泥岩水化井壁的稳定性分析

郑 勋

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300451)

0 引言

石油钻井中,泥岩地层占所钻遇地层的75%以上,且超过70%的复杂情况发生在泥岩地层中[1]。泥岩主要由非黏土矿物(如石英、方解石、白云石等)及黏土矿物(如蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石等)构成,黏土矿物与钻井液接触容易发生各种物理化学反应,从而造成泥岩地层的失稳。Lal[1]概括了造成泥岩地层失稳的主要机制,包括毛管压力、渗透压、水的扩散、水化膨胀及压力扩散。对于裂缝性泥岩,Lal指出,钻井液沿裂缝的侵入是造成该类地层失稳的主要原因。Van Oort[2]进一步分析了泥岩地层失稳的各种机制,认为造成泥岩地层失稳主要有3个机制,即压力扩散、水化膨胀及泥岩与钻井液接触后力学性能的改变,其将渗透压合并为压力扩散机制。Van Oort并不认为水的扩散是造成泥岩地层失稳的因素,因为泥岩的渗透率极低,水的扩散速度要比压力扩散与离子的扩散速度低得多。但Wilson[3]指出,泥岩由于内部发育了很多微裂缝,水沿着微裂缝的运移是不容忽视的。目前对于泥岩地层的失稳机理人们还没有彻底认识清楚,如Van Oort认为泥岩的膨胀主要是由于离子交换造成的,而Lal基于Bailey[4]实验认为,泥岩的膨胀与钻井液中水的侵入息息相关。

Yew[5]最早提出了用于分析泥岩地层失稳的数学模型,将水的扩散类比于温度的扩散,引入了含水量扩散方程,并用膨胀应变来模拟泥岩的膨胀效应。Mody[6]认为泥岩是半透膜,基于钻井液与泥岩中水的活度差异提出了渗透压的概念。比较完善的数学模型是由Heidug[7]提出的,其基于热力学基础推导了水化膨胀泥岩的本构方程。目前,能够用来分析泥岩水化的井壁稳定模型并不多[8]。

本研究基于Yew[5]提出的理论,应用有限元方法,对泥岩水化过程的井壁稳定性进行模拟分析,进一步揭示了水化对泥岩地层的应力及破坏规律。

1 泥岩力学参数随含水量变化的方程

为了应用上述模型,对泥岩地层遇水后的井眼应力及破坏规律做出了分析。表1统计了目前已发表的关于膨胀应变、弹性模量、单轴强度等随着含水量变化的模型,基于相关数据对部分方程做出了修正,主要目的是为了扩大使用范围。众多学者拟合得到的线性方程只能在一定范围内使用,如Yew的弹性模量方程(表1中原始方程5),当含水变化量超过4%后,弹性模量变为负值,这显然是不合适的,故对各个方程进一步拟合,得到修正后的指数式方程。

表1 泥岩力学参数随含水量变化方程Tab.1 Equation of mechanical parameters of mudstone varying with water content

2 井眼应力及破坏分析

从泥岩力学参数随含水量变化方程可知,强度、弹性模量等参数随着含水变化量的规律是不一样的,为了分析泥岩遇水后井眼应力及破坏的发展规律,分为两种工况计算。

1)高强度、高弹性模量的泥岩,其随含水量增加,各个参数会急剧下降,对于这种泥岩,其膨胀性能可能较差,故选取表1中的方程(2)(6)(13)(15)作为分析条件。

2)对于低强度的泥岩,其强度等性质随含水量增加,下降较为缓慢,但是考虑到低强度泥岩往往更容易膨胀,故选取表1中的方程(3)(7)(14)(15)作为分析条件。

2.1 应力分析

基于工况一的参数,计算井眼应力随时间的变化,见图1a,可以看出,由于岩石软化的原因,最大主应力值不是在井壁上,而是在离井壁一定距离处,随着时间的推移,最大主应力逐渐减小,并向井眼内部移动,最小主应力随着时间的推移同样在减小。

图1 井眼最大、最小主应力随时间的变化Fig.1 Change of maximum and minimum borehole principal stress with time

基于工况二的参数,计算井眼应力随时间的变化,见图1b,可以看出,尽管岩石存在一定的软化情况,但是由于膨胀作用,最大主应力在井壁上,且随着时间的推移,井壁上的最大主应力进一步增大,最小主应力随着时间的推移同样在增大。

2.2 破坏分析

基于工况一的数据,计算得到井眼周围破坏指数(小于0代表破坏),如图2所示,在初始时刻,当使用1.3g/cc的钻井液密度时,井眼呈临界破坏状态,随着时间的推移,井眼并没有出现进一步的破坏,尽管岩石的强度参数随着井眼四周含水量的增加出现下降趋势,但由于岩石的软化效应,同样造成了井眼四周应力的下降(图1),强度的下降不足以造成井眼的破坏。

图2 不同时间井眼周围破坏指数(小于0代表破坏,工况一)Fig.2 Damage index around borehole at different time

基于该分析,对于高强度、高弹性模量、几乎不膨胀的岩石而言,强度的下降不是造成该类地层失稳的决定性因素,必然还有其他的机制,压力的传递作用可能对该类地层的失稳起关键作用。

基于工况二的数据,计算得到井眼四周破坏指数,如图3所示,随着时间的推移,井眼四周破坏范围逐渐增大,由于岩石的膨胀,在井壁上膨胀应力从10 MPa逐渐增大至20 MPa(图1),由于膨胀应力非常大,要想使该类地层不发生破坏,几乎是不可能的,因为即使提高了钻井液密度,也不能阻止岩石的膨胀,故对于膨胀性强的地层,降低钻井液中水的扩散速度及岩石遇水后的膨胀性能是主要的针对措施。

基于模型分析很难得到一个明确的垮塌周期的概念,井眼的破坏是呈现渐进式的,如图4所示,随着时间的推移,井眼破坏半径比是连续增加的,并没有出现在某个周期内,井眼是安全的,过了这个周期,井眼突然出现了垮塌的现象,这可能是由于在初期,微小的垮塌并不能被观察到,也不会造成井下复杂情况,而在后期,垮塌量逐渐增加,从而造成复杂情况越来越明显,要设置一个合适的阈值,多少的垮塌是允许的是非常困难的,这与井眼尺寸、井型等因素有关,目前还没有相关研究,想要得到一个明确的垮塌周期非常困难。

图4 井眼破坏半径比和井眼破坏面积比Fig.4 Hole failure radius and hole failure area ratio

3 结论及建议

总结了造成泥岩地层失稳的主要因素,基于岩心测试文献成果对部分成果做出了修正,应用有限元方法对泥岩地层的井壁稳定性做出分析,主要结论如下:Yew[5]提出的理论考虑了水的扩散及其对泥岩的膨胀软化及力学性质造成的影响,但并没有考虑压力扩散、离子扩散及渗透压等因素,故该理论还需做出一定的改进。受限于岩心测试条件,如岩心本身的性质、测试流体的性质及其富含离子的类型等因素,目前关于膨胀应变、弹性模量、强度随含水量变化的公式难以推广应用。如何摆脱基于岩心的测试结果,建立一种基于岩屑或掉块的测试、结合随钻测井数据的泥岩失稳评价新方法,势在必行。对于高强度、高弹性模量及几乎不膨胀的泥岩地层,强度的下降不是造成该类地层失稳的决定性因素,压力的传递作用可能对该类地层的失稳起关键作用。对于膨胀性能大的泥岩地层,单纯的提高钻井液密度不能阻止其失稳,因为提高钻井液密度不能降低泥岩的膨胀压力,需要从钻井液的性能着手解决。