鉆井液對(duì)層理性頁(yè)巖強(qiáng)度影響研究

李 洪,宋 濤,張 坤,邢 星,雷 彪,王 慶

(1.中國(guó)石油工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206;2. 中國(guó)石油大慶鉆探工程公司,黑龍江大慶 163000;3. 中國(guó)石油青海油田分公司鉆采工藝研究院,甘肅敦煌 736202)

全球頁(yè)巖氣資源潛力巨大,是未來(lái)油氣產(chǎn)量增長(zhǎng)的重要領(lǐng)域。據(jù)美國(guó)信息處理服務(wù)公司標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)IHS預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,全球頁(yè)巖氣總量達(dá)456×1012m3。據(jù)我國(guó)第四次全國(guó)油氣資源評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì),我國(guó)頁(yè)巖氣資源量為80.4×1012m3,遠(yuǎn)超美國(guó),居世界第一[1]。十余年的勘探開(kāi)發(fā)表明,層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層是目前可經(jīng)濟(jì)開(kāi)采頁(yè)巖氣資源的主要賦存體[2-3]。但層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層具有成分復(fù)雜、層理和微裂縫發(fā)育等特點(diǎn),其力學(xué)性質(zhì)具有明顯的非均質(zhì)性[4-5]。在鉆井作業(yè)時(shí),鉆具的震動(dòng)、鉆井液的侵入等工程因素的作用會(huì)加劇層理性頁(yè)巖強(qiáng)度的劣化,使井下情況更為復(fù)雜,容易造成井壁坍塌失穩(wěn)等事故的發(fā)生。頁(yè)巖的井壁失穩(wěn)一直是鉆井工程中的技術(shù)難題,也是安全高效鉆井的核心問(wèn)題之一。井壁失穩(wěn)會(huì)給鉆井工程造成巨大的困難,主要表現(xiàn)為縮徑、坍塌卡鉆、井眼擴(kuò)大、固井質(zhì)量低等。研究并解決頁(yè)巖的井壁失穩(wěn)問(wèn)題對(duì)于減少鉆井周期、降低鉆井成本、減少井下安全事故發(fā)生具有重要的意義[6-7]。

針對(duì)層理性頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性的研究,明確層理性頁(yè)巖劣化機(jī)理及劣化規(guī)律,是建立層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁坍塌模型、確定失穩(wěn)條件及失穩(wěn)周期等井壁穩(wěn)定性研究工作的基礎(chǔ)。為此,本文首先基于頁(yè)巖的理化性質(zhì)及孔縫特征總結(jié)分析了頁(yè)巖強(qiáng)度的劣化機(jī)理,然后從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面綜述了鉆井液侵入造成頁(yè)巖強(qiáng)度劣化的研究現(xiàn)狀,探討了層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化規(guī)律,并根據(jù)目前研究存在的不足提出了建議。

1 層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化機(jī)理

在鉆井過(guò)程中,井壁失去支撐會(huì)使井周巖石產(chǎn)生應(yīng)力集中,很容易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。為了維持井壁穩(wěn)定,通常利用鉆井液的靜液柱壓力支撐井壁。層理性頁(yè)巖礦物組成以及內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異較大,在鉆井過(guò)程中極易導(dǎo)致層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化,造成井壁坍塌失穩(wěn)等。層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化機(jī)理主要有礦物水化反應(yīng)和微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異兩種,鉆井液在不同的巖石劣化機(jī)理中起著不同的作用。

1.1 礦物組成

層理性頁(yè)巖礦物水化反應(yīng)是強(qiáng)度劣化重要機(jī)理之一。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者使用X射線衍射法對(duì)不同油田的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層以及容易發(fā)生井壁坍塌失穩(wěn)的層理性頁(yè)巖地層的礦物組成進(jìn)行了測(cè)定。Robert、Bowker、Younane[8-10]等對(duì)北美Barnett、woodford頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的礦物組成進(jìn)行了分析,陳尚斌、邱正松[11-12]等對(duì)四川龍馬溪組、筇竹寺組、南堡油田、大港油田、潿洲油田、勝利油田等頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的礦物組成進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明,頁(yè)巖的礦物組成主要以石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦等脆性礦物為主,總量占比為40%～80%;黏土礦物總量占比為20%～40%,較少頁(yè)巖地層如勝利油田部分構(gòu)造、大港油田沙河街組黏土礦物含量較高,占比達(dá)到了近50%。

