页岩水化特征及其井壁稳定分析*

梁利喜，王光兵，刘向君，张明明

(西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500)

0　引言

美国页岩气开发项目获得巨大商业利益后，页岩气作为1种非常规油气资源得到全世界的高度关注，而页岩地层的井壁失稳已严重制约着页岩气、页岩油等非常规油气资源高效勘探开发。基于页岩矿物组成的认识，学者们认为页岩水化是导致井壁失稳的1个非常重要的因素，针对该类地层井壁失稳问题，前人做了大量的研究工作，主要集中在水化对井壁稳定的影响以及考虑水化作用后井壁稳定模型的建立[1-11]，而关于页岩水化特征的研究还很缺乏，尤其利用超声波信号研究水化现象鲜见于文献中，这也直接影响到了页岩地层中进行油气资源勘探与开发等工程活动的安全性。基于上述考虑，通过开展超声波透射实验与岩石力学实验全方位多角度认识页岩的水化特征，并分析水化对井壁稳定的影响，为优化页岩地层的井壁稳定技术提供参考依据。

1　实验过程

为揭示页岩水化特征，用现场水基钻井液对岩样进行浸泡，浸泡压差为3 MPa，温度100℃。对比钻井液作用前后的岩样声学与力学性质的差异来研究页岩水化特征。钻井液浸泡后发现，岩样膨胀效果不明显，外观结构保持完整(见图1)，没有出现明显剥落与掉块，由于外观结构依旧完整，浸泡后的岩样完全可以如浸泡之前的岩样进行相关实验。

图1　实验岩样Fig.1　The experimental sample

1.1　超声波透射实验

超声波透射实验选用激发频率为25 kHz的纵波探头发射出超声波脉冲穿透岩样，接收探头接收信号后传递到示波器上以波的形式显示出来，由与示波器匹配的Ultra Scope软件采集信号保存到计算机中，采样间隔为2 μs，能对超声波波形进行精确的记录。

超声波透射实验按照行业标准SY/T 6351-2012[14]的规范与建议进行，对制取的柱塞岩样烘干后进行第1次超声波透射实验，然后用钻井液浸泡3d后进行第2次超声波透射实验，实验结果见表1。在超声波透射实验过程中，利用示波器调出完整波形图，待波形稳定后，保持1次波形图，然后找出波形图首波的位置，利用示波器对首波放大，读出首波的振幅与首波的起跳时间，依此计算声波时差与衰减系数，根据波形图记录的数据作出时域信号图，由时域信号利用傅里叶变换作出频域信号图。

表1　超声波透射实验结果

1.2　层理面直剪与三轴压缩实验

层理面直剪实验与三轴压缩实验按照GB/T 50266-2013[15]的相关规定与建议进行，层理面直剪实验选用方块岩样，三轴压缩实验选用柱塞岩样。直剪实验与三轴压缩实验均由伺服控制，计算机自动记录数据，可以精准的记录实验过程。实验结果见表2-3。

表2　三轴压缩实验结果

表3　直剪实验结果

2　页岩水化特征讨论

表1显示，钻井液作用后岩石声波时差普遍增大，说明水化后岩石物性或微结构发生变化，超声波穿透岩样需要更长的时间。钻井液作用后除个别岩样声波时差变化不大以外，其余样品声波时差都变大，呈现出整体变大的趋势。岩样经钻井液浸泡后，衰减系数均增大。钻井液浸泡后，页岩内部发生水化反应，声衰减较原岩增大。衰减系数与水化程度呈现很好的相关性，衰减系数同声波时差一样，能在一定程度上反映了页岩的水化特征。

通过对比同一块岩样在水化前后的时域信号发现，时域信号明显发生变化。页岩水化后，最显著的变化就是首波振幅的减小，首波起跳时间的延迟。振幅代表超声波在岩样内部传递时具有的能量，原岩基本上在10个脉冲之内振幅达最大，之后声波能量逐渐衰减，钻井液浸泡后，衰减相对原岩变慢，可以说明，原岩内部孔隙空间对声能量吸收明显，钻井液浸泡后，内部充斥着流体，流体对声能的衰减弱于孔隙对声能的衰减，钻井液浸泡后延迟了声能量的衰减过程。最大振幅的变化没有明显的规律，部分岩样水化后超声波透射时最大振幅反而增大，反映出水化后内部结构变化的随机性。

图2　时域信号与频域信号Fig.2　Time domain signals and frequency domain signals

通过对岩样频域信号分析发现，信号能量集中在频率为25 kHz附近，主频突出，呈漏斗状，表明岩样水化前后对25 kHz的频率不会明显吸收。原岩频域曲线中低频会有突出部分。水化后频率成分减少，频域曲线变得更加光滑，部分岩样主频会向减少的方向发生偏移(图2(b),(d),(j),(r))，主频发生偏移，也进一步说明岩石声衰减增大，可推断为岩石内部出现了结构缺陷。部分岩样原岩主频出现畸变(图2(l)，(n)，(p))而钻井液浸泡后主频光滑，可推断原岩内部发育较大的裂纹，钻井液浸泡后流体充满裂纹空间。根据不同的信号可反映岩石内部的一些信息，在某些情况下，超声波的频域信号比声波时差及衰减系数更加有效的反应岩石的内部物理信息，通过对频域信号的分析，可加深对页岩水化特征的理解。综合考虑声波时差、衰减系数、时域信号与频域信号对研究页岩水化特征有很强的指导意义。

