深层脆性页岩水平井井壁崩落失稳研究

刘厚彬 ，崔帅 ，孟英峰 ，周彦行 ，罗益

（1.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；2.西南石油大学保卫处安全消防科，四川 成都 610500；3.中国石油西南油气田分公司通信与信息技术中心，四川 遂宁 629000）

0 引言

随着钻井深度的不断加深，深层脆性页岩地层发生井壁失稳的比例越来越高［1-3］。综合成像测井、井下取心等现场信息发现，井壁垮塌通常表现为井壁崩落掉块，对应发生井壁垮塌层位的层理与裂缝较为发育。钻井过程中，井底有效当量循环密度存在一定范围的波动，井底激动压力的变化更加容易引起井壁岩石沿层理或裂缝发生崩落［4-5］。

国内外学者针对脆性页岩地层的井壁稳定性问题开展了大量研究工作。Ma等［6-7］通过实验测试和数学模型模拟，分析了硬脆性泥页岩地层井壁坍塌的原因。Zhou等［8］分析了围压加卸载速度对页岩力学参数、破坏特征的影响，提出了一种考虑卸载效应的脆性特征评价新方法。李绪锋等［9-10］综合考虑弱面等因素的影响，建立了页岩水平井钻井过程中井壁坍塌压力的计算模型。

目前，对页岩水平井在不同井下条件的井壁拉伸崩落失稳机理仍然认识不足，需进一步研究。为此，针对泸州区块龙马溪组深层页岩开展了井壁崩落失稳研究，制定了井下工况下力学加卸载模拟实验方案，分析了围压加卸载速度对岩石力学性能参数的影响，建立了深层脆性页岩水平井井壁崩落失稳模型。

1 页岩主要特征

以泸州区块龙马溪组井下页岩为研究对象，取心平均深度在3 500 m以上。该区块页岩以黏土、石英矿物为主，质量分数均在45%左右，含少量的斜长石、方解石、白云石。黏土矿物以弱膨胀性的伊利石、绿泥石为主，含少量伊/蒙混层，平均脆性指数高达 60%［11-12］。

该地区水平井钻进过程中，造斜段、水平段多次发生井下垮塌遇阻现象。通过分析井下打捞上来的岩心和掉块，发现该层段含裂缝发育的薄层，岩心较为破碎松散。利用扫描电镜测试了龙马溪组页岩的微观结构特征，发现龙马溪组页岩微裂缝贯穿整个视域，层理缝发育，层状结构明显。结合前述岩石矿物组成及质量分数对比分析，通常该类页岩脆性强，水化膨胀能力弱，在高外应力下容易产生微裂缝，岩石容易沿层理缝发生破坏。

2 实验方法

为了研究井底压力环境下脆性页岩水平井井壁拉伸崩落失稳的变化规律，采用力学加卸载实验测试了井底复杂载荷变化对深层脆性页岩力学性能及破坏规律的影响。

为了消除岩心非均质性给实验带来的影响，首先将岩心制成符合GB/T 23561.2—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》的试件，然后在干燥箱环境下烘烤24 h，最后利用体式显微镜、声波测试装置筛选符合该标准的岩心进行实验［13］。最终筛选出来的岩心特征及参数如表1所示。

表1 筛选岩心的特征及参数

2.1 岩石力学性能测试

综合现场工程、地质等信息，钻井过程中起下钻速度过快极易导致井壁垮塌事故，由此推断围压的变化速度会影响井壁的稳定性［14-16］。本次实验采用MTS三轴试验机（600 kN）进行不同围压卸载速度的岩石力学性能测试。围压卸载实验之前，分别测试9#、15#岩心在20 MPa围压下的抗压强度，把该强度作为其他岩心围压卸载实验需要加载轴压大小的参考标准。为保证岩心的完整性，防止因加载轴压过大使岩心提前压坏，以便观察后面围压卸载实验的变化规律，23#和10#岩心、1#和3#岩心卸载围压时，加载轴压分别为9#、15#岩心抗压强度的50%。

实验开始，围压和轴压加载到设定值后，保持轴压不变，23#、1#岩心按照10 min内围压从20 MPa卸载到0 MPa的速度进行测试，10#、3#岩心按照5 min内围压从20 MPa卸载到0 MPa的速度进行测试，观察岩心何时发生破坏，由此来研究围压卸载速度对岩石力学性能的影响。

