川南龍馬溪組深層頁巖井壁失穩原因分析及對策

張 震，萬秀梅，吳鵬程，李鄭濤，文 莉

(中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610056)

0 引 言

硬脆性頁巖地層鉆井過程中井下遇阻現象頻發，嚴重影響油氣資源的高效開發[1-9]。針對硬脆性頁巖地層井壁穩定性問題進行了大量研究：Ma等[10]采用弱面破壞準則分析了硬脆性頁巖地層的坍塌原因；陳卓等[11]應用損傷力學和斷裂力學理論，構建了硬脆性頁巖的損傷本構模型；肖志強等[12]綜合考慮壓力傳遞和力學弱面等之間的相互耦合效應，建立了頁巖井壁的流-固-化耦合數學模型；丁乙等[13]根據硬脆性頁巖水化實驗結果和頁巖破壞準則，建立了硬脆性頁巖的井壁穩定力化耦合模型；石秉忠等[14]通過CT成像技術從微觀上闡述了硬脆性頁巖地層井壁失穩機理。

川南井區位于四川盆地興隆場構造區域，興隆場構造位于川中隆起帶自流井凹陷構造群。興隆場構造為兩翼大致對稱的穹隆狀構造，總體軸向為北東向，地表有3條斷層。該井區地層整體較為平緩，井區構造運動不劇烈，但不同地層的孔隙壓力存在差異。該井區地表出露地層為侏羅系沙溪廟組，依次穿越三疊系、二疊系、志留系與奧陶系地層。志留系龍馬溪組為該井區目的層，在鉆井過程中井壁穩定性較差，嚴重影響鉆井效率。為節省鉆井成本和提高鉆井效率，解決龍馬溪組深層頁巖鉆井過程中的井壁失穩問題，從頁巖微細觀結構特征、水理化性能、巖石力學性能參數等方面總結了井壁靜態失穩原因，分析了井眼軌跡、層理裂縫力學弱面效應及壓力穿透效應等對龍馬溪組頁巖水平井井壁動態穩定性的影響，并制訂了井壁穩定措施。

1 井壁靜態失穩原因分析

1.1 頁巖微細觀結構

龍馬溪組頁巖平均埋深在3 500 m以上，屬于深層頁巖，頁巖破碎程度較高，裂縫和層理較為發育。XRD測試分析表明，巖性主要以石英礦物為主，含量在45%左右，含有少量方解石、長石等，脆性指數為60%左右[15-16]。黏土含量低，主要以水化膨脹能力較弱的伊高混層、高嶺石和綠泥石為主，龍馬溪組深層頁巖屬于硬脆性頁巖。

利用掃描電鏡分析頁巖微觀結構特征(圖1)。由圖1可知：川南地區龍馬溪組深層頁巖裂縫較為發育(圖1a)，層理結構明顯(圖1b)，巖石易沿裂縫發生滑移破壞，與層理交叉的裂縫會進一步降低層理縫間的力學強度，導致在鉆井過程中巖石發生斷裂。

圖1 川南寧212井龍馬溪組地層3813～3876 m井段頁巖微觀結構

1.2 頁巖孔滲特性

利用巖石孔滲測試儀測試川南地區龍馬溪組頁巖孔隙度和滲透率，測試結果見表1。

由表1可知：龍馬溪組地層頁巖孔滲參數各向異性明顯，基質頁巖的孔隙度和滲透率較低，孔隙度為1.2%～2.5%，滲透率為0.011～0.162 mD，但巖心上發育的微裂縫(5、7號巖心)和貫穿縫(4、6號巖心)可明顯增大滲透率，達到1.440～2.320 mD。由于裂縫發育，鉆井液優先沿裂縫滲透，形成的“尖劈效應”會促進井壁巖石沿裂縫面發生剝落掉塊，進一步導致井壁發生失穩。

表1 川南龍馬溪組地層頁巖孔隙度、滲透率測試結果

1.3 頁巖水理化性能

分別測試了在油基鉆井液與蒸餾水中浸泡24 h后的頁巖水化膨脹性能和滾動回收率[17]，結果見圖2、3。

圖2 龍馬溪組地層頁巖膨脹性能測試結果

由圖2可知：龍馬溪組地層頁巖水化膨脹應變較低，普遍小于0.10%，油基鉆井液浸泡后巖心膨脹應變更低，小于0.03%。由圖3可知：龍馬溪組地層頁巖滾動回收率較高，蒸餾水浸泡后的滾動回收率普遍高于95%，油基鉆井液浸泡后的滾動回收率普遍高于98%。實驗結果表明，龍馬溪組頁巖整體較為致密堅硬，水化膨脹分散性能弱，鉆井過程中油基鉆井液對維持井壁穩定性效果較好。

