考慮層理性時造斜段井壁坍塌行為研究

陳穎超

(河北石油職業(yè)技術大學 石油工程系,河北 承德 067000)

1 問題提出

在層理發(fā)育的頁巖氣地層中進行水平井造斜作業(yè)時,由于頁巖中薄弱層理面強度較低,泥漿循環(huán)當量密度(ECD)較小會發(fā)生井壁坍塌破壞,降低了鉆井的速度和效率,考慮到頁巖地層為不均質的橫觀各向同性體[1],若分析頁巖氣造斜井壁失穩(wěn)行為時仍然采用均質模型,得到的變化規(guī)律將會失真,因此頁巖氣斜井段井壁垮塌的基礎理論尚不明晰。 鑒于此,亟需建立考慮弱層理面的頁巖造斜段井壁圍巖應力計算模型[1],這對于研究頁巖氣的鉆井安全具有重大的工程意義。

文中建立的造斜段井壁力學數(shù)學模型所做力學假設如下[2]:

1)井壁圍巖受三向主應力作用;

2)考慮頁巖在彈性范圍內為橫觀各向同性線彈性體;

3)不考慮井眼內泥漿循環(huán)時溫度變化的影響。

在假設的基礎上,建立了頁巖氣造斜鉆進時考慮弱層理面時的井壁破壞準則,并結合X 工區(qū)巖石力學和井眼軌跡參數(shù),得出造斜段井壁坍塌變化規(guī)律。

2 模型建立

2.1 巖石的破壞方程

頁巖地層中含有裂縫、破碎帶,頁巖鉆進過程中很難做到全程欠平衡狀態(tài),因此很容易形成誘導裂縫,導致井壁周圍的地層非連續(xù),地層的不連續(xù)特性產(chǎn)生的井徑擴大和井壁失穩(wěn)是比較棘手的鉆井復雜問題[3]。 在研究頁巖井壁不連續(xù)介質穩(wěn)定狀態(tài)時,當泥漿密度一定時,經(jīng)調研發(fā)現(xiàn),力學因素在起主導作用,當井壁切向應力與法向應力的差值超過巖石強度時,井壁就會破壞失穩(wěn)。

計算造斜點處的井壁圍巖應力結果,然后和巖石屈服值相比,即可得出井壁是否失穩(wěn)。 造斜井壁上的巖石微元體受力如圖1 所示, 井壁垮塌破壞發(fā)生在θ-z平面上。

由井壁圍巖應力分析可知,與z軸成γ角的斜平面上的正應力σ和剪應力τ與軸向應力、切向應力和剪應力之間的關系為:

把γ1和γ2代入式(1),可求得造斜井壁上的主應力:

式中:pi為井內液柱壓力;X =(A + D)σh+(B + E)σH+(C + F)σv;Y =(A - D)σh+(B - E)σH+

將摩爾-庫侖強度準則改寫為

式(4)中的M =cosφ(cos2φ -sin2φ)。

可通過數(shù)值計算方法求解坍塌壓力pi。

2.2 含弱層理面巖石破壞模型

頁巖層理面的強度和產(chǎn)狀、井身軌跡參數(shù)、井壁圍巖應力直接關系到井壁穩(wěn)定狀態(tài),當鉆進到造斜段遇到薄弱層理面時,層理儲層會優(yōu)于本體發(fā)生破壞[4],造斜鉆進時井壁圍巖所受的有效主應力極值為:

式中:σθ為柱坐標系下的切向應力;σz為柱坐標系下的軸向應力;σθz為柱坐標系下的剪應力。

一般認為弱層理性地層的破壞形式有2 種[4],沿層理面的剪切破壞和巖石基體的剪切破壞。 其中,巖石基體的破壞為:

弱面的破壞為:

將基體破壞面及弱面上的應力轉化為主應力,可以得出弱面破壞準則[5]:

當弱面進入變形狀態(tài)時,層理弱面度是頁巖弱面方向的函數(shù),即δ1= f(β)。 因此,頁巖強度不是一個常數(shù),而是隨層理面傾角不斷變化的[5]。

由式(5)知,當β = φw或時,此時弱面沿著層理不會產(chǎn)生相對運動;而當時,弱面才有可能滑動。 所以,弱面產(chǎn)生破壞的條件是:

圖2為考慮頁巖層理弱面時的摩爾-庫侖破壞準則圖[6],與δ軸成β角的AB 線與應力圓的焦點M 代表弱面應力狀態(tài),AB 線為弱面應力線,M 點位于極限強度的下方。

3 實例分析

X 頁巖氣田工區(qū)地層數(shù)據(jù):井深2 650 m;地層壓力27.8 MPa;水平最大主應力73 MPa;水平最小主應力52 MPa;上覆巖石壓力68 MPa;有效應力系數(shù)0.9;泊松比0.18;地層孔隙度5%;巖石本體內摩擦角40°;巖石本體內聚力27 MPa;巖石層理面內摩擦角24°;巖石層理面內聚力69 MPa。

3.1 裂縫方位、傾角和井眼方位對坍塌壓力的影響

利用X 工區(qū)地層數(shù)據(jù),計算當裂縫傾角為15°、45°、75°,走向為0°、15°、45°、75°和90°時,井壁坍塌壓力與井眼和裂縫方位相互關系如圖3 ~圖5 所示。

1)頁巖氣鉆進方位沿井眼最小水平主應力方位鉆進時,裸眼井壁坍塌壓力較高,此時容易發(fā)生坍塌失穩(wěn)。

2)頁巖天然裂縫面傾角為15°時,造斜段井壁坍塌壓力行為主要是剪切破壞(見圖3);頁巖天然裂縫面傾角為45°和75°時,由于造斜段井壁先發(fā)生本體破壞,所以坍塌壓力變化行為與天然裂縫面的傾角和走向無關(見圖4 和圖5)。

3)井眼方位與頁巖天然裂縫面的走向呈180°夾角時,此時的坍塌壓力最低,井壁比較穩(wěn)定。

3.2 井斜角對井壁坍塌行為影響

對不同井斜角下弱層理地層坍塌變化規(guī)律進行分析,計算結果如圖6。

從圖6 得出,隨著井斜角的增加,坍塌壓力減小,井壁趨于穩(wěn)定,鉆斜井和水平井也不會垮塌,當井斜角小于20°時,不同鉆井方位的坍塌壓力值接近。 其中,方位角135°為最大水平主應力方位,45°為最小主應力方位。

4 結論

1)鉆進方位沿井眼最小水平主應力方位鉆進時,裸眼井壁坍塌壓力較高,此時容易發(fā)生坍塌失穩(wěn),鉆進時應避開此方位。

2)隨著井斜角的增加,坍塌壓力將減小,此時造斜段井壁垮塌可能性較小。

3)頁巖氣造斜鉆進時,井壁失穩(wěn)機理較為復雜,建議提高鉆井液封堵性能,降低X 區(qū)塊水平井造斜段井眼垮塌發(fā)生率。