2.2 岩石纵、横波速度测试

本次加卸载实验过程中，测试了所有岩心纵、横波速度的动态变化。通过对比分析岩心声波时差的变化规律，以间接评价力学加卸载对井壁岩石力学性能的影响［17］。

本次实验对三轴试验机的岩心夹持器进行了改装，在原岩心夹持器上下两端装有声波测试传感器。通过连接传感器与声波测试装备，在加卸载实验过程中利用电脑软件记录岩心纵、横波速度的动态变化过程。

3 实验结果

按照上述实验方法开展了井底复杂载荷下页岩的力学加卸载实验，结果如表2所示。围压卸载实验过程中，纵、横波速度的动态变化规律如图1所示。

表2 围压卸载实验结果

图1 围压卸载实验中纵、横波速度的动态变化规律

实验过程中，随着围压、轴压增大，岩心压实，纵、横波速度增大，当达到某一值后，岩心纵、横波速度变化很小；随着围压不断地减小，岩心慢慢被破坏，出现裂缝，纵、横波速度减小，在岩心破坏瞬间，纵、横波速度突然下降。不同围压卸载速度的实验表明，加载轴压相同的条件下，围压卸载速度越快，越容易导致岩心发生破坏，岩心破坏时卸载掉的围压相对越小，即井底激动压力变化越迅速，越容易引起井壁岩石发生破坏，在井下崩落掉块。通过对比实验后的岩心发现，岩心主要沿着层理缝发生脆性劈裂破坏。

4 井壁拉伸崩落失稳判断模型

4.1 模型建立

对于井壁岩石而言，井壁崩落掉块的条件为井壁岩石的径向应力为拉应力，且拉应力大于岩石自身的抗拉强度［18］。对于含有层理、裂缝的地层，判断井壁是否沿层理、裂缝发生崩落掉块，需要研究作用在层理、裂缝面上的法向主应力大小。当作用在层理、裂缝面上的法向主应力为拉应力，且拉应力大于层理、裂缝间的抗拉强度，则井壁会发生崩落掉块；反之，井壁不会发生崩落掉块。此处假设岩心为横观各向同性。

假设地应力场直角坐标系为σHσhσv，层理面直角坐标系为XsYsZs，地层层理或裂缝倾向与最大水平主应力方向的夹角为αs，层理或裂缝面倾角为βs。以地应力场直角坐标系为基准，沿σv方向轴线旋转αs，然后沿σh方向轴线旋转90°-βs，便可得到层理面直角坐标系（见图2a）。结合地应力场与层理面直角坐标系的空间角度关系，地应力场与层理面直角坐标系的空间笛卡尔坐标转换矩阵W可表示为

假设斜井井眼轴线直角坐标系为XbYbZb，斜井的方位角与井斜角分别为αb，βb。以地应力场直角坐标系为基准，沿σv方向轴线旋转αb，然后沿σh方向轴线旋转βb，便可得到斜井井眼轴线直角坐标系（见图2b，其中θ为井周角）。地应力场与斜井井眼轴线直角坐标系的空间笛卡尔坐标转换矩阵G可表示为

为了评价斜井井壁的岩石崩落垮塌情况，需要建立斜井井眼轴线柱坐标系（rθZb）。沿斜井井眼轴线直角坐标系的Zb方向旋转θ，便可得到斜井井周任一位置点的柱坐标系（见图2c）。结合斜井井眼轴线直角坐标系与柱坐标系的空间角度关系，斜井井眼轴线直角坐标系与柱坐标系的空间笛卡尔坐标转换矩阵C可表示为

图2 各坐标系之间的空间角度关系示意

结合地应力场分布及建立的空间笛卡尔坐标转换矩阵，便可评价不同井型井壁上任意分布的裂缝、层理面上的法向主应力大小，进而判断井壁是否会沿层理、裂缝发生崩落掉块。假设地应力场主应力已知，其分布矩阵 σins为

结合空间笛卡尔坐标转换矩阵，便可得到斜井井眼轴线柱坐标系下的井周应力场分布矩阵σcws：

式中：σrr，σθθ，σzz分别为斜井井眼轴线柱坐标系下井周应力场的径向主应力、周向主应力、法向主应力，MPa；τrθ，τθz，τrz为斜井井眼轴线柱坐标系下井周应力场的剪切应力分量，MPa。