國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的黏土礦物組成具有相同特點(diǎn):黏土礦物主要以伊利石為主,其總含量占比為50%～90%,其次為伊蒙混層,伊蒙混層含量一般不超過(guò)30%,另外還有部分地區(qū)有蒙脫石、高嶺石、綠泥石等黏土礦物存在。劉錕[13]對(duì)伊利石和蒙脫石分別提純進(jìn)行了水化特征對(duì)比分析,結(jié)果表明隨著時(shí)間的增加,伊利石和蒙脫石均發(fā)生不同程度的水化,相同時(shí)間內(nèi)伊利石水化體積膨脹總量小于蒙脫石,但其膨脹速度卻非常快,水化反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間是蒙脫石的1/6,并且伊利石具有更強(qiáng)的束縛水能力;與體積膨脹速度不同的是伊利石和蒙脫石產(chǎn)生的水化應(yīng)力十分接近。相對(duì)于蒙脫石,伊利石具有更強(qiáng)的水和能力和更高的表面水化能,與水接觸后會(huì)迅速形成水化膜,引起體積膨脹,盡管其水化體積膨脹小于蒙脫石,但由于其極大的膨脹速度,使得伊利石在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的膨脹壓力,引起巖石強(qiáng)度下降。

石秉忠[14]等利用X-線衍射實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)以及CT掃描實(shí)驗(yàn)測(cè)試川西地區(qū)須家河組的巖樣,分析了該頁(yè)巖地層水化過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化的過(guò)程和規(guī)律。結(jié)果表明,該頁(yè)巖地層黏土礦物成分中伊利石占比大于50%,水化膨脹性弱,性硬脆,細(xì)化分散性差,易剝落。通過(guò)掃描電鏡以及巖樣端部觸水后CT掃描分析,發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖水化劣化流程(圖1),巖樣表面(晶格)水化,減弱黏土礦物內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)性,造成巖石強(qiáng)度劣化;另外巖樣毛細(xì)管效應(yīng)促進(jìn)內(nèi)部礦物水化,不同的礦物組成導(dǎo)致黏土礦物間存在不同的水化膨脹分散性。不均勻的水化膨脹分散性使得巖石內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力,從而產(chǎn)生大量的微孔隙,這些微孔隙進(jìn)一步擴(kuò)展與原有微孔縫連通形成微裂隙且繼續(xù)發(fā)生內(nèi)部水化反應(yīng)導(dǎo)致頁(yè)巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)破壞,進(jìn)一步造成頁(yè)巖的強(qiáng)度劣化。

圖1 頁(yè)巖水化劣化示意圖

王光兵[15]通過(guò)X射線衍射對(duì)鄂爾多斯盆地石盒子組陸相頁(yè)巖進(jìn)行了全巖礦物組分分析以及黏土礦物組分分析,測(cè)定該地層中黏土礦物含量偏高,占比50%以上。黏土礦物中伊利石、伊蒙混層占50%左右,高嶺石占40%左右,綠泥石約10%。另外,通過(guò)浸泡實(shí)驗(yàn)、浸泡前后直剪實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、壓入硬度實(shí)驗(yàn)以及超聲波實(shí)驗(yàn),對(duì)該地區(qū)頁(yè)巖進(jìn)行了水化特征分析。結(jié)果顯示,浸泡后頁(yè)巖的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及硬度均有所降低,且通過(guò)超聲波實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鉆井液作用后綜合考慮聲波時(shí)差、衰減系數(shù)、時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)等超聲波信息對(duì)研究頁(yè)巖水化劣化有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

由此可見(jiàn),鉆井液作用導(dǎo)致層理性頁(yè)巖水化反應(yīng)是影響井周巖石強(qiáng)度變化的重要機(jī)理。且不同的礦物組成造成的劣化情況也不相同,當(dāng)頁(yè)巖中伊利石占比較多時(shí)水化反應(yīng)較為迅速,且產(chǎn)生水化應(yīng)力更大,容易擾亂頁(yè)巖內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)造成頁(yè)巖強(qiáng)度劣化;而蒙脫石占比較大時(shí)水化反應(yīng)較為緩慢,但體積膨脹量更大,易從內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)造成頁(yè)巖強(qiáng)度劣化。目前對(duì)于頁(yè)巖水化劣化性質(zhì)分析多使用巖石力學(xué)理論,力學(xué)實(shí)驗(yàn)通常有實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣、材料成本昂貴、試驗(yàn)巖樣不可逆破壞等缺點(diǎn)。而利用超聲波實(shí)驗(yàn)研究頁(yè)巖水化具有操作簡(jiǎn)便、超聲波信號(hào)變化更加明顯等優(yōu)點(diǎn),可更加準(zhǔn)確、便捷地研究頁(yè)巖的水化特征,是研究頁(yè)巖劣化的有效手段之一。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)

