顺北区块超深井侵入体井壁稳定性分析

刘景涛，尹 飞，赵 宁，廖智海，史彪彬

（1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆乌鲁木齐830011；2.成都理工大学能源学院，四川成都610059）

钻井前地层处于力学平衡状态，钻井后井壁周围出现应力集中。如果钻井液压力不足于支撑井壁，就会出现井壁坍塌，特别是在页岩、火成岩等各向异性地层中。顺北区块钻遇侵入体时经常发生坍塌掉块、阻卡、携带困难、钻头崩齿等复杂情况[1]，严重影响钻井效率和安全，因此，对侵入体井壁稳定性研究具有重要意义。

国内外学者已对各向异性地层井壁稳定性进行了一系列研究。Aadnoy[2]早在1988年采用线弹性力学和弱面强度模型，分析了各向异性对井壁稳定的影响。Lee[3]建立了各向异性地层的井壁稳定模型，分析了层理面产状对井壁坍塌形状影响。金衍[4]发现弱面存在易使井壁失稳，分析了弱面产状和井眼轨道对井壁稳定的影响规律。刘向君[5]提出弱面应力和强度的分析方法，发现当井周围存在裂缝或节理等软弱面时，井壁稳定性将明显降低。蔚宝华[6]通过岩石力学试验发现层理面法向与最大主应力夹角为30°~70°容易发生层理面剪切滑移，通过优化井眼轨道可实现层理性泥页岩井壁稳定。曹文科[7]通过坐标转换分析了基质与弱面应力，当层理倾斜角增大时，井壁坍塌的主控因素由页岩基质破坏转变为弱面破坏；尽量减小井眼轨迹与层理弱面法向夹角。闫传梁[8]、马天寿[9]等建立页岩井壁稳定模型，发现钻井液浸泡显著降低了层理面粘聚力和内摩擦角，层理面强度弱化对页岩井壁稳定有较大影响。

现有研究多为泥页岩井壁稳定，对侵入体薄层井壁稳定性研究不足。本文将系统地分析裂缝性侵入体基质与弱面的应力、强度，最终计算侵入体坍塌压力，并推荐安全钻井液密度窗口，现场应用情况反映了分析结果的准确性。

1 侵入体钻井难点与岩石特性

顺北区块二叠系以下即石炭系、志留系、奥陶系发育非连续性侵入体薄层。对顺北区块已钻的井进行统计分析，发现有23口井钻遇侵入体，共36层侵入体。有11口井次出现不同程度复杂和故障，钻遇侵入体事故率32%。复杂与故障类型主要是：扭矩波动大（跳钻、憋停）、阻卡、卡钻、井漏。侵入体严重影响了钻井时效和安全成井，例如，顺北1、顺北52X、顺北5-10钻遇侵入体薄层发生卡钻故障。

侵入体钻井收集的岩屑样品取自顺北1-22H井的塔塔埃尔塔格组地层，岩性为灰黑色辉绿岩。对岩样进行X-射线衍射矿物分析，确定岩样的全岩矿物组成和粘土矿物相对含量。侵入体辉绿岩矿物组分：以长石、辉石为主，含少量方解石、钛铁矿；缝间填充物矿物包括石英、粘土矿物。

采用扫描电镜对侵入体进行微观结构分析，10#辉绿岩侵入体的裂缝如图1所示。辉绿岩发育于斜长石中裂缝缝宽15μm，整体平直，呈开启状态，由于斜长石易蚀变，裂缝有轻微充填；发育于辉石中裂缝缝宽1.0~1.4μm，较斜长石中发育的裂缝明显偏小，发育规模也较前者明显偏小，但裂缝更为平直，基本未被充填。辉绿岩裂缝发育，裂缝的弱理面效应导致辉绿岩岩体整体强度降低，易造成井壁失稳；但裂缝贯通性不好，少见漏失。辉绿岩中长石含量高，呈硬脆性，受到冲击容易掉块。辉绿岩水化不易分散、水化膨胀应变非常小[10]，不易造成井壁水化坍塌。所以，侵入体井壁坍塌主要由力学失稳造成。

