砾石层空气钻井井壁失稳机理研究及应用

2019-08-30刘殿琛韩烈祥

钻采工艺 2019年4期

刘殿琛，韩烈祥，杨沛

(1中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2中石油欠平衡与气体钻井试验基地 3中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院)

空气钻井在致密岩性地层、难钻地层具有极大的优势，气体钻井能够大幅度提高钻井速度，增加单只钻头进尺，对于提高致密性地层、难钻地层钻井速度具有重大的意义[1-3]。

2006年至今，气体钻井技术在塔里木油田共进行了9口井13井次应用(不包括氮气钻井)，提速效果明显。基于前期现场认识及研究成果，选出BZ区块库车组和康村组砾石层进行空气钻井试验，在钻进过程中虽未钻遇地层出水，但发生了比较严重的井壁失稳问题，导致了井下卡钻事故[4]。

在空气钻井井壁失稳机理及对策方面，朱忠喜和杨旭等对空气钻井条件下温度对井壁稳定的影响进行了深入分析[5-6]。李皋等认为气体钻井井壁失稳机理主要包括由于缺乏足够井筒流体压力支撑引起的力学失稳[7]。聂臻等考虑岩石材料峰后的应变软化特性、剪切膨胀特性，建立了气体钻井井壁稳定性模型[8]。冯武宏等对气体钻井中井壁稳定、井斜控制、摩阻大、转换过程中井壁剥落、出水以及钻具断裂和硫化氢问题做出了分析，并提出了相应的解决方案[9]。金衍从气体钻井井壁围岩的力学特性出发，确定了井壁围岩应力场的分布，结合Mohr-Coulomb准则，建立了气体钻井条件的井壁稳定模型，即弹塑性模型和硬脆性模型[10]。孙长健提出了气体钻井后钻井液的转换时钻井液体系的选择、钻井液的配制、钻井液的性能要求，同时开展了现场试验[11]。魏武提出了在特殊井下情况下泥页岩井壁稳定对处理剂的性能要求，并对气体钻井井壁稳定处理剂的实验评价方法进行了探讨[12]。邓虎建立起钻井液滤液在井周地层中的渗透运移规律和水化应力与地层强度随时间变化的规律[13]。王怡发展了一种任意井斜条件下的考虑合理井壁破损的气体钻井井壁力学稳定性分析模型[14]。

通过文献调研发现，虽然国内外对于气体钻井条件下的井壁失稳机理进行了深入分析，但在分析阶段仍然考虑孔隙压力对井壁稳定影响，但在正常的空气钻井条件下，孔隙压力基本为零，因此需要建立孔隙压力为零条件下的井壁稳定模型，为空气钻井井壁稳定分析提供理论支撑。

一、空气钻井壁稳定模型及失稳机理

1.空气钻条件下的井壁受力模型

传统的井壁稳定模型，对于直井来讲，当采用柱坐标体系时，井筒周围的有效应力可以表示为：

(1)

(2)

(3)

在砾石层钻井条件下，由于在层位优选阶段就要避免地层出水，因此空气钻井条件下新的井壁稳定模型为：

(4)

(5)

(6)

式(1)～式(6)中：σrr—井筒周围的径向应力,MPa；σθθ—井筒周围的周向应力,MPa；τrθ—井筒周围的切向应力,MPa；SHmax—水平最大主应力的大小,MPa；SHmin—水平最小主应力的大小,MPa；θ—水平最大主应力的方位与指定方向的夹角,°；p0—地层孔隙压力,MPa；σΔT—由于温度引起的应力,MPa；ΔT—井底温度和地层温度之间的差值,℃；R—井筒半径,m；r—地层中某点同井筒中心之间的距离,m。

2.离散元模型的建立与井壁失稳过程

由于砾石地层的非均质性分布，采用传统的软件进行模拟无法有效表征其整个破坏过程，为了解决该问题，采用离散元方法对砾石层井壁失稳过程进行模拟。

以库车组砾石层地质和工程参数为基础，建立离散元数值模型，模型参数包括：模拟地层：库车组；深度：2 000 m；砾石特征：中-细砾岩；砾石最大半径：40 mm；砾石最小半径：8 mm；充填基质半径：1～2 mm；胶结程度：较差；地层孔隙度20%，地层中无流体；最大水平主应力：47 MPa；最小水平主应力：36 MPa；井眼尺寸：431.8 mm。

