南堡沙河街组硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法

吴晓红, 李云峰, 余小龙, 陈金霞, 周岩, 梁利喜, 丁乙*

(1.中国石油冀东油田钻采工艺研究院, 唐山 063004; 2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 成都 610500)

漏失现象是石油钻井的热点与难点,也是常见的井壁失稳现象之一。井漏现象不仅增加了钻井作业周期,损失钻井液,进而造成储层损伤,提高钻井成本[1]。由此可见,井漏问题是制约安全高效钻井的重大技术瓶颈之一。硬脆性泥页岩地层属于典型的钻下复杂高发地层,由于其层理、裂缝结构面发育,水化能力强,目前中国多个硬脆性泥页层位钻井过程中,均出现显著漏失现象[2],大幅度增加钻井成本。

目前,认为钻井漏失主要分为压裂型漏失、裂缝性扩展漏失及溶洞型漏失。其中,弱结构(裂缝、孔隙、溶洞)是漏失最易产生的位置[3]。针对缝、孔、洞的漏失现象,Ahammad等[4]、李大齐等[5]、康毅力等[6]开展了钻井液漏失动力学机制研究,明确了不同弱结构特征下的漏失机理。Majidi等[7]基于赫巴流变模型,建立天然裂缝漏失压力,认为调控钻井液密度是减少漏失量主要应对措施。翟晓鹏等[8]、王贵等[9]基于断裂力学理论,考虑诱导缝延伸特征,分析了诱导裂缝性井漏控制机理与技术。陈晓华等[10]基于有限元手段,开展了漏失过程动态模拟,分析了不同类型封堵剂下的漏失特征。蔺研锋等[11]借助神经网络算法建立漏失点预测模型。

虽然针对地层漏失,已经开展了大量研究,但现有研究成果多集中在缝洞型碳酸盐岩地层,对页岩地层的漏失研究较为缺乏。此外,硬脆性页岩具有层理面与裂缝面共同发育特征,除裂缝面漏失以外,层理面开启同样会造成漏失现象。基于此,现以室内力学为基础,考虑页岩结构特征,融合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,建立页岩地层漏失压力模型,分析页岩地层漏失压力影响因素,以期为页岩地层钻井设计提供理论指导。

1 硬脆性页岩力学特征

页岩地层漏失机制主要为张性破坏或内部裂纹扩展[12]。因此,漏失相关的力学特征主要为岩石抗张强度与断裂韧性。基于此,采用巴西劈裂法与中心切槽半圆盘法分别测试页岩的抗张强度与断裂韧性。其中,考虑页岩层理发育特征,力学表现具有各向异性。分别通过平行和垂直层理角度下的巴西劈裂法,获取层理与基体抗张强度,如图1(a)所示。以不同层理角度下的中心切槽半圆盘法,获得不同层理角度下的断裂韧性特征,如图1(b)所示。实验测试结果如图2所示,可以发现:基体抗张强度分布在5.5～7.2 MPa,层理抗张强度分布在2.5～4.2 MPa,层理面展现强弱面特征。此外,随层理角度增大,断裂韧性降低,由此说明,当层理靠近裂缝面方向,页岩内部裂缝更易扩展。

F为实验过程中施加的垂向压力

图2 页岩抗张强度与断裂韧性Fig.2 Shale tensile strength and fracture toughness

2 漏失压力模型

2.1 井壁应力分布

井周应力状态是井壁稳定性力学分析的基础。

基于三向地应力分布,假定地层为线弹性介质,通过井眼坐标转换,获取任意井眼轨迹下的井壁应力分布[13],表达式为

(1)

式(1)中:σr、σθ、σz分别为柱坐标系下径向、周向和轴向正应力,MPa;σθz、σrθ、σrz分布为柱坐标下θz、rθ、rz平面切应力,MPa;σxx、σyy、σzz分别为直角坐标下X、Y、Z轴方向上地应力分量,MPa;σxy、σxz、σyz分别为直角坐标系下XY、XZ、YZ平面上地应力分量,MPa;ψ为井周角,(°);v为泊松比;pw为液柱压力,MPa。