圖3 龍馬溪組地層頁巖滾動回收率測試結果

1.4 頁巖力學性能

三軸力學實驗測試可用于評價鉆井液浸泡效應對井壁巖石力學性能的影響[18]。利用三軸力學實驗儀器測試層理角度分別為60、90 °的巖樣，分析不同圍壓條件下油基鉆井液浸泡前后巖樣的力學參數(表2)。由表2可知：巖樣的抗壓強度與彈性模量隨圍壓的增大而增大；層理角度對巖石力學性能參數影響明顯，層理角度為60 °的巖樣抗壓強度為95.183 MPa、彈性模量為15 570.1 MPa，低于基質頁巖(基質頁巖的抗壓強度可達到186.856 MPa、彈性模量為20 478.0 MPa)，其更易沿層理發生滑移破壞；無裂縫巖樣的力學強度、彈性模量均高于裂縫發育的頁巖，表明川南地區龍馬溪組頁巖受層理和裂縫力學弱面效應影響明顯；油基鉆井液浸泡后巖樣力學強度略有降低，說明油基鉆井液浸泡效應對頁巖力學性能影響不明顯。

表2 不同圍壓下干巖樣與浸泡巖樣三軸力學實驗結果

上述實驗測試結果表明：川南深層龍馬溪組基質頁巖硬脆性強，力學強度高，水化膨脹分散性弱，但層理和微裂縫較為發育，巖石力學強度低，井壁巖石更易沿裂縫面發生剝落掉塊，進一步導致井壁發生失穩。

2 頁巖井壁動態失穩原因分析

川南深層龍馬溪組頁巖發育平行層理裂縫，力學環境下頁巖地層易發生動態失穩。為此，需評價頁巖儲層水平井井眼軌跡、層理縫力學弱面效應與壓力穿透效應對頁巖井壁動態穩定性的影響。

2.1 井眼軌跡

頁巖地層水平井井眼軌跡變化對頁巖井壁動態失穩影響明顯，井眼軌跡會影響頁巖地層井壁主應力場、井壁滲流場與有效應力場，最終導致頁巖地層井壁動態失穩。

首先，結合川南深層龍馬溪組頁巖地層原地應力場大小與方向(垂向應力梯度為0.026 0 MPa/m、最大水平主應力梯度為0.022 4 MPa/m、最小水平主應力梯度為0.020 9 MPa/m)，研究井眼軌跡對頁巖地層井壁主應力場的影響，如圖4所示。

圖4 井眼軌跡變化對井壁主應力的影響

由圖4可知：井眼軌跡的變化對頁巖地層井壁主應力場影響明顯；沿最小水平主應力方向，隨著井斜角的增加，井壁主應力變大，由直井段的57.2 MPa增至水平井段的81.4 MPa；沿最大水平主應力方向，隨著井斜角的增加，井壁主應力先變大后減小，在斜井段(井斜角為15～30 °)達到最大，為121.8 MPa，水平井段井壁主應力減至97.6 MPa。

其次，評價井眼軌跡對頁巖地層井壁滲流場的影響。川南深層龍馬溪組頁巖發育層理裂縫，井眼軌跡變化可引起層理縫夾角發生改變，導致井壁徑向滲流方向發生改變，進而影響井壁穩定。在評價裂縫性地層水平井井壁滲流特性各向異性特征時，需確定水平井不同位置井壁徑向滲流方向與層理縫之間的夾角關系[19-20]：

(1)

(2)

式中：ξ為井壁徑向滲流方向與層理縫之間的夾角，°；αs為裂縫傾角，°；βs為裂縫傾向，°；α0為井斜角，°；β為井眼方位角，°；θ為井周角，°。

基于徑向滲流能力計算模型和實驗測試得到的龍馬溪組孔滲參數，分析井眼軌跡對龍馬溪組地層井壁滲流能力和孔隙壓力的影響(圖5、6)。

圖5 井眼軌跡對井壁徑向滲流能力的影響

圖6 井眼軌跡對井壁孔隙壓力的影響

由圖5可知：井眼軌跡對井壁徑向滲流能力影響明顯，直井段，層理傾角為0 °時，井周徑向平行于層理方向，井壁滲流能力最大，隨著井斜角增大，徑向滲流能力逐步減小。水平段，層理傾角為90、270 °時，井周徑向平行于層理方向，井壁滲流能力最大；層理傾角為0、180 °時，井周徑向垂直于層理方向，滲流能力最小。由圖6可知：不同位置井段井壁徑向滲流能力不同，從而引起井壁滲流場不同，進而導致近井壁孔隙壓力分布不同。最小主應力方向井壁滲流能力大于最大主應力方向，井壁滲透能力高，從而導致近井壁孔隙壓力大于最大主應力方向。最后，研究了井眼軌跡對頁巖地層井壁有效應力場的影響，如圖7、8所示。