頁(yè)巖內(nèi)部不同尺寸大小的孔隙結(jié)構(gòu)是造成巖石非均質(zhì)性力學(xué)特性的原因之一,也是導(dǎo)致頁(yè)巖強(qiáng)度劣化的重要機(jī)理[16-17]。目前對(duì)于頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)定主要方法分為物理測(cè)試法和高分辨率圖形觀察法[18]。根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)分類,頁(yè)巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可根據(jù)直徑大小分為3種類型:微孔(孔徑小于2 nm)、中孔(孔徑為2～50 nm)、大孔(孔徑大于50 nm)[19]。層理面厚度主要為1～20 μm,比頁(yè)巖內(nèi)部孔隙尺寸大數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)頁(yè)巖的強(qiáng)度有著更加重大的影響[20]。相關(guān)研究表明,層理厚度與其受到的端應(yīng)力具有負(fù)冪數(shù)指數(shù)關(guān)系,即層理面厚度增大會(huì)控制天然裂縫的發(fā)育,形成更多的應(yīng)力弱面,從而導(dǎo)致層理性頁(yè)巖的強(qiáng)度大幅度降低[21]。

在此理論基礎(chǔ)上,眾多學(xué)者針對(duì)層理面的存在會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖強(qiáng)度降低這一現(xiàn)象逐步建立起井壁穩(wěn)定模型。Mclamore[22]、袁俊亮等[23]認(rèn)為層理性頁(yè)巖地層水平井段失穩(wěn)主要是層理面的低強(qiáng)度和特殊地應(yīng)力導(dǎo)致的,在建立模型對(duì)四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),層理面傾角為30°～60°時(shí)有較高的坍塌壓力,而層理面傾角近水平和近垂直時(shí)坍塌壓力較低。蔚寶華等[24]通過(guò)真三軸模擬試驗(yàn)測(cè)定了不同傾角層理地層直井的承載能力,認(rèn)為加載方向與弱面夾角為 30°～70°時(shí),巖心容易沿層理面發(fā)生剪切滑移。另外,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了定向井坍塌壓力分布規(guī)律,成功解決了潿州12-1北油田井壁失穩(wěn)的問(wèn)題。

由此可見(jiàn),頁(yè)巖層理面的存在會(huì)嚴(yán)重影響井周巖石強(qiáng)度,不同層理面的產(chǎn)狀、走向、數(shù)量影響強(qiáng)度劣化情況也不相同。一般層理面與受力方向在某個(gè)固定范圍內(nèi)強(qiáng)度劣化較為嚴(yán)重,因此必須要把層理面的存在考慮在內(nèi)才能更好地對(duì)層理性頁(yè)巖的強(qiáng)度進(jìn)行研究,以此達(dá)到更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性的目的[25]。除了層理面的存在本身會(huì)降低層理性頁(yè)巖的強(qiáng)度之外,層理面的存在還會(huì)減少鉆井液侵入阻力,加劇頁(yè)巖內(nèi)部礦物成分的水化,水化體積膨脹會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,水化產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使巖石內(nèi)部應(yīng)力系統(tǒng)發(fā)生紊亂,進(jìn)一步導(dǎo)致巖石層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化。因此,在對(duì)層理性頁(yè)巖劣化機(jī)理進(jìn)行研究時(shí),應(yīng)分別從物理、化學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行分析,進(jìn)而為最后建立層理面破壞模型奠定基礎(chǔ)。

2 層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化研究方法及劣化規(guī)律

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí),由于工程因素會(huì)造成巖層應(yīng)力系統(tǒng)的改變,井壁巖石在受力到達(dá)一定強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生拉伸或剪切破壞,從而造成井壁失穩(wěn)事故的發(fā)生。因此在工程作業(yè)之前首先要使用巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算巖石強(qiáng)度的力學(xué)數(shù)據(jù),層理面的存在會(huì)導(dǎo)致巖石強(qiáng)度的各向異性,需要將弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則與基質(zhì)強(qiáng)度準(zhǔn)則結(jié)合使用,進(jìn)而為工程井壁穩(wěn)定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則