结合地层层理、裂缝三维空间展布及其与地应力场的空间角度关系，利用空间笛卡尔坐标转换矩阵，便可得到不同井型井周层理、裂缝面上的应力场分布矩阵σbfp：

利用式（6）便可计算作用在层理、裂缝面上的主应力及剪切应力。结合拉伸崩落失稳准则，即可判断井壁是否发生崩落掉块。

4.2 模型应用

以某井为例，该井为泸州区块的一口页岩气水平井，所钻水平井段为龙马溪组页岩地层，井深为4 604.52 m，垂深为4 372 m。最大水平主应力为110 MPa，最小水平主应力为93 MPa，垂向主应力为102 MPa，地层孔隙压力梯度为2.14 MPa/100 m。该井的基本参数如表3所示。结合表3，通过计算停钻停泵、起下钻、正常钻进等工况下的井底有效当量循环密度，进而分析了井底有效液柱压力的动态变化规律，结果如表4所示。

表3 基本参数

表4 不同工况下井底有效当量循环密度计算结果

受井底激动压力的影响，当起下钻速度控制在6 m/min时，钻井液密度附加值为±0.020 g/cm3，井底压力附加值为±0.87 MPa。正常钻进与停钻停泵时的井底有效当量循环密差异相对较大。正常钻进时，钻井液密度附加值为0.128 g/cm3，井底压力附加值为5.51 MPa。

基于不同工况下井底有效当量循环密度的计算结果，分别分析了在不同工况下，页岩地层致密无裂缝、发育层理和裂缝时水平井的井壁拉伸崩落稳定性，结果如图3、图4所示。

图3 致密页岩地层水平井井壁拉伸崩落失稳判断

图4 含层理、裂缝页岩地层水平井井壁拉伸崩落失稳判断

对比图3、图4可知：当地层致密无裂缝或钻井液有效封堵性为100%时，地层保持原始地层压力状态，井筒和地层之间无渗流运移及压力传递，井壁不会发生拉伸崩落。当地层发育层理、裂缝时，在井底压差下井筒和地层之间存在渗流及压力传递，尤其开泵过程中，井底有效液柱压力最大，导致近井壁地带孔隙压力迅速增加，钻井液沿着层理缝渗入后，产生的附加压力大于井筒液柱压力；停钻停泵、起钻工况下井底附加压力消失，井底有效液柱压力最小，井壁部分位置的页岩受拉应力作用，当拉应力超过页岩抗拉强度，便会发生拉伸崩落。从图4a，4b可以看出，起钻、停钻停泵后，水平井段上、下井壁的页岩受拉应力，将会发生小范围拉伸崩落。

4.3 模型验证

为了检验页岩水平井井壁崩落失稳模型的准确性，将该井上述预测结果与现场实际工况进行了对比分析。该井在采用密度为2.15 g/cm3的钻井液进行水平井段钻井过程中，井壁较为稳定，无井下遇阻卡钻现象。但停钻停泵之后进行起下钻作业时，在水平井段伴有挂卡遇阻现象，发现循环出来的钻井液有大量2～3 cm厚度的脆性页岩。后期完井的电测井径曲线也表明，在该井水平井段的卡钻遇阻位置发生了扩径，最大扩径率达到了27%（见图5）。这说明该理论预测结果与现场结果基本一致。

图5 完井电测井径曲线

5 结论

1）龙马溪组深层页岩以黏土、石英矿物为主，脆性矿物质量分数高，岩心层理缝发育，井底压力环境下容易沿层理缝发生脆性劈裂破坏。

2）不同工况下井底液柱压力的变化明显。起钻工况下井底激动压力变化迅速，井壁岩石所受支撑围压减小，从而容易导致井壁岩石发生破坏，诱发龙马溪组页岩水平段井壁发生拉伸崩落。

3）通过与现场实际工况进行对比分析，证实了本文模型的合理性和准确性。针对井下复杂的工况环境，应合理控制起下钻速度，有效控制井底激动压力的变化，提高钻井液的有效封堵性，从而降低钻井液沿层理缝的压力穿透效应，提高钻井液对井壁岩石的有效支撑力，增加井壁岩石的抗破坏强度。该研究对深层脆性页岩水平井的安全高效钻进具有一定的指导意义。