圖7 不同井斜角井周有效周向應力分布

圖8 不同井斜角井周有效徑向應力分布

在不同井斜角和方位角下，井壁有效應力場存在明顯差異。由圖7可知：鉆井液沿微裂縫的滲流作用降低了井周有效周向應力，直井段井壁有效周向應力最大，為43.2 MPa左右，隨著井斜角增加，井壁有效周向應力增大，對應作用在巖體上的有效應力也增大，在90、270 °方向處水平井段井壁有效周向應力達到最大，為60.4 MPa，在0、180 °方向處有效周向應力有減小的趨勢。由圖8可知：鉆井液沿微裂縫的滲流作用導致井壁孔隙壓力增加，降低了鉆井液對井壁的有效支撐作用，從而導致有效徑向應力降低。由此可知，在不同井眼軌跡下，鉆井液沿裂縫的滲流作用及孔隙壓力變化對井壁有效徑向應力和井周有效周向應力影響明顯，滲流效應引起近井壁地帶孔隙壓力增大，從而降低了鉆井液作用在井壁巖石上的有效支撐力，導致井壁穩定性變差。

綜上可知，井眼軌跡變化對頁巖地層井壁主應力場、井壁滲流場與有效應力場影響明顯。科學合理的井眼軌跡設計可有效控制井壁徑向與層理縫之間的夾角，降低井壁的滲透能力，從而降低由滲流效應引發的近井壁地帶孔隙壓力變化對井壁有效應力場的影響，增加鉆井液作用在井壁巖石上的有效支撐力，降低頁巖地層水平井井壁失穩風險，保障頁巖地層鉆井安全。

2.2 力學弱面效應

川南深層龍馬溪組頁巖發育層理縫，在鉆井過程中穿越地層導致裂縫層理力學弱面效應加劇，尤其是儲層斜井段井壁穩定性受層理縫力學弱面效應影響較大。

對于均質地層，通常選用Mohr-Coulomb準則判斷井壁穩定性。龍馬溪組頁巖發育的層理裂縫對巖石力學性能參數影響明顯。因此，采用力學弱面準則來評價力學弱面效應對井壁巖體力學性能和儲層井壁穩定性的影響[21-22]：

(3)

式中：σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；Cf為巖石弱面內聚力，MPa；φf為巖石弱面內摩擦角，°；β0為弱面法線與最大主應力夾角，°；β1、β2為層理面破壞的上下極限夾角，°。

結合龍馬溪組頁巖儲層地應力及實驗測試得到的巖石力學參數，分析力學弱面效應對井壁穩定性的影響，如圖9所示。

圖9 力學弱面效應對龍馬溪組頁巖儲層井壁穩定性的影響

由圖9a可知：不考慮巖石力學弱面效應時，井壁穩定性好，直井段地層坍塌壓力當量密度為0.64 g/cm3。隨著井斜角變大，龍馬溪組頁巖儲層坍塌壓力呈現增加趨勢，水平井段地層坍塌壓力最大，坍塌壓力密度為0.78～0.84 g/cm3。由圖9b可知：層理縫間的力學弱面效應對龍馬溪組頁巖儲層井壁穩定性影響明顯。直井段不受層理力學弱面效應影響，井壁穩定性好，隨著井斜角的增大，層理力學弱面效應影響明顯，斜井段受力學弱面效應影響最大。沿最大水平主應力方向鉆進，在井斜角為40 °左右時地層坍塌壓力當量密度最大，為2.02 g/cm3。在水平井段坍塌壓力有所降低，沿最大水平主應力方向地層坍塌壓力當量密度為1.76 g/cm3，沿最小水平主應力方向地層坍塌壓力當量密度為1.83 g/cm3。由此說明，鉆水平井段時，沿最大水平主應力方向鉆進，井壁穩定性好。

2.3 壓力穿透效應

頁巖儲層發育的層理縫滲透能力強，在頁巖段鉆進過程中，鉆井液易沿層理縫滲流產生壓力穿透效應，導致頁巖近井壁孔隙壓力升高(圖10)，降低了鉆井液對井壁的有效支撐作用，即壓力穿透效應與井壁穩定性之間存在密切聯系。

圖10 壓力穿透效應對井周孔隙壓力分布的影響

由圖10可知：在考慮壓力穿透效應的情況下，由于井下壓差的作用，鉆井液向地層滲流運移，導致近井壁地帶孔隙壓力增大，隨著滲流時間延長，井周孔隙壓力增大區域和侵入深度隨之增加。

