層的坍塌壓力逐漸增大；當弱面走向為近水平最大地應力方位且弱面傾角為30°左右時，弱面地層的坍塌壓力最大。

（3）順北區塊桑塔木組侵入體裂縫的坍塌壓力當量密度為1.74~1.87g/cm3，遠大于侵入體基質的坍塌壓力當量密度1.37~1.40g/cm3，所以鉆井現場出現了鉆井故障和專打專封。