不同裂缝倾角诱导井底岩爆动态演化数值模拟

罗成波, 何 龙, 蒋祖军, 李 皋, 欧 彪, 孟英峰,肖国益, 严焱诚, 王希勇, 贾红军

(1.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院, 德阳 618000； 2.西南石油大学国家重点实验室, 成都 610599；3.中国石化西南油气分公司, 成都 610041； 4.中国石油塔里木油田公司, 库尔勒 841000)

氮气钻井钻遇致密砂岩裂缝圈闭导致井底岩爆是QL1井恶性井喷事故的根本诱因,针对岩爆的动态演化过程进行系统分析并形成正确认识是恢复氮气钻井技术良性发展的紧迫需要[1]。

氮气钻井井底岩爆——氮气钻井钻遇高压裂缝圈闭,当裂缝与井底之间有一定距离时,由于裂缝与井底之间是低渗透的致密砂岩,裂缝内气体不会向井筒渗流泄压,裂缝内的压力作为一种静压力作用于致密砂岩,井底压力为环空气柱低压；当井底足够接近裂缝时,裂缝内高压与井筒低压形成的高压差导致致密砂岩岩石墙局部应力集中,使岩石瞬间崩裂、破碎,大量坍塌碎屑和释放的高压气体喷入井内,释放巨大能量,称之为氮气钻井的井底岩爆。

氮气钻井中这种“岩石突然爆碎并与天然气一起猛烈喷出”的工程现象,从未在中外气体钻井的文献、专著、工程记录中报道过,这种现象是第一次在钻井工程中发现[1-3]。该现象与煤矿、金属矿及隧道厂房等工程领域中的岩爆发生的机制有相似之处,但又有很大不同。

煤矿、金属矿及隧道厂房等工程领域中的岩爆是指在开挖或其他外界扰动下,地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放,导致围岩爆裂、弹射的动力现象[4-8],且力学诱因为地应力和开挖扰动应力或者远场扰动应力,其中开挖扰动应力或者远场扰动应力为主要诱因,而氮气钻井井底岩爆的力学诱因为地应力、开挖扰动应力和裂缝内的圈闭高压,其中裂缝内的圈闭高压为主要诱因。两种岩爆的相同点为都具有很强的突发性、随机性和危害性。

现应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.3进行岩爆的动态演化数值模拟。建立井底逐渐接近裂缝的数值模型,基于致密砂岩岩体内部微裂缝起裂时对应的等效塑性应变为判断标准,分别采用CWFS-DP(cohesion weakening and frictional strengthening-Drucker-Prager)强度准则、DP(Drucker-Prager)强度准则及MC强度准则进行平行数值计算,研究氮气钻井井底岩爆的动态演化过程。

1 数值模型

构建简化的裂缝倾角为0°的几何模型。裂缝倾角为0°的实体以及线框模型如图1和图2所示，由井筒、致密砂岩及简化的裂缝面构成。

图1 几何模型实体图Fig.1 Geometric model entity diagram

图2 几何模型线框图Fig.2 Geometric model wireframe

几何模型尺寸:模型长4 m,宽4 m,高3 m,井筒半径为0.18 m。

1.1 材料属性

致密砂岩基质的物理及力学参数如表1所示。

表1 致密砂岩基质的基本物理及力学参数

1.2 应力边界条件

QL1井地应力及孔隙压力参数:上覆地应力为47 MPa,水平最大地应力为50 MPa,水平最小地应力为49 MPa,井底压力为0.38 MPa,裂缝圈闭高压为30 MPa。

1.3 位移边界条件

模型的下表面边界为裂缝内高压气体对致密砂岩基质的静压力,前后表面边界条件为在x方向位移为0,左右表面边界条件为在y方向位移为0,上表面边界条件为在z方向位移为0,井筒表面边界条件为环空气柱压力,如图3所示。

图3 完整模型边界条件示意图Fig.3 Schematic diagram of boundary conditions

2 岩爆计算理论模型

Hajiabdolmajid等[9]在Mohr-Coulomb强度准则的基础上,基于岩石损伤演化理论,提出了内聚力弱化-摩擦力强化的硬岩本构模型,如图4所示。该本构模型在高地应力条件下硬岩脆性破坏深度和范围的模拟效果较好,具有良好的工程应用前景。

σ3为围压；σ1为轴压；为有效围压；为内聚力弱化塑性参数；为摩擦力强化塑性参数图4 脆性破坏过程中裂纹演化对岩石强度的影响示意图Fig.4 Schematic diagram of crack evolution on rock strength during brittle failure

基于CWFS模型,则Mohr-Coulomb和Drucker-Prager模型可以分别演化为式(2)和式(4)[9-12]。

2.1 Mohr-Coulomb强度准则

τ=c+σtanφ

(1)

(2)

式中:τ为沿平面剪应力,MPa；c为内聚力,MPa；σ为垂直平面正应力,MPa；φ为内摩擦角,(°)；εp为等效塑性应变,%。

2.2 Drucker-Prager强度准则

(3)

(4)

式中:

I1=σii=σ1+σ2+σ3=σx+σy+σz

(5)

