弱面对井壁稳定性影响研究进展

廖开瑞，杨明合

（长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

弱面是指在成岩过程中和后期构造作用下，岩体中形成有一定方向、延展性的含大量各种物质和极低或没有抗拉强度的不连续面。含弱面岩石强度、弹性参数表现出各向异性[1]，在钻井过程中，钻遇含弱面岩石时，由于弱面强度较低岩石更容易沿弱面发生剪切破坏，井壁坍塌问题尤为突出，传统井壁稳定模型对坍塌压力的预测不能解决含弱面井壁失稳问题，井壁失稳轻则造成井壁坍塌、卡钻、埋钻事故，延长钻井周期，影响后期的固井、完井作业，重则井眼报废造成巨大经济损失，因此含弱面地层的井壁稳定性问题是制约油气资源高效开采的主要原因之一。特别是近些年来，随着对弱面井壁稳定性研究的深入，发现弱面数量、渗流、温度、钻井液化学作用也会对弱面井壁稳定性产生影响。

实践表明，弱面地层井壁失稳是一个力学问题，弱面导致的岩石强度、弹性参数各向异性是问题的关键，渗流、温度、钻井液化学作用体现在对井周应力和弱面强度的影响。针对这一问题，国内外许多学者经过大量研究，重点研究弱面导致强度、弹性参数各向异性以及描述多物理场引起的力学效应和对弱面强度的影响，弱面井壁失稳问题仍不能得到有效解决。本文根据弱面数量，从单弱面和多弱面井壁稳定模型对坍塌压力预测方面对国内外研究进展进行阐述，为进一步研究弱面井壁稳定性提供参考。

1 单弱面井壁稳定性研究进展

国内外许多科技工作者已经在弱面对井壁稳定性影响方面进行了大量研究。最早在20 世纪80 年代末期[1]，在层理性页岩钻探中美国学者进行了探索性研究。目前该问题研究从力学角度进行研究较多且相对成熟，研究成果已得到广泛应用。但随着钻井技术的发展和井壁失稳理论研究不断进步，由单纯的力学分析逐渐发展到考虑地层流体、钻井液、地层温度等因素影响，已经发展到以力学为基础多物理场耦合的研究，图1 给出了单弱面井壁稳定性研究进展概括。

图1 单弱面井壁稳定性研究进展

1.1 力学单一因素

常规井壁稳定模型适用于岩石强度各向同性求解，但弱面的存在导致岩石强度、弹性参数（弹性模量、泊松比）表现出各向异性，无法求解含弱面井壁稳定性的问题。1988 年由AADNOY 提出含弱面井壁稳定性求解方法，该方法主要依据弹性力学求解井壁主应力和单弱面准则[1]，通过判断岩石和弱面发生破坏时对应最小钻井液压力，取两者的最大值作为最终坍塌压力[2]。

之后国内外学者在AADNOY 模型基础上进行拓展，其中国内学者刘海龙等[3]给出的模型最具代表性。考虑弹性各向异性，根据横观向同性材料的本构方程及边界条件得出。研究表明，当弹性各向异性逐渐增强时，对弱面法向应力与切向应力影响增大，从而岩石更容易沿弱面破坏导致坍塌压力增大。在渤海油田层理页岩易垮塌地层应用该模型有效解决坍塌埋卡问题。但力学弱面井壁稳定模型未考虑井周应力的变化，尤其是对于渗透弱面井壁仍旧存在失稳问题，因此还需要考虑渗流作用影响。

1.2 力学-渗流耦合作用

实践表明在钻井初期，对于部分井单纯从力学角度能较好解决弱面井壁稳定性问题。但井壁岩石力学性质随时间增长，钻井液渗流作用导致井周应力变化，含弱面井壁失稳问题无法有效解决。

针对上述问题，CHEN等[4]首次依据多孔弹性力学给出在未考虑弱面影响的条件下渗流引起井周应力求解方法。之后国内学者梁利喜等[5]将该方法应用于含弱面井壁稳定性分析，建立力学-渗流耦合弱面井壁稳定模型。研究表明考虑渗流作用后坍塌压力增加7%；若再考虑弱面后坍塌压力增幅最大可达23.6%；同时发现坍塌压力随钻井时间增长而增大，最后趋于定值；并将该模型应用于泥页岩地层水平井坍塌压力预测与现场实际误差约为1.2%，能较好解决井壁坍塌失稳问题。

但对于深井和超深井等高温条件下，当钻井液渗入层理性地层，弱面对井壁稳定性的影响不仅在于渗流作用，同时弱面与钻井液产生化学作用对井壁稳定性产生影响亦不可忽略；另一方面温度也会对井壁稳定性产生影响。

