钻井液对层理性页岩强度影响研究

李 洪,宋 涛,张 坤,邢 星,雷 彪,王 庆

(1.中国石油工程技术研究院有限公司,北京 102206;2. 中国石油大庆钻探工程公司,黑龙江大庆 163000;3. 中国石油青海油田分公司钻采工艺研究院,甘肃敦煌 736202)

全球页岩气资源潜力巨大,是未来油气产量增长的重要领域。据美国信息处理服务公司标准规范数据库IHS预测结果显示,全球页岩气总量达456×1012m3。据我国第四次全国油气资源评价统计,我国页岩气资源量为80.4×1012m3,远超美国,居世界第一[1]。十余年的勘探开发表明,层理性页岩储层是目前可经济开采页岩气资源的主要赋存体[2-3]。但层理性页岩储层具有成分复杂、层理和微裂缝发育等特点,其力学性质具有明显的非均质性[4-5]。在钻井作业时,钻具的震动、钻井液的侵入等工程因素的作用会加剧层理性页岩强度的劣化,使井下情况更为复杂,容易造成井壁坍塌失稳等事故的发生。页岩的井壁失稳一直是钻井工程中的技术难题,也是安全高效钻井的核心问题之一。井壁失稳会给钻井工程造成巨大的困难,主要表现为缩径、坍塌卡钻、井眼扩大、固井质量低等。研究并解决页岩的井壁失稳问题对于减少钻井周期、降低钻井成本、减少井下安全事故发生具有重要的意义[6-7]。

针对层理性页岩井壁稳定性的研究,明确层理性页岩劣化机理及劣化规律,是建立层理性页岩储层井壁坍塌模型、确定失稳条件及失稳周期等井壁稳定性研究工作的基础。为此,本文首先基于页岩的理化性质及孔缝特征总结分析了页岩强度的劣化机理,然后从实验和数值模拟两个方面综述了钻井液侵入造成页岩强度劣化的研究现状,探讨了层理性页岩强度劣化规律,并根据目前研究存在的不足提出了建议。

1 层理性页岩强度劣化机理

在钻井过程中,井壁失去支撑会使井周岩石产生应力集中,很容易导致井壁失稳。为了维持井壁稳定,通常利用钻井液的静液柱压力支撑井壁。层理性页岩矿物组成以及内部微观孔隙结构差异较大,在钻井过程中极易导致层理性页岩强度劣化,造成井壁坍塌失稳等。层理性页岩强度劣化机理主要有矿物水化反应和微观孔隙结构差异两种,钻井液在不同的岩石劣化机理中起着不同的作用。

1.1 矿物组成

层理性页岩矿物水化反应是强度劣化重要机理之一。国内外专家学者使用X射线衍射法对不同油田的页岩气储层以及容易发生井壁坍塌失稳的层理性页岩地层的矿物组成进行了测定。Robert、Bowker、Younane[8-10]等对北美Barnett、woodford页岩气储层的矿物组成进行了分析,陈尚斌、邱正松[11-12]等对四川龙马溪组、筇竹寺组、南堡油田、大港油田、涠洲油田、胜利油田等页岩气储层的矿物组成进行了分析研究。结果表明,页岩的矿物组成主要以石英、长石、黄铁矿等脆性矿物为主,总量占比为40%～80%;黏土矿物总量占比为20%～40%,较少页岩地层如胜利油田部分构造、大港油田沙河街组黏土矿物含量较高,占比达到了近50%。

国内外页岩气储层的黏土矿物组成具有相同特点:黏土矿物主要以伊利石为主,其总含量占比为50%～90%,其次为伊蒙混层,伊蒙混层含量一般不超过30%,另外还有部分地区有蒙脱石、高岭石、绿泥石等黏土矿物存在。刘锟[13]对伊利石和蒙脱石分别提纯进行了水化特征对比分析,结果表明随着时间的增加,伊利石和蒙脱石均发生不同程度的水化,相同时间内伊利石水化体积膨胀总量小于蒙脱石,但其膨胀速度却非常快,水化反应达到平衡所需的时间是蒙脱石的1/6,并且伊利石具有更强的束缚水能力;与体积膨胀速度不同的是伊利石和蒙脱石产生的水化应力十分接近。相对于蒙脱石,伊利石具有更强的水和能力和更高的表面水化能,与水接触后会迅速形成水化膜,引起体积膨胀,尽管其水化体积膨胀小于蒙脱石,但由于其极大的膨胀速度,使得伊利石在短时间内产生很大的膨胀压力,引起岩石强度下降。