根据井周应力分布,可求得井壁主应力为

(2)

式(2)中:σi、σj、σk分别为井壁处三向主应力,MPa。通过对比三向主应力大小,进而确定井壁位置处最大、中间、最小主应力(σ1、σ2、σ3)。

2.2 张性破裂漏失

基于页岩结构特征,可分为页岩基体、层理面及天然裂缝面。因此,根据张性破坏理论,可能存在沿基体、沿层理面及沿天然裂缝面的张性破坏,进而促进漏失。根据前期试验测试结果,利用最大张应力准则,进而得到沿基体、沿层理面破裂的漏失压力为

(3)

式(3)中:Stm、Stb分别为页岩基体与层理的抗张强度,MPa;δ为biot系数;pp为孔隙压力,MPa。

针对沿裂缝面破裂漏失,需要明确裂缝面应力分布特征。基于裂缝面与井筒空间关系,裂缝面的法线的方向矢量为

(4)

式(4)中:n1为结构面的法向矢量;Dp为结构面的倾角,(°);Az为结构面的走向,(°)。

井壁位置最大主应力与垂向夹角[14]为

(5)

针对井壁上任意点,最大主应力方向矢量n2(σ1)在坐标系中可表示为

(6)

式(6)中:α、β分别为井斜角与方位角,(°);θ为井周角,(°)。

基于同样空间转换原理,可以得到中间主应力(σ2)和最小主应力(σ3)的方向矢量分布。在此基础上,天然裂缝的法向方向与三主应力夹角分别为

(7)

式(7)中:βi为天然裂缝面的法向与σ1、σ2、σ3夹角,(°)。

当裂缝内流体压力超过裂缝面正应力,裂缝面产生张性破裂。根据上述应力方向分布,可以计算得到正应力,进而获得沿裂缝面张性破坏的漏失压力为

(8)

式(8)中:σn为裂缝面正应力,MPa;plf为沿裂缝面张性破裂的漏失压力,MPa;pf为裂缝面内部流体压力,MPa。

2.3 裂缝扩展漏失

随着裂缝面内部流体压力增大,除了沿裂缝面的张性破坏,还存在沿裂缝面的扩展漏失。裂缝扩展特征与页岩断裂韧性密切相关。单裂缝的扩展模型如图3所示。其中,裂缝面切向应力τa为

图3 裂缝扩展判断准则示意图Fig.3 Schematic of crack propagation criteria

(9)

式(9)中:θk为裂缝面与主应力夹角,(°)。

模型中,应力方向、应力与裂缝面和层理面的夹角关系可基于3.2节的空间转换关系获取。在此基础上,基于近似断裂韧性准则,建立单裂缝的判断准则为

(10)

式(10)中:θb为层理面与主应力角度,(°);la为裂缝半长,m;KIC(θb)为不同层理角度下的断裂韧性,MPa。其中,断裂韧性数值由前期试验获取。

2.4 漏失压力确定

基于上述多类漏失形式,可以得到沿基体破裂漏失压力(Pmf)、沿层理面破裂漏失压力(Pbf)、沿裂缝面破裂漏失压力(Plf)及沿裂缝面扩展漏失压力(Pl)。相同应力状态下,通过对比,最小值即为最终页岩地层漏失压力(Pperf),表达式为

Pperf=min(Pl,Plf,Pbf,Pmf)

(11)

3 漏失压力影响因素

3.1 井眼轨迹影响

井眼轨迹的选择是地层漏失压力的主要影响因素之一,选择合理的钻井井眼轨迹是避免漏失的技术手段之一。基于漏失压力模型,分析不同井眼轨迹下的漏失压力分布,如图4所示。在均质地层条件下,漏失压力分布呈现对称分布。近最大水平地应力方向(0°和90°),漏失压力相对较低,更易发生漏失。当结构面存在下(层理面倾角5°,走向25°;裂缝面倾角15°,走向0°),不同井眼轨迹下的漏失压力分布不再具有对称性,整体漏失压力数值显著降低。由此说明,结构面存在时,增加了钻井难度,安全钻井方位降低,地层更易产生漏失。