图1 10#辉绿岩侵入体裂缝扫描电镜照片

2 侵入体井壁与弱面应力分析

2.1 井壁应力状态

深部地层受到三向主地应力的作用，它是井壁围岩/裂缝的远场应力。在此远场地应力作用下，求解井壁围岩应力、弱面应力。为了便于计算，建立大地坐标系（X，Y，Z）、地应力坐标系（Xs，Ys，Zs）、井眼坐标系（Xb，Yb，Zb）、弱面坐标系（Xw，Yw，Zw）。从而，把地应力从地应力坐标系依次转换到大地坐标系、井眼坐标系，如图2所示，则可得井眼直角坐标系中远场地应力分量：

图2 用于应力分析的四种坐标系转换

式中：σH、σh、σv——水平最大地应力、水平最小地应力、垂向地应力，MPa；

σij(i,j=x,y,z)——井眼直角坐标系中远场地应力分量，MPa；

ω——水平最大地应力方位角，（°）；

βb——井斜方位角，（°）；

αb——井斜角，（°）。

在上述远场地应力分量的作用下，对定向井/斜井的井壁进行弹性力学分析，求得在井眼柱坐标系中井壁围岩应力分布[11]：

式中：σij(i,j=r,θ,z)——井眼柱坐标系中井壁围岩应力分量，MPa；

R——井眼半径，m；

r——井壁围岩的半径，m；

θ——井眼周向角，（°）；

υ——岩石泊松比；

a——Biot系数；

φ——岩石孔隙度；

δ——井壁渗透或不渗透，1或0；

pi——井眼内钻井液压力，MPa；

pp——孔隙压力，MPa。

当r=R时，可得井壁应力分布：

2.2 弱面应力状态

裂缝、节理、层理等弱面降低了岩石强度，极易发生破坏，影响井壁稳定。为了便于分析弱面的力学状态，需要把井壁围岩应力从井眼柱坐标系转换到弱面直角坐标系。通过以下坐标转换：把井眼柱坐标系依次反向转换到井眼直角坐标系、大地坐标系；再依次正向转换到弱面直角坐标系，则得到弱面直角坐标系中弱面应力[7]：

式中：βw——弱面走向，（°）；αw——弱面倾角，（°）。

从而，可获得弱面上法向正应力、剪应力：

3 侵入体强度准则

3.1 岩石基质强度准则

根据Mohr-Coulomb准则，岩石破坏时破裂面上剪应力必须克服岩石内聚力和破裂面上摩擦阻力。

式中：τ——破裂面上剪应力，MPa；

σn——破裂面上正应力，MPa；

C0——岩石内聚力，MPa；

φ0——岩石内摩擦角，（°）。

用主应力表示：

式中：σ1、σ3——最大主应力、最小主应力，MPa；β0——破裂面与最大主应力夹角，（°）。

对于完整的岩石，破裂面与最大主应力夹角β0是一个定值：

联立上述两个式子，且考虑岩石内孔隙压力，则用有效应力表示为：

3.2 裂缝弱面强度准则

对于含弱面地层，由于受到弱面影响，其破坏形式不同。Jaeger提出了弱面地层强度理论，基质与弱面破坏满足不同的Mohr-Coulomb准则，如图3所示。

图3 弱面岩石的失效模式

弱面的强度准则用主应力表示：

式中：Cw——弱面内聚力，MPa；

φw——弱面内摩擦角，（°）；

βw——弱面与最大主应力夹角，（°）。

弱面失效的风险取决于弱面强度和角度。当弱面满足上述应力条件及一定角度范围β1≤β≤β2，岩石表观强度才受弱面控制[7]。

为了直观显示弱面对岩石强度的影响，绘制了岩石基质与弱面的强度，其中，岩石强度参数如表1所示，围岩为10MPa。可见，随着弱面与最大主应力夹角增加，裂缝性地层破坏形式依次为：基质破坏、弱面破坏、基质破坏。弱面破坏时强度远小于基质破坏时强度，弱面可显著降低岩石强度。