石秉忠[14]等利用X-线衍射实验、扫描电镜实验以及CT扫描实验测试川西地区须家河组的岩样,分析了该页岩地层水化过程中微观结构变化的过程和规律。结果表明,该页岩地层黏土矿物成分中伊利石占比大于50%,水化膨胀性弱,性硬脆,细化分散性差,易剥落。通过扫描电镜以及岩样端部触水后CT扫描分析,发现页岩水化劣化流程(图1),岩样表面(晶格)水化,减弱黏土矿物内部颗粒之间的胶结性,造成岩石强度劣化;另外岩样毛细管效应促进内部矿物水化,不同的矿物组成导致黏土矿物间存在不同的水化膨胀分散性。不均匀的水化膨胀分散性使得岩石内部产生不均匀的应力,从而产生大量的微孔隙,这些微孔隙进一步扩展与原有微孔缝连通形成微裂隙且继续发生内部水化反应导致页岩内部微观结构破坏,进一步造成页岩的强度劣化。

图1 页岩水化劣化示意图

王光兵[15]通过X射线衍射对鄂尔多斯盆地石盒子组陆相页岩进行了全岩矿物组分分析以及黏土矿物组分分析,测定该地层中黏土矿物含量偏高,占比50%以上。黏土矿物中伊利石、伊蒙混层占50%左右,高岭石占40%左右,绿泥石约10%。另外,通过浸泡实验、浸泡前后直剪实验、三轴压缩实验、压入硬度实验以及超声波实验,对该地区页岩进行了水化特征分析。结果显示,浸泡后页岩的抗剪强度、抗压强度及硬度均有所降低,且通过超声波实验发现钻井液作用后综合考虑声波时差、衰减系数、时域信号和频域信号等超声波信息对研究页岩水化劣化有很强的指导意义。

由此可见,钻井液作用导致层理性页岩水化反应是影响井周岩石强度变化的重要机理。且不同的矿物组成造成的劣化情况也不相同,当页岩中伊利石占比较多时水化反应较为迅速,且产生水化应力更大,容易扰乱页岩内部应力结构造成页岩强度劣化;而蒙脱石占比较大时水化反应较为缓慢,但体积膨胀量更大,易从内部物理结构造成页岩强度劣化。目前对于页岩水化劣化性质分析多使用岩石力学理论,力学实验通常有实验过程繁琐、材料成本昂贵、试验岩样不可逆破坏等缺点。而利用超声波实验研究页岩水化具有操作简便、超声波信号变化更加明显等优点,可更加准确、便捷地研究页岩的水化特征,是研究页岩劣化的有效手段之一。

1.2 孔隙结构

页岩内部不同尺寸大小的孔隙结构是造成岩石非均质性力学特性的原因之一,也是导致页岩强度劣化的重要机理[16-17]。目前对于页岩孔隙结构的测定主要方法分为物理测试法和高分辨率图形观察法[18]。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)分类,页岩内部孔隙结构可根据直径大小分为3种类型:微孔(孔径小于2 nm)、中孔(孔径为2～50 nm)、大孔(孔径大于50 nm)[19]。层理面厚度主要为1～20 μm,比页岩内部孔隙尺寸大数个数量级,对页岩的强度有着更加重大的影响[20]。相关研究表明,层理厚度与其受到的端应力具有负幂数指数关系,即层理面厚度增大会控制天然裂缝的发育,形成更多的应力弱面,从而导致层理性页岩的强度大幅度降低[21]。