2.1.1 摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則

巖石發(fā)生破壞的形式主要分為自身發(fā)生基質(zhì)破壞和沿巖石層理面發(fā)生先于基質(zhì)的弱面破壞這兩種。因此,需要考慮巖石基質(zhì)破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則和弱面破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則,來(lái)判斷一種巖石是否發(fā)生劣化的依據(jù)。其中最常用的基質(zhì)破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則(M-C準(zhǔn)則)[26]。M-C準(zhǔn)則認(rèn)為巖石強(qiáng)度為巖石材料抵抗摩擦的能力,其數(shù)值等于巖石材料自身的內(nèi)聚力與剪切面上由法向應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力之和,即:

τ=σtanφ+C

(1)

式中:τ為剪切面上的剪應(yīng)力(剪切強(qiáng)度),MPa;σ為剪切面上的正應(yīng)力,MPa;C為內(nèi)聚力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,°。

M-C準(zhǔn)則還可以采用應(yīng)力分量表示為[27]:

(2)

式中:σ1為破壞時(shí)的最大主應(yīng)力,MPa;σ3為最小主應(yīng)力,MPa。

2.1.2 弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則

在頁(yè)巖中,由于層理面的廣泛發(fā)育,巖石可能會(huì)先于基質(zhì)發(fā)生沿層理面的弱面破壞。因此,必須把弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則考慮在內(nèi)才能更好地對(duì)層理性頁(yè)巖的強(qiáng)度進(jìn)行研究。Jaeger[28]提出了經(jīng)典的巖石弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則,認(rèn)為巖石中的弱面和巖石本體具有不同的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦系數(shù)等強(qiáng)度參數(shù),在特定加載方向下巖石會(huì)沿著弱面發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞。當(dāng)巖石中發(fā)育1組弱面AB,假定AB 面(法線)與最大主應(yīng)力方向夾角為β。因此,根據(jù)莫爾應(yīng)力圓理論和庫(kù)倫準(zhǔn)則,可以得到弱面破壞準(zhǔn)則為:

(3)

式中:β為弱面法線方向與最大水平主應(yīng)力之間的夾角,°;Cw為弱面的內(nèi)聚力,MPa;φw為弱面的內(nèi)摩擦角,°。

還有一些學(xué)者認(rèn)為層理性頁(yè)巖的弱面不只一個(gè),在建立井壁穩(wěn)定性模型時(shí)不僅僅要考慮弱面破壞準(zhǔn)則,還要將弱面數(shù)量考慮在內(nèi),當(dāng)弱面增加時(shí)巖石強(qiáng)度的變化也有所不同。丁乙等[29]采用疊加原理考慮了多弱面條件下的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則,對(duì)不同弱面產(chǎn)狀、弱面數(shù)量、鉆井時(shí)間下的巖石強(qiáng)度進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果及實(shí)例分析表明,弱面數(shù)量增多則巖石強(qiáng)度下降,且坍塌壓力出現(xiàn)明顯增加,因此多弱面地層坍塌壓力模型能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)層理性頁(yè)巖地層的坍塌壓力。

在層理性頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定研究過(guò)程中,考慮弱面破壞已經(jīng)不容忽視。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石的非均質(zhì)性,弱面破壞規(guī)律也存在差異。因此,針對(duì)不同儲(chǔ)層進(jìn)行弱面破壞研究時(shí),必須首先測(cè)定該儲(chǔ)層的巖石力學(xué)參數(shù),然后基于力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,分析破壞類型,建立弱面破壞模型,進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析。考慮多弱面的情況,目前的研究還僅僅局限在單弱面的簡(jiǎn)單疊加或者有限元模擬,模型的精確度還有待于進(jìn)一步提高。因此,針對(duì)某一特定頁(yè)巖儲(chǔ)層,建立有效性強(qiáng)、精確度高、針對(duì)性強(qiáng)的考慮弱面破壞及弱面數(shù)量的頁(yè)巖劣化模型是研究層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定的重要研究?jī)?nèi)容之一。

2.2 層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化物理實(shí)驗(yàn)研究

頁(yè)巖層理面的存在會(huì)加速鉆井液的侵入,從而引起層理面上礦物發(fā)生表面水化及膨脹壓增大,進(jìn)而使井周巖石強(qiáng)度發(fā)生顯著變化。因此,頁(yè)巖強(qiáng)度劣化研究過(guò)程中,除了考慮弱面自身引起的物理劣化,還必須考慮鉆井液侵入引起的化學(xué)劣化。通常采用不同的實(shí)驗(yàn)方法模擬鉆井液侵入頁(yè)巖的過(guò)程,然后獲取侵入前后頁(yè)巖強(qiáng)度的力學(xué)數(shù)據(jù),進(jìn)而為建立鉆井液侵入模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分析鉆井液侵入對(duì)層理性頁(yè)巖強(qiáng)度的影響。常見(jiàn)的模擬鉆井液侵入頁(yè)巖的實(shí)驗(yàn)方法有浸泡法和濾失驅(qū)替法。