1.3 力学-渗流-温度耦合作用

尽管岩石热流固化全耦合研究较早[6]，但并未考虑弱面的影响。马天寿等[7]首次将热流固化全耦合与单弱面强度准则相结合建立热流固化全耦合弱面井壁稳定模型，分析了温度和渗流作用、弱面导致的弹性、强度各向异性对坍塌压力的影响。研究表明，渗流作用和传热效应导致井周应力随时间改变，从而井壁稳定性也随时间变化；在考虑到弱面的影响后坍塌压力最大增幅可达44.8%。并使用四川长宁W201-H1 井水平井易坍塌井段数据进行计算，将钻井液压力提高43%后井壁坍塌问题有所减轻，表明该模型能解决高温、渗流条件下层理性地层井壁失稳问题。但由于该井使用的是油基钻井液未考虑钻井液的化学作用。在使用水基钻井液时，该模型适用性受限，需要考虑化学作用对井壁稳定性的影响。

1.4 力学-渗流-化学耦合作用

由于化学作用对井壁稳定性的影响不可忽略，尤其是在含弱面层理性地层，钻井后期更易产生井壁失稳问题。针对该问题，CHEN等[8]、黄荣樽等[9]采取实验研究在钻井液中浸泡不同时间岩石力学性质变化情况，发现在随浸泡时间增长层理面强度先于岩石本体降低，导致岩石更容易沿弱面破坏，从而导致井壁失稳。曹文科等[10]依据实验结果描述弱面强度随含水量变化情况，建立力学-渗流-化学（流固化）耦合弱面井壁稳定模型，研究渗流、化学作用下坍塌压力随时间变化规律，用以解决层理性地层钻井后期井壁失稳问题，研究表明坍塌压力随时间增加而增大且增幅逐渐变小，最大增幅达20.4%，但在计算渗流作用对井周应力影响时，忽略了钻井液与地层流体之间的溶质浓度差。MA等[11]进一步考虑两者溶质浓度差，提高了对井周围岩应力的求解精度，从而提高了坍塌压力的预测精度。MA 等运用四川盆地X201-H1 井数据进行计算，结果和实际情况吻合并提出钻井液的使用在确保井壁力学稳定性的同时，通过提高钻井液封堵性与抑制性，严格控制钻井液进入弱面地层的方式，以减少钻井液的侵入量，能够预防井壁坍塌。该模型能分析层理性页岩井壁化学失稳机理和钻井时间对坍塌压力的影响规律，但是未考虑温度的影响，在应用于温度较高深部层理性地层时会出现误差。

1.5 力学-温度-渗流-化学耦合作用

为解决深部层理性地层受温度、渗流、化学综合影响下的井壁失稳问题，国内外学者在此方面展开研究。EKBOTE等[12]给出了热流固化全耦合控制方程，为热流固化全耦合弱面井壁稳定性分析奠定了基础。

在此基础上，CHENG等[13]在考虑页岩层理面强度随着钻井液浸泡时间变化基础上，使用式（1）可求fw=1时弱面破坏对应临界钻井液压力，构建热流固化全耦合弱面井壁稳定模型，用于预测深部层理性地层坍塌压力，研究表明考虑弱面后坍塌压力增加24.8%。并应用于泌阳凹陷陆相页岩井动态坍塌压力预测[14]，在设计钻井周期内未发生井壁坍塌问题，能解决深部层理性地层井壁失稳问题。

式中：fw-页岩层理破坏指数；t-钻井液浸泡时间；Cw（t）-页岩层理在钻井液浸泡t 时刻的黏聚力；φw（t）-页岩层理在钻井液浸泡t 时刻的内摩擦角作用在层理上的法向应力和切向应力。

实践表明，热流固化全耦合弱面井壁稳定模型预测坍塌压力精度较高，是目前单弱面井壁稳定性影响因素考虑最全面的模型，但由于考虑到各物理场之间相互耦合，该模型的计算较为复杂，求解难度大，因此，理论研究较多，在现场应用较少，而且该模型的研究大部分是基于材料弹性各向同性，在弹性各向异性较强地层还需要进一步研究。

2 多弱面井壁稳定性研究进展

裂缝性地层井裂缝系统发育，导致岩石内部产生了大量的弱面，尤其是硬脆性页岩地层，除了层理弱面之外还包括构造缝、成岩收缩微裂缝和有机质演化异常压力缝等，易形成多组弱面相交的情况，导致井壁失稳问题严重，单弱面井壁稳定模型明显不适用于该地层[15]。因此，多弱面下井壁稳定性的研究显得尤为重要。根据目前的研究可将其分为力学和化学作用下井壁稳定模型。

2.1 力学单一因素

对于多弱面发育地层，仅将缝隙视为单弱面不能较好解决井壁坍塌问题。国内学者刘志远等[16]2014 年首次建立多弱面井壁垮塌量模型，通过垮塌量反映井壁稳定性情况。但坍塌量只能对井壁的稳定性进行评估，无法用于坍塌压力的求解。陈平等[15]、丁乙等[17]在单弱面研究基础上，认为多弱面岩石强度取决于强度最低的弱面，通过对不同产状弱面的强度逐一校核，提出另外一种多弱面井壁稳定模型，解决了垮塌量模型无法求解坍塌压力的问题。经计算分析，双弱面井壁坍塌压力计算结果比单弱面高18.7%，说明随岩石中弱面数量的增加，井壁岩石更加容易沿弱面剪切破坏，导致坍塌压力增大。并运用该模型对川南某页岩地层坍塌压力进行预测，解决了该地层井壁失稳问题。