图1 应力加载与裂缝起裂

图1显示了裂缝起裂过程，左图中红线代表应力加载大小，水平方向对应最大水平主应力，垂直方向对应最小水平主应力。裂缝扩展过程中，井眼附近的绿色点状物表示张性裂缝(见图1右)，红色的点状物表示剪切裂缝。裂缝首先在井壁附近形成，图中裂缝数相对较少且不明显，用程序统计裂缝数量显示，张性裂缝要多于剪切裂缝。当井壁周围有砾石大颗粒时，张性裂缝在砾石大颗粒周围形成，之后在砾石颗粒周围大量聚集并伴随有少量的剪切缝，裂缝相互连通造成砾石颗粒的脱落。为便于观察井壁周围裂缝扩展形态，通过设置程序命令保证地层破坏区域的完整性，但实际上裂缝扩展到的区域已经坍塌掉块。

图2 裂缝传播过程

裂缝在井周砾石大颗粒周围形成后，与附近的裂缝迅速贯通，在地应力的作用下，大量聚集的裂缝会沿着最小主应力方向传播(见图2)，图2模型中的最小地应力方向是沿着纵向，因此会形成一个长轴为纵向方向的椭圆井眼(图3中红色椭圆)。

图3显示井壁破坏形式，其中黑色线的粗细代表颗粒间接触力的大小，没有接触力的部分表示已经发生掉落和坍塌。值得注意的是，井眼右侧砾石颗粒周围也造成了大量的掉块(蓝色圆)，而井壁左侧没发生破坏，原因是井壁右侧分布较多砾石大颗粒，与胶结物胶结程度差，存在微裂缝，在剪切应力的作用下，裂缝扩展贯通，降低井壁岩石强度，引起井壁掉块。

图3 井眼破坏形式

3.粒径特征对井壁失稳影响

基于粒径分布的统计，选择砾石颗粒半径：0.5～2 mm、1.5～3 mm、2.5～4 mm和3.5～5 mm。模型计算时间：2×10-3s。

图4 不同砾石粒径分布的井壁失稳特征

图4为四种砾石粒径分布在相同运算时间后井眼模型的破坏特征，红色点状部分代表裂缝，红色箭头代表裂缝扩展方向，红色点状部分大量聚集代表裂缝带形成并发生围岩剥落掉块，井周的砾石大颗粒降低了井壁围岩的抗压强度，在井眼剪切应力的作用下，砾石层井壁围压产生掉块，形成以最小水平主应力方向为长轴的不规整崩落椭圆。同时，不同砾石粒径分布的井眼模型裂缝扩展方向有细微的差别，砾石颗粒越大，砾石位置分布对裂缝扩展的影响越大，井周破坏区域向砾石大颗粒方向延展。

砾石颗粒半径为0.5～2 mm时，井壁坍塌区域在近井眼处，砾石颗粒的脱落和胶结物的破裂几乎同时发生，井周砾石分布对裂缝扩展方向影响较小，裂缝几乎沿着最小主应力方向即Y轴方向扩展，但破坏区域在Y轴方向距离较短；当砾石颗粒半径为1.5～3 mm时，井周破坏区域涵盖了X轴方向大颗粒砾石所在区域，砾石大颗粒周围胶结面强度低，优先发生破坏，形成裂缝聚集区，同时多个裂缝聚集区相互贯通，加速了裂缝扩展过程，破坏区域在Y轴方向距离较长；当砾石颗粒半径为2.5～4 mm时，微裂缝沿着最大主应力方向传播，逐渐和附近大粒径砾石颗粒裂缝聚集区连通，扩展过程更迅速，破坏区域在Y轴方向距离更远；当砾石颗粒半径为3.5～5 mm时，砾石颗粒从胶结物上剥离，形成不规则井眼，在井筒周围大粒径砾石颗粒聚集区井壁失稳更加突显。对于相同井眼尺寸的砾石层，在非均匀构造应力作用下，砾石颗粒粒径分布影响井周裂缝扩展过程，颗粒粒径越大(大于3 mm时)，多个裂缝聚集区相互贯通，裂缝扩展更远，井壁破坏区域延伸到井周深处。

离散元模拟结果显示，胶结物及胶结物同砾石之间的强度、砾石粒径大小对井壁稳定具有决定的作用。砾石层井壁失稳破坏时破坏的只是胶结物，之后砾石颗粒从井壁上剥落下来。采用空气钻井时，必须保证砾石颗粒能被携带出井筒；当砾石颗粒不能被带出时，极易造成井底沉砂，甚至卡钻。