2.2.1 浸泡法

1)靜態(tài)浸泡法。靜態(tài)浸泡法即在一定的溫度下,將頁(yè)巖樣品置于特定鉆井液中進(jìn)行靜態(tài)浸泡一定時(shí)間,然后進(jìn)行單三軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試,測(cè)定巖石強(qiáng)度[30]。該方法操作簡(jiǎn)便,不局限于實(shí)驗(yàn)室條件。

2)動(dòng)態(tài)浸泡法。實(shí)際井下作業(yè)過(guò)程中,鉆井液處于循環(huán)流動(dòng)工作狀態(tài),井液與巖石部分接觸,井周巖石在受到地層壓力的同時(shí),鉆井液液柱與巖石孔隙之間存在壓差。而采用普通浸泡方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),鉆井液無(wú)法模擬在井筒內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的過(guò)程,鉆井液與巖石完全接觸,與實(shí)際工作情況相差甚遠(yuǎn)。向朝綱等人[31]將巖樣置于裝有蒸餾水、油基鉆井液及水基鉆井液3類流體滾子爐進(jìn)行浸泡,分別開(kāi)展高溫高壓浸泡后頁(yè)巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 濾失驅(qū)替法

濾失驅(qū)替法是利用特定鉆井液對(duì)頁(yè)巖樣品在一定的溫度、壓力下進(jìn)行濾失或者驅(qū)替實(shí)驗(yàn),然后通過(guò)測(cè)定濾失量或利用核磁共振掃描技術(shù)觀測(cè)分析鉆井液在不同壓差作用下侵入頁(yè)巖層理的深度,結(jié)合孔縫參數(shù)計(jì)算鉆井液侵入量和侵入速度,建立鉆井液侵入模型,進(jìn)而研究鉆井液侵入規(guī)律[32]。

2.3 層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬是以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)進(jìn)行的模擬研究,能夠大幅降低室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間和成本。如何使模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨近一致,是高效數(shù)值模擬的關(guān)鍵。

2.3.1 基于滲流擴(kuò)散的數(shù)值模擬

在模擬鉆井液侵入過(guò)程時(shí),通常基于油水兩相滲流方程,結(jié)合質(zhì)量守恒方程、對(duì)流擴(kuò)散原理等建立數(shù)學(xué)模型并采用有限差分法、有限元法或有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬[33-34]。

2.3.2 基于泥餅滲透的數(shù)值模擬

鉆井液中懸浮固相和濾液侵入儲(chǔ)層是造成儲(chǔ)層損害的重要原因,鉆井液中的固相顆粒滲入儲(chǔ)層微觀裂隙形成內(nèi)泥餅,在井壁表面堆積形成外泥餅,其中內(nèi)泥餅更為致密,對(duì)鉆井液侵入儲(chǔ)層有較為明顯的影響(圖2)。因此,在進(jìn)行模擬時(shí),應(yīng)將泥餅的滲透率考慮在內(nèi)[35]。

泥餅的形成為動(dòng)態(tài)過(guò)程,其厚度、滲透率等參數(shù)是隨著鉆井液的侵入而不斷變化的,采用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值模擬更為合理[36]。

鉆井液侵入過(guò)程復(fù)雜,濾失過(guò)程中除形成泥餅外,鉆井液中微小的懸浮固相侵入儲(chǔ)層,使儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率降低,影響鉆井液進(jìn)一步侵入[37]。

目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于鉆井液侵入地層數(shù)值模擬研究多為沿巖石孔隙滲入,部分學(xué)者將鉆井液濾失過(guò)程中形成的泥餅考慮在內(nèi),建立了鉆井液侵入模型。對(duì)于層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層,其內(nèi)部大量發(fā)育的層理縫勢(shì)必促進(jìn)鉆井液的侵入,導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)下降甚至發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌。因此,研究鉆井液侵入層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層時(shí),必須將層理縫考慮在內(nèi),建立鉆井液沿層理侵入儲(chǔ)層模型,并應(yīng)用模擬軟件對(duì)鉆井液沿層理侵入儲(chǔ)層模型進(jìn)行研究。