在此理论基础上,众多学者针对层理面的存在会导致页岩强度降低这一现象逐步建立起井壁稳定模型。Mclamore[22]、袁俊亮等[23]认为层理性页岩地层水平井段失稳主要是层理面的低强度和特殊地应力导致的,在建立模型对四川盆地页岩储层进行研究时发现,层理面倾角为30°～60°时有较高的坍塌压力,而层理面倾角近水平和近垂直时坍塌压力较低。蔚宝华等[24]通过真三轴模拟试验测定了不同倾角层理地层直井的承载能力,认为加载方向与弱面夹角为 30°～70°时,岩心容易沿层理面发生剪切滑移。另外,根据实验结果确定了定向井坍塌压力分布规律,成功解决了涠州12-1北油田井壁失稳的问题。

由此可见,页岩层理面的存在会严重影响井周岩石强度,不同层理面的产状、走向、数量影响强度劣化情况也不相同。一般层理面与受力方向在某个固定范围内强度劣化较为严重,因此必须要把层理面的存在考虑在内才能更好地对层理性页岩的强度进行研究,以此达到更准确的评价井壁稳定性的目的[25]。除了层理面的存在本身会降低层理性页岩的强度之外,层理面的存在还会减少钻井液侵入阻力,加剧页岩内部矿物成分的水化,水化体积膨胀会导致页岩内部结构产生破坏,水化产生膨胀应力使岩石内部应力系统发生紊乱,进一步导致岩石层理性页岩强度劣化。因此,在对层理性页岩劣化机理进行研究时,应分别从物理、化学两个方面进行分析,进而为最后建立层理面破坏模型奠定基础。

2 层理性页岩强度劣化研究方法及劣化规律

现场作业时,由于工程因素会造成岩层应力系统的改变,井壁岩石在受力到达一定强度时会发生拉伸或剪切破坏,从而造成井壁失稳事故的发生。因此在工程作业之前首先要使用岩石强度准则计算岩石强度的力学数据,层理面的存在会导致岩石强度的各向异性,需要将弱面强度准则与基质强度准则结合使用,进而为工程井壁稳定提供基础数据。

2.1 岩石强度准则

2.1.1 摩尔库伦强度准则

岩石发生破坏的形式主要分为自身发生基质破坏和沿岩石层理面发生先于基质的弱面破坏这两种。因此,需要考虑岩石基质破坏强度准则和弱面破坏强度准则,来判断一种岩石是否发生劣化的依据。其中最常用的基质破坏的强度准则为摩尔-库伦强度准则(M-C准则)[26]。M-C准则认为岩石强度为岩石材料抵抗摩擦的能力,其数值等于岩石材料自身的内聚力与剪切面上由法向应力产生的摩擦力之和,即:

τ=σtanφ+C

(1)

式中:τ为剪切面上的剪应力(剪切强度),MPa;σ为剪切面上的正应力,MPa;C为内聚力,MPa;φ为内摩擦角,°。

M-C准则还可以采用应力分量表示为[27]:

(2)

式中:σ1为破坏时的最大主应力,MPa;σ3为最小主应力,MPa。

2.1.2 弱面强度准则

在页岩中,由于层理面的广泛发育,岩石可能会先于基质发生沿层理面的弱面破坏。因此,必须把弱面强度准则考虑在内才能更好地对层理性页岩的强度进行研究。Jaeger[28]提出了经典的岩石弱面强度准则,认为岩石中的弱面和岩石本体具有不同的内聚力、内摩擦系数等强度参数,在特定加载方向下岩石会沿着弱面发生剪切滑动破坏。当岩石中发育1组弱面AB,假定AB 面(法线)与最大主应力方向夹角为β。因此,根据莫尔应力圆理论和库伦准则,可以得到弱面破坏准则为:

(3)

式中:β为弱面法线方向与最大水平主应力之间的夹角,°;Cw为弱面的内聚力,MPa;φw为弱面的内摩擦角,°。

还有一些学者认为层理性页岩的弱面不只一个,在建立井壁稳定性模型时不仅仅要考虑弱面破坏准则,还要将弱面数量考虑在内,当弱面增加时岩石强度的变化也有所不同。丁乙等[29]采用叠加原理考虑了多弱面条件下的强度破坏准则,对不同弱面产状、弱面数量、钻井时间下的岩石强度进行了分析。计算结果及实例分析表明,弱面数量增多则岩石强度下降,且坍塌压力出现明显增加,因此多弱面地层坍塌压力模型能更准确地预测层理性页岩地层的坍塌压力。