巖石的有效應力系數是量化表征壓力穿透效應的重要指標[23]。龍馬溪組頁巖層理縫發育程度越高，井壁頁巖滲流能力及壓力穿透效應越強，越容易引起層理縫開裂，對應有效應力系數越大。不同有效應力系數下壓力穿透效應對井壁穩定性的影響見圖11。由圖11可知：相同地層孔隙壓力情況下，有效應力系數越大，孔隙壓力對井壁有效應力場的影響程度越大，井內液柱壓力對井壁的有效支撐作用越小，從而引起地層坍塌壓力當量密度增大，越容易導致井壁發生失穩。因此，為有效抑制頁巖井壁壓力穿透效應，需提高鉆井液封堵性能，降低鉆井液在裂縫較為發育地層的滲流能力及壓力穿透效應。

圖11 壓力穿透效應對井壁穩定性的影響

通過建立的模型評價分析了頁巖儲層水平井井眼軌跡、層理縫力學弱面效應與壓力穿透效應對頁巖井壁動態穩定性的影響。由于井下頁巖層理和裂縫較為發育，合理的井眼軌跡設計可有效控制井壁徑向與層理縫之間的夾角，降低井壁的滲透能力，增加鉆井液作用在井壁巖石上的有效支撐力。在儲層段鉆進過程中，隨著井斜角的增大，裂縫層理力學弱面效應加劇，從而導致井壁失穩加劇，鉆水平井段時，沿最大水平主應力方向鉆進，井壁穩定性好。同時，在井下壓差作用下，工作液沿層理縫的滲流和壓力穿透引起地層坍塌壓力當量密度增大，促使井壁巖石更加容易沿著裂縫面發生剝落掉塊。因此，應提高鉆井液封堵性能，降低鉆井液在裂縫發育地層的滲流能力。

3 頁巖井壁穩定技術對策

基于深層龍馬溪組頁巖井壁失穩靜態原因和動態原因的分析，提出頁巖儲層井壁穩定對策：①合適的鉆井液密度。綜合考慮龍馬溪組頁巖儲層力學弱面效應及壓力穿透效應，建議龍馬溪組頁巖儲層水平井造斜段和水平段鉆井液密度控制在2.11 g/cm3左右。②優化設計井眼軌跡。鉆水平井段時，沿最大水平主應力方向鉆進，地層坍塌壓力當量密度低于最小水平主應力，井壁穩定性好。③優選鉆井液封堵材料。在確保現場使用的油基鉆井液具有良好封堵性能的情況下，建議結合井下成像測井資料，確定井下應力環境下層理縫(裂縫發育帶)縫寬，進而確定封堵材料顆粒粒徑，進一步提高鉆井液封堵層理縫的能力。④加強對返出巖屑的觀察，避免小層交界面處掉塊引發卡鉆；減少水平段下井壁巖屑堆積，建議起鉆前，延長鉆井液循環攜巖時間，充分清洗攜帶水平段掉塊；減小鉆具震動，水平井段鉆具鉆井方向基本與層理縫面平行，由于層理縫之間連接力很低，井壁巖石很容易在鉆具震動下沿層理縫面掉落。

4 結 論

(1) 川南地區龍馬溪組地層基質頁巖在井下力學環境下抗壓強度高，但裂縫發育層段巖石強度遠低于頁巖基巖強度。直井段不受層理力學弱面效應影響，井壁穩定性好，隨著井斜角的增大，層理力學弱面效應影響明顯，斜井段受力學弱面效應影響最大，導致井壁穩定性變差。

(2) 針對井眼垮塌層段，尤其是造斜段和水平井段小層交界面處巖石裂縫較為發育，工作液優先沿層理裂縫滲透，不同工況下井底壓差加劇了鉆井液滲流行為，引起近井壁地帶孔隙壓力變大，降低了鉆井液的液柱壓力對井壁巖石的有效支撐力，形成的“尖劈效應”會促進井壁巖石更加容易沿著層理縫面發生剝落掉塊，進一步導致井壁發生失穩。

(3) 油基鉆井液封堵性能整體較好，但在部分裂縫發育層段鉆井液封堵性能低，建議鉆井過程中及時補充封堵添加劑，降低井壁滲流及壓力穿透效應。當鉆井過程中鉆遇層理縫發育交界面時，巖石力學弱面效應明顯，建議保證鉆井液良好封堵性能，優化井眼軌跡，小角度穿越交界面，降低鉆具的橫向震動，加強井底巖屑的沖洗攜帶。