2.4 層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化規(guī)律

在探究層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化規(guī)律時(shí),將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬所得結(jié)果進(jìn)行處理與分析,可得出在不同因素作用下鉆井液侵入對(duì)層理性頁(yè)巖強(qiáng)度的影響。

鉆井液侵入過(guò)程并非跳躍式階梯變化,而是一個(gè)連續(xù)的逐漸發(fā)生變化的過(guò)程。因此在研究鉆井液侵入的過(guò)程中,只有充分考慮時(shí)間對(duì)其影響,才能更為準(zhǔn)確地研究鉆井液侵入過(guò)程中巖石強(qiáng)度的變化[38]。

我國(guó)的頁(yè)巖儲(chǔ)層位置較深,儲(chǔ)層溫度高[39]。在鉆井過(guò)程中,因井壁巖石長(zhǎng)期與鉆井液進(jìn)行接觸,且隨井深增加井壁巖石溫度逐漸升高,導(dǎo)致井壁巖石表面形貌及巖石強(qiáng)度發(fā)生一定的變化,因此,探究溫度對(duì)鉆井液侵入頁(yè)巖儲(chǔ)層時(shí)的影響有重大意義。為研究工作液浸泡對(duì)順北油氣田儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)的影響,對(duì)順北S-11井7 652～7 656 m層段超深層高溫高壓環(huán)境下的巖樣進(jìn)行了完井液、鉆井液和酸液浸泡前后巖石強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)試。結(jié)果表明在高溫高壓環(huán)境下,巖樣在3種工作液浸泡后抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯下降[40]。

鉆井液主要分為兩大類,即水基鉆井液和油基鉆井液。在鉆井液侵入頁(yè)巖的過(guò)程中,由于鉆井液類型不同,層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化程度大相徑庭。王顯光等人[41]評(píng)價(jià)了龍馬溪組頁(yè)巖在蒸餾水、氯化鉀聚合物鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液中的巖石強(qiáng)度,并得出采用油基鉆井液浸泡時(shí),巖石抗壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力降低程度最小的結(jié)論。

研究鉆井液侵入地層過(guò)程時(shí)的侵入深度,可進(jìn)一步確定地層水礦化度、地層電阻率和含水飽和度的徑向分布,為地層識(shí)別和評(píng)價(jià)提供依據(jù),有助于控制濾失,減小損害程度。國(guó)內(nèi)學(xué)者暫未將鉆井液侵入深度與巖石強(qiáng)度相結(jié)合進(jìn)行研究。侵入深度是鉆井液侵入過(guò)程中的重要數(shù)據(jù),若將二者相結(jié)合進(jìn)行研究,更有利于解決在鉆井過(guò)程中由于鉆井液侵入所導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

在頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中,層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層容易發(fā)生巖石強(qiáng)度劣化進(jìn)而導(dǎo)致井壁坍塌失穩(wěn)。因此,層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定性研究更為重要。

1)層理性頁(yè)巖的黏土礦物組成是決定其水化劣化機(jī)理的關(guān)鍵因素。層理性頁(yè)巖層理面的孔隙結(jié)構(gòu)比頁(yè)巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)大了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),頁(yè)巖中存在層理面時(shí)其力學(xué)性質(zhì)會(huì)顯著降低,這也是造成層理性頁(yè)巖強(qiáng)度劣化的重要機(jī)理。

2)頁(yè)巖中存在層理面時(shí),在特定加載方向下巖石會(huì)沿著層理面發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞。因此對(duì)于層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層,除了選擇合適的本體破壞準(zhǔn)則外,還要將其與弱面破壞準(zhǔn)則相結(jié)合,才能更好的進(jìn)行井壁穩(wěn)定性的研究。

3)鉆井液的侵入是影響井周巖石強(qiáng)度變化的重要因素,對(duì)于層理性頁(yè)巖,濾失驅(qū)替方法是更適宜的研究鉆井液侵入引起的強(qiáng)度劣化的實(shí)驗(yàn)手段。

4)鉆井液沿層理面侵入巖石會(huì)對(duì)巖石強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的影響,在今后對(duì)鉆井工程中巖石強(qiáng)度的研究中,要建立關(guān)于時(shí)間、侵入深度等變量的巖石強(qiáng)度變化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究,使之與實(shí)際情況相匹配,后期可調(diào)整參數(shù)進(jìn)行模擬,為實(shí)際鉆井過(guò)程提供參考依據(jù)。