由表2可以看出，该地区页岩的弹性模量在33 000～45 000 MPa之间，泊松比在0.20～0.31之间，水化后弹性模量和泊松比略有变化，但不明显，这说明水化对页岩弹性参数的影响不大。不同围压条件下，原岩抗压强度与钻井液浸泡后抗压强度差别较突出，钻井液浸泡后岩石的承载能力明显下降。水化作用会改变页岩的内部结构，弱化其抗压强度，加大钻井施工时的井壁失稳风险。钻井液浸泡后，岩样依旧沿层理面破坏，由表3可知，法向应力变大，抗剪强度变大。钻井液浸泡后岩石抗剪强度明显出现减弱的趋势，表明钻井液浸泡后，岩样内部发生水化反应，导致页岩结构面抵抗剪切能力下降。由此可见，水化后，层理的力学性能大幅下降。在2种不同正应力状态下，钻井液浸泡后抗剪强度均降低，岩石内聚力与内摩擦角减弱。

注：极轴代表弱面倾角，0～90°；极径代表弱面倾向，0～360°；灰度代表坍塌压力，MPa图3　水平井坍塌压力Fig. 3　Collapse pressure of horizontal well

岩石力学参数由岩石力学实验获得，岩石力学实验往往对岩样产生不可逆转的破坏。利用弹性模量、泊松比等岩石力学参数评价页岩水化特征往往需要更多的实验数据进行统计分析，超声波透射实验对岩样无损害，钻井液浸泡前后分别进行1次超声波透射实验即可获得评价水化特征的参数。实验所获得的弹性模量与泊松比是根据应力-应变曲线上直线段的拟合而来，反映页岩的弹性性质。超声波信号反映页岩的综合信息，相对于岩石力学参数而言，超声波信号评价页岩水化特征更加实际。

3　井壁稳定分析

本文所取的页岩岩芯来自2 600～2 650 m之间，该井水平最大地应力梯度为2.20 MPa/100m，水平最小地应力梯度为1.60 MPa/100m，垂向地应力梯度为2.40 MPa/100m。该井附近若要持续布井，井壁稳定设计时最为关注的问题是坍塌压力的影响因素，本文以垂深2 630 m的水平井为例，重点分析水化对坍塌压力的影响。

层理面直剪实验表明，岩样沿着层理面被剪开，可看作是岩样弱面破坏。三轴压缩实验表明，围压下实验岩样更多的出现倾角裂缝，破坏面与层理面呈现很大的角度，可看作岩样基体破坏；另外，依据三轴压缩实验结果，以原岩平均泊松比0.272作为原始地层泊松比，以钻井液浸泡后平均泊松比0.286作为水化后地层泊松比。结合表2与表3的数据可得到计算坍塌压力参数(见表4)。

由于页岩结构的特殊性，不能用常规井壁稳定模型计算坍塌压力，文献[12]的弱面地层井壁稳定模型很适合页岩地层井壁稳定的判定，现选取表4的参数，以相对方位角分别为0°，30°，60°，90°的水平井为例计算页岩地层的坍塌压力。

从图3可以清晰的看出，坍塌压力随井眼轨迹以及弱面倾向与倾角的变化而变化，表明井壁稳定受井眼轨迹和弱面的严重影响。对比图3中上下云图相同位置灰度还可以发现，在相同的井眼轨迹与相同的弱面分布情况下，井眼形成3 d后坍塌压力明显上升，可说明水化对井壁稳定造成重要影响。

表4　计算坍塌压力参数

若该区域某地段层理为东北—西南走向，倾角为20°，需要在此布一水平井，井壁稳定设计时需要提供钻井液的密度范围。以该井为例，进行坍塌压力预测。

图4　水化对坍塌压力的影响Fig.4　The influence of hydration on collapse pressure

由图4发现，随着钻进的进行，坍塌压力上升。坍塌压力除了受井眼轨迹与层理产状影响很大以外，受水化的影响也很大，钻井液浸泡3 d后，水平井坍塌压力当量密度上升了0.19～0.45 g/cm3。由图4可以看出，纵轴上的数据要比横轴上数据变化明显，说明水化对坍塌压力的影响程度要大于相对方位角对坍塌压力的影响程度，水化是导致该类地层井壁失稳的重要原因。比如，沿最小水平地应力方向钻井时，井眼形成3 d后坍塌压力当量密度由刚开始的0.99 g/cm3上升到1.32 g/cm3，此时，钻井液性能严重制约着井壁的稳定与否。钻井液对岩样持续浸泡，岩石力学性能会持续降低，在钻井施工时可以理解为：随着钻井过程的进行，页岩的力学性能持续下降，其基体黏聚力与内摩擦角、层理面黏聚力与内摩擦角持续下降，地层坍塌压力持续上升。钻进过程中应注重提高钻进效率，时刻注意钻井液性能，在坍塌周期前完钻，以防止井壁失稳。

4　结论

1)页岩水化后声波时差增大，衰减系数增大，时域信号及频域信号明显发生变化，层理面强度、抗压强度、黏聚力、内摩擦角等岩石力学性能下降。

2)页岩水化后弹性模量与泊松比变化不明显，弹性模量、泊松比等参数难以准确的量化页岩的水化特征。超声波信号可以初步反映页岩的水化规律，且超声波透射实验对岩样无损害，钻井液浸泡前后分别进行1次超声波透射实验即可获得评价水化特征的参数，持续对岩样钻井液浸泡后进行超声波透射实验可以获取页岩水化动态特征的超声波信号，对多组超声波信号的分析可以为页岩水化动态过程提供研究依据。

3)页岩水化是井壁失稳的主要影响因素。页岩井壁稳定设计时应充分考虑地层岩石基础物性、井眼轨迹，钻井液性能等多种参数对井壁稳定的影响，钻井过程中应时刻检测井下岩石力学以及声学性质的动态，基于井下信息的动态变化适时调整钻井方案。

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