在层理性页岩地层井壁稳定研究过程中,考虑弱面破坏已经不容忽视。由于页岩储层岩石的非均质性,弱面破坏规律也存在差异。因此,针对不同储层进行弱面破坏研究时,必须首先测定该储层的岩石力学参数,然后基于力学参数的变化规律,分析破坏类型,建立弱面破坏模型,进行井壁稳定性分析。考虑多弱面的情况,目前的研究还仅仅局限在单弱面的简单叠加或者有限元模拟,模型的精确度还有待于进一步提高。因此,针对某一特定页岩储层,建立有效性强、精确度高、针对性强的考虑弱面破坏及弱面数量的页岩劣化模型是研究层理性页岩储层井壁稳定的重要研究内容之一。

2.2 层理性页岩强度劣化物理实验研究

页岩层理面的存在会加速钻井液的侵入,从而引起层理面上矿物发生表面水化及膨胀压增大,进而使井周岩石强度发生显著变化。因此,页岩强度劣化研究过程中,除了考虑弱面自身引起的物理劣化,还必须考虑钻井液侵入引起的化学劣化。通常采用不同的实验方法模拟钻井液侵入页岩的过程,然后获取侵入前后页岩强度的力学数据,进而为建立钻井液侵入模型提供基础数据,分析钻井液侵入对层理性页岩强度的影响。常见的模拟钻井液侵入页岩的实验方法有浸泡法和滤失驱替法。

2.2.1 浸泡法

1)静态浸泡法。静态浸泡法即在一定的温度下,将页岩样品置于特定钻井液中进行静态浸泡一定时间,然后进行单三轴抗压强度测试,测定岩石强度[30]。该方法操作简便,不局限于实验室条件。

2)动态浸泡法。实际井下作业过程中,钻井液处于循环流动工作状态,井液与岩石部分接触,井周岩石在受到地层压力的同时,钻井液液柱与岩石孔隙之间存在压差。而采用普通浸泡方式进行实验,钻井液无法模拟在井筒内部循环流动的过程,钻井液与岩石完全接触,与实际工作情况相差甚远。向朝纲等人[31]将岩样置于装有蒸馏水、油基钻井液及水基钻井液3类流体滚子炉进行浸泡,分别开展高温高压浸泡后页岩力学实验。

2.2.2 滤失驱替法

滤失驱替法是利用特定钻井液对页岩样品在一定的温度、压力下进行滤失或者驱替实验,然后通过测定滤失量或利用核磁共振扫描技术观测分析钻井液在不同压差作用下侵入页岩层理的深度,结合孔缝参数计算钻井液侵入量和侵入速度,建立钻井液侵入模型,进而研究钻井液侵入规律[32]。

2.3 层理性页岩强度劣化数值模拟研究

数值模拟是以实验研究为基础进行的模拟研究,能够大幅降低室内实验所需时间和成本。如何使模拟结果与实验结果趋近一致,是高效数值模拟的关键。

2.3.1 基于渗流扩散的数值模拟

在模拟钻井液侵入过程时,通常基于油水两相渗流方程,结合质量守恒方程、对流扩散原理等建立数学模型并采用有限差分法、有限元法或有限体积法进行数值模拟[33-34]。

2.3.2 基于泥饼渗透的数值模拟

钻井液中悬浮固相和滤液侵入储层是造成储层损害的重要原因,钻井液中的固相颗粒渗入储层微观裂隙形成内泥饼,在井壁表面堆积形成外泥饼,其中内泥饼更为致密,对钻井液侵入储层有较为明显的影响(图2)。因此,在进行模拟时,应将泥饼的渗透率考虑在内[35]。