为应力第一不变量；

(6)

为应力偏量第二不变量；

α、K为仅与岩石内摩擦角φ和内聚力c有关的实验常数，即

(7)

(8)

Martin等[18]用图5所示的计算方法获得的Lacdu Bonnet花岗岩的微裂缝起裂应力σci=0.4σf,本节计算井底岩爆动态演化过程,需要使用微裂缝起裂应力时的等效塑性应变,因此,借助图5所示的方法,结合致密砂岩三轴实验数据,确定三轴应力状态时致密砂岩微裂缝的起裂应力为σci=0.43σf。微裂缝起裂时,岩体内出现新的微裂缝,微裂缝主要是沿着矿物晶体之间的晶体边界或者颗粒之间的孔隙随机形成新的微裂缝,此时内聚力开始下降,摩擦力开始增加,满足CWFS-DP准则的使用条件。

ε1为轴向应变；ε3为径向应变；εv为体积应变；为微裂缝体积应变；σci为微裂缝起裂应力；σcd为裂缝非稳定扩展应力；σf为峰值应力图5 致密砂岩三轴实验图Fig.5 Triaxial experiment on tight sandstone

3 计算结果分析

图6～图9分别为井底塑性破坏区动态演化直至产生井底岩爆过程示意图。

裂缝倾角为0°导致岩爆动态演化分析过程如图6所示。裂缝倾角为15°导致岩爆动态演化分析过程如图7所示。裂缝倾角为30°导致岩爆动态演化分析过程如图8所示。裂缝倾角为45°导致岩爆动态演化分析过程如图9所示。

图6 井底塑性破坏区动态演化过程Fig.6 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

图7 井底塑性破坏区动态演化过程Fig.7 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

图8 井底塑性破坏区动态演化过程Fig.8 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

图9 井底塑性破坏区动态演化过程Fig.9 Diagram of dynamic evolution on plastic failure zone at bottom hole

从图6～图9可知,塑性破坏区首先出现在井底附近和裂缝面附近,中间区域未出现破坏区,且塑性破坏区随着井底和裂缝之间距离的减小而逐渐增大,破坏区增大的方向是从裂缝方向往井底延伸,直至塑性破坏区贯通井底,井筒低压和裂缝内的高压连通,井底岩爆发生。

4 DX1井岩爆发生过程录井数据分析

DX1井井底岩爆发生后随钻监测数据分析如图10～图13所示。

图10 大钩载荷及套管压力Fig.10 Diagram of hook load and casing pressure

图11 钻压及钻时Fig.11 Weight on bit and drilling time

从图10和图11可知,A点和D点表示监测到井底岩爆,高压气体携带岩屑冲击钻具,产生瞬间巨大上顶力,从图中看出,悬重降低10 t左右,钻压升高100 kN,说明瞬间上顶力为10 t左右。图10中的BC段以及图11中的EF段,钻具上提,在钻具上提过程中,聚集在钻头附近的岩屑被从裂缝中持续流出的高压高速气体排出,钻具的失重现象逐渐消失。图11中的GH段,在钻具下放划眼过程中,钻压一直都有数值,说明岩爆后产生局部井段砂堵,然后下放划眼过程中产生的摩擦力导致钻压一直都有数值。从图10中可知,套管压力的数值始终为0,说明岩爆产生的岩屑并未在排砂管线处形成堵塞,可以推测此次岩爆为烈度较小的岩爆。

图12中显示了两种排砂管线压力,是由于在排砂管线的上游和下游安装了两个传感器。从图12可知,当岩爆发生以后,裂缝中的高压气体携带被破碎的岩屑运移至排砂管线,此时,距离岩爆发生2～3 min,因此,排砂管线压力升高,由于岩屑的不均匀排出,导致压力波动,此阶段持续大概5 min。

图12 排砂管线压力Fig.12 Pressure diagram of sand discharge pipeline

图13 返出甲烷浓度Fig.13 Returned methane concentration

从图12可知,未产气时,压差Δp=3.5 kPa,产气,但未发生岩爆时,Δp=4 kPa,将14:29至14:33时间短的Δp曲线段,近似为矩形,Δp=8 kPa,总共持续了5 min,可计算岩爆发生以后,排出的岩屑总量大约为0.25 m3。

从图13可知,岩爆碎屑被排出后,被碎屑堵塞的天然气排出,因此甲烷浓度升高,而后逐渐进入稳定状态。

5 结论

(1)井底岩爆动态演化过程即是井底逐渐接近高压裂缝圈闭,塑性破坏区首先出现在井底附近和裂缝面附近,中间区域未出现破坏区,且塑性破坏区随着井底和裂缝之间距离的减小而逐渐增大,且破坏区增大的方向是从裂缝方向往井底延伸,直至塑性破坏区贯通井底,井筒低压和裂缝内的高压连通,井底岩爆发生。

(2)井底岩爆动态演化过程分析研究可以充分解释DX1井随钻监测参数的异常变化,其研究结果不仅可为岩爆的防治提供理论基础,而且在石油工程领域为深部岩体动力学失稳研究提供了一个新的视角。