3.2 结构面影响

为进一步明确结构面对页岩地层漏失压力影响,分别对层理结构条件下、层理与裂缝面共存条件下的漏失压力进行计算,如图5所示,计算中,层理面倾角为45°,走向45°;裂缝面倾角75°,走向15°。由图5分析可知:裂缝面造成更大的漏失压力下降,主要钻井方位均沿裂缝面漏失。当仅存在层理结构面时,漏失压力基本在1.45 g/cm3以上。当增加裂缝面影响后,漏失压力整体下降,大量位置漏失压力下降至1.25 g/cm3,漏失风险加剧,由此说明裂缝面对地层漏失影响更为显著。

3.3 钻井液作用时间影响

由于硬脆性泥页岩地层发育黏土,钻井液作用下(尤其水基体系),力学强度必然产生变化,进而影响漏失压力分布特征。鉴于此,以力学实验为基础,参考水化作用下的硬脆性泥页岩力学参数变化规律[15-16],进一步分析钻井液作用对硬脆性泥页岩地层漏失压力影响,如图6所示。可以发现,随着钻井液作用时间增加,水化对泥页岩岩石强度的弱化作用导致地层更易产生破裂、裂缝起裂及裂缝扩展现象,进而造成漏失压力逐渐下降。由此说明,随着钻井过程进行,钻井后期的井壁漏失风险加剧。

图6 钻井液作用时间对漏失压力影响Fig.6 Influence of drilling time on loss pressure

3.4 地应力影响

为明确地应力特征对漏失压力影响,针对不同地应力下的漏失压力进行分析,如图7所示。当地应力比值一定时,增加地应力数值,整体地层漏失压力增大。这主要是因为较高地应力下,地层挤压作用明显,井筒液柱压力不易压开地层,产生漏失。同样,高应力差条件下,井筒周围剪切效应更显著,产生张性漏失更为困难。因此,随地应力比值增大,漏失压增加。

图7 地应力对漏失压力影响Fig.7 Influence of in situ stress on loss pressure

4 现场应用

基于所建立的漏失压力预测模型,以工区硬脆性页岩层位钻井数据为基础,开展现场应用,验证本文模型的准确性。在该页岩层段,5个深度位置共出现漏失现象,漏失位置处的地质力学特征如表1所示。其中,该页岩段的层理倾角为30°,层理走向为15°。裂缝玫瑰图显示该段裂缝主要以高倾角、北偏东发育。基于漏失位置处的地质力学特征及结构面发育情况,开始了漏失位置的漏失压力当量密度预测,与实际漏失量、实用钻井液密度进行对比,如图8所示。可知:漏失位置处,钻井液密度均大于地层漏失压力当量密度。同时,当钻井液密度与漏失压力当量密度的差值越大,漏失现象越明显,漏失量越大,说明本文模型预测漏失压力分布与实际漏失现象吻合,论证了模型的适用性。

表1 漏失点位地质力学特征

5 结论

(1)采用沿结构面与基体的剪切试验、不同层面角度下的断裂韧性试验,获得了结构面特征下的页岩抗张强度与断裂韧性。在此基础上,综合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,建立了一种页岩地层漏失压力模型,可实现硬脆性地层的漏失压力预测。

(2)根据不同井眼轨迹下的漏失压力分析可知,在均质地层条件下,漏失压力分布呈现对称分布,漏失压力相对较高,漏失风险较低。当结构面存在下,漏失压力分布不再具有对称性,整体漏失压力数值显著降低。由此说明,结构面存在导致地层漏失压力变化更复杂,数值更低,地层更易漏失,控制漏失难度更大。对比结构面与裂缝面,裂缝面造成更大的漏失压力下降。当地层存在裂缝面时,更易产生沿裂缝面漏失。

(3)由于硬脆性泥页岩地层具备水敏特征,钻井液作用下导致其强大弱化,造成地层漏失压力下降,增大了井漏风险。地应力对漏失现象具有明显影响。随地应力数值、地应力比值增大,受较高地应力下,强地层挤压作用,产生张性漏失更为困难,页岩地层漏失压力增加。