多弱面井壁稳定模型是单弱面井壁稳定模型的拓展延伸，与单弱面相比，多弱面导致井壁岩石更容易沿弱面发生剪切破坏，井壁坍塌失稳风险增大，导致坍塌压力增加。随钻井时间增长，受钻井液化学作用，井壁还会进一步发生失稳。

2.2 力学-渗流-化学耦合作用

由于钻井液沿层理面、缝隙侵入地层，导致井周应力改变和弱面强度降低，从而导致最初坍塌压力无法维持井壁稳定。因此在钻井初期，多弱面力学模型能较好解决井壁稳定性问题，但随钻井时间增长，井壁会逐渐发生坍塌掉块的现象。

针对此现象，LIANG等[18]于2014 年首次考虑多弱面强度随钻井液浸泡而降低，提出热流固化全耦合多弱面井壁稳定模型，研究钻井液化学作用对多弱面井壁坍塌压力的影响规律，但计算钻井液渗流产生的附加应力时忽略了地层孔隙压力的变化。

MA等[19]、ZHAO等[20]在此基础上进一步展开研究，其中MA 等的研究较为全面，使用式（2）描述渗流作用和钻井液与地层流体溶质差导致的孔隙压力变化，求取瞬态井周应力。该模型重点研究了弱面数量、不同类型钻井液浸泡时间对岩石强度、坍塌压力的影响。

该模型在四川盆地南部页岩地层的水平钻井，较好解决了井壁坍塌问题。计算表明，随含水量和弱面数量的增加，岩石强度由各向异性向各向同性转变，而且强度大幅降低。相同情况下，双弱面与单弱面坍塌压力差值最大可达36.8%；在不同钻井液中浸泡相同时间时，坍塌压力在水基钻井液中增幅最大可达16.3%，在油基钻井液中最大降幅为5%。

式中：p-孔隙压力，MPa；Cf-地层水压缩系数；k1-水力扩散系数；k2-膜效率，%；Cs-溶质浓度，mol/L；Deff-离子扩散系数；n-溶质离子物质的量，mol；R-普适气体常数；T-温度，℃。

3 发展与展望

目前，含弱面井壁稳定性研究已经从单弱面发展到多弱面研究，但仍缺乏进一步实验验证弱面数量对岩石强度影响和多于三组弱面对坍塌压力影响，且该耦合为单向耦合，也未考虑温度影响。若解决弱面井壁失稳问题，建议开展以下几方面研究：

（1）在热流固化全耦合单弱面模型基础上，进一步考虑弹性参数各向异性对井壁稳定性的影响；同时寻求该模型中井周应力高效求解方法，有利于该模型的推广应用。

（2）采取相应的实验方法验证弱面数量和钻井液浸泡时间对岩石强度的影响，同时在弱面数量对坍塌压力影响方面还需进一步研究。

（3）考虑温度的影响建立热流固化全耦合多弱面井壁稳定模型，并结合实际情况，修改和完善井壁稳定模型。

4 结论

（1）弱面存在使岩石强度、弹性参数表现出各向异性是含弱面井壁失稳的主要原因。依据线弹性力学发展起来的力学单弱面井壁稳定模型能够解决弱面地层钻井初期井壁失稳问题，并得到广泛应用。

（2）渗流、温度、钻井液化学作用是单弱面井壁延迟失稳的主要原因。在孔隙弹性力学基础上，根据不同影响因素可分为流固化耦合、热流固化耦合、流固化耦合、热流固化全耦合单弱面井壁稳定模型，能解决单弱面井壁延迟失稳问题，其中热流固化全耦合单弱面井壁稳定模型预测精度最高，但求解难度较大，大范围应用方面受到限制。

（3）多弱面井壁稳定性研究可视为单弱面井壁稳定性研究的拓展延伸，力学多弱面井壁稳定模型能解决钻井初期井壁失稳问题，目前多弱面井壁稳定性研究仅考虑力学、渗流和钻井液化学作用的影响，能解决多弱面井壁延迟失稳问题，但对井壁稳定性影响因素考虑不全面，在多物理场耦合方面研究还有较大进步空间。

（4）弱面井壁稳定性的研究，建议以后研究方向为：寻求单弱面热流固化全耦合模型高效解法和在此基础上进一步考虑弹性各向异性对井壁稳定性的影响、采取实验验证弱面数量对岩石强度的影响、进一步考虑温度影响建立热流固化全耦合多弱面井壁稳定模型，并结合实际情况，修改和完善井壁稳定模型，以减少钻井周期，提高油气资源开采效率。