泥饼的形成为动态过程,其厚度、渗透率等参数是随着钻井液的侵入而不断变化的,采用动态模型进行数值模拟更为合理[36]。

钻井液侵入过程复杂,滤失过程中除形成泥饼外,钻井液中微小的悬浮固相侵入储层,使储层的孔隙度和渗透率降低,影响钻井液进一步侵入[37]。

目前,国内学者对于钻井液侵入地层数值模拟研究多为沿岩石孔隙渗入,部分学者将钻井液滤失过程中形成的泥饼考虑在内,建立了钻井液侵入模型。对于层理性页岩储层,其内部大量发育的层理缝势必促进钻井液的侵入,导致岩石力学性质下降甚至发生井壁失稳坍塌。因此,研究钻井液侵入层理性页岩储层时,必须将层理缝考虑在内,建立钻井液沿层理侵入储层模型,并应用模拟软件对钻井液沿层理侵入储层模型进行研究。

2.4 层理性页岩强度劣化规律

在探究层理性页岩强度劣化规律时,将室内实验与数值模拟所得结果进行处理与分析,可得出在不同因素作用下钻井液侵入对层理性页岩强度的影响。

钻井液侵入过程并非跳跃式阶梯变化,而是一个连续的逐渐发生变化的过程。因此在研究钻井液侵入的过程中,只有充分考虑时间对其影响,才能更为准确地研究钻井液侵入过程中岩石强度的变化[38]。

我国的页岩储层位置较深,储层温度高[39]。在钻井过程中,因井壁岩石长期与钻井液进行接触,且随井深增加井壁岩石温度逐渐升高,导致井壁岩石表面形貌及岩石强度发生一定的变化,因此,探究温度对钻井液侵入页岩储层时的影响有重大意义。为研究工作液浸泡对顺北油气田储层岩石力学参数的影响,对顺北S-11井7 652～7 656 m层段超深层高温高压环境下的岩样进行了完井液、钻井液和酸液浸泡前后岩石强度参数的测试。结果表明在高温高压环境下,岩样在3种工作液浸泡后抗压强度、杨氏模量和抗剪强度均出现明显下降[40]。

钻井液主要分为两大类,即水基钻井液和油基钻井液。在钻井液侵入页岩的过程中,由于钻井液类型不同,层理性页岩强度劣化程度大相径庭。王显光等人[41]评价了龙马溪组页岩在蒸馏水、氯化钾聚合物钻井液、高性能水基钻井液和油基钻井液中的岩石强度,并得出采用油基钻井液浸泡时,岩石抗压强度和内聚力降低程度最小的结论。

研究钻井液侵入地层过程时的侵入深度,可进一步确定地层水矿化度、地层电阻率和含水饱和度的径向分布,为地层识别和评价提供依据,有助于控制滤失,减小损害程度。国内学者暂未将钻井液侵入深度与岩石强度相结合进行研究。侵入深度是钻井液侵入过程中的重要数据,若将二者相结合进行研究,更有利于解决在钻井过程中由于钻井液侵入所导致的井壁失稳问题。

3 结语及展望

在页岩储层钻井过程中,层理性页岩储层容易发生岩石强度劣化进而导致井壁坍塌失稳。因此,层理性页岩储层井壁稳定性研究更为重要。

1)层理性页岩的黏土矿物组成是决定其水化劣化机理的关键因素。层理性页岩层理面的孔隙结构比页岩内部孔隙结构大了数个数量级,页岩中存在层理面时其力学性质会显著降低,这也是造成层理性页岩强度劣化的重要机理。

2)页岩中存在层理面时,在特定加载方向下岩石会沿着层理面发生剪切滑动破坏。因此对于层理性页岩储层,除了选择合适的本体破坏准则外,还要将其与弱面破坏准则相结合,才能更好的进行井壁稳定性的研究。

3)钻井液的侵入是影响井周岩石强度变化的重要因素,对于层理性页岩,滤失驱替方法是更适宜的研究钻井液侵入引起的强度劣化的实验手段。

4)钻井液沿层理面侵入岩石会对岩石强度产生显著的影响,在今后对钻井工程中岩石强度的研究中,要建立关于时间、侵入深度等变量的岩石强度变化数学模型进行研究,使之与实际情况相匹配,后期可调整参数进行模拟,为实际钻井过程提供参考依据。