4 侵入体坍塌压力分析

顺北区块钻遇侵入体时经常发生坍塌掉块、阻卡、携带困难、钻头崩齿等复杂情况。前期研究认为，桑塔木组侵入体的坍塌压力1.055~1.409g/cm3，破裂压力1.956~2.150g/cm3。应用本文方法重新进行井壁稳定分析。根据SHB5-5H井等资料，桑塔木组侵入体地质与岩石力学参数如表1所示。由于侵入体位于直井段，则井斜角、井斜方位角都为0°。给定裂缝面的走向和倾角，代入裂缝性地层应力与强度公式，则可分析不同裂缝产状下井壁坍塌压力。利用MATLAB软件对井壁应力和强度准则进行编程，采用迭代法求解坍塌压力。

表1 桑塔木组侵入体地质与岩石力学参数

首先，分析侵入体基质的坍塌压力。计算可知，当井壁不渗透时，辉绿岩基质坍塌压力为1.37g/cm3；当考虑钻井液滤失时，辉绿岩基质井壁坍塌压力为1.40g/cm3。然后，对侵入体弱面破坏进行分析，获得侵入体弱面倾角对坍塌压力的影响规律，如图4所示。由图可知，当弱面走向为近水平最小地应力方位时，随着弱面倾角增加，弱面地层的坍塌压力逐渐增大；当弱面倾角为90°，弱面地层的坍塌压力达到最大，其当量密度为1.74g/cm3。

图4 侵入体弱面倾角对坍塌压力的影响规律

上述分析是基于裂缝弱面走向为近水平最小地应力方位的结果。但侵入体裂缝十分发育，如果考虑任意弱面走向及倾角，则进一步分析任意弱面走向及倾角下坍塌压力，如图5所示。由图可知，当弱面倾角较小时(小于10°~15°)，弱面不会先于基质破坏，即弱面不会恶化井壁稳定；而较大倾角的弱面会使井壁更容易失稳；不同弱面产状下坍塌压力亦不同，当弱面走向为近水平最小地应力方位时，随着弱面倾角增加，弱面地层的坍塌压力逐渐增大；当弱面走向为近水平最大地应力方位时，随着弱面倾角增加，弱面地层的坍塌压力先增大后减小[12]；当弱面走向为近水平最大地应力方位且弱面倾角为30°时，弱面地层的坍塌压力达到最大值1.87g/cm3。

图5 任意弱面走向及倾角下坍塌压力

综上，考虑裂缝弱面影响时侵入体坍塌压力当量密度为1.74~1.87g/cm3，远大于侵入体辉绿岩基质坍塌压力当量密度1.37~1.40g/cm3。所以钻井现场出现了钻井故障和专打专封的井身结构。分析结果可得到现场钻井实践的验证，当采用钻井液密度小于1.60g/cm3时，SHB1-9等井在侵入体发生阻卡；SHB1-6H井使用钻井液密度为1.85g/cm3，顺利钻穿厚度为39m桑塔木组侵入体，钻速0.91m/h，是顺北区块顺利钻穿侵入体的第一口井。现场应用情况表明了侵入体井壁稳定性分析的准确性。研究成果可为侵入体安全钻进工艺技术提供理论依据。

5 结论

（1）侵入体裂缝发育，容易引起井壁坍塌掉块、钻井阻卡。采用多孔介质弹性力学和Mohr-Coulomb强度准则，分析裂缝性地层基质与弱面的坍塌压力，选取两者最大值作为侵入体坍塌压力。

（2）当地层弱面倾角较小时，弱面不会影响井壁稳定；然而，较大倾角的弱面会使井壁更容易失稳。弱面产状对井壁稳定性有着显著的影响，当弱面走向为近水平最小地应力方位时，随着弱面倾角增加，弱面地层的坍塌压力逐渐增大；当弱面走向为近水平最大地应力方位且弱面倾角为30°左右时，弱面地层的坍塌压力最大。

（3）顺北区块桑塔木组侵入体裂缝的坍塌压力当量密度为1.74~1.87g/cm3，远大于侵入体基质的坍塌压力当量密度1.37~1.40g/cm3，所以钻井现场出现了钻井故障和专打专封。