威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析

杨光伟

摘  要：随着我国能源结构的不断优化，页岩气的勘探开发已被列入了国家战略开发范围。由于页岩气藏储层特征决定，采用水平井工艺可大大提高页岩气开发效率因此得到了极为广泛的应用，井壁稳定问题作为影响水平井开发效果的重要因素之一。本文以四川威远地区页岩气藏为研究对象，重点分析页岩气水平钻井过程中影响井壁稳定的因素，并提出相应对策。

关键词：页岩气  水平井  井壁稳定分析

中图分类号：TE243    文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0047-02

页岩气具有较大的资源潜力、较长的开采寿命和生产周期，目前已成为能源研究的热点和突破口。但页岩气藏是低丰度、低品位非常规天然气藏，采用直井钻井方式无法对其进行经济有效的开发。采用水平井开发方式，能够有效增加页岩气储层暴露面积，进而提高单井产量，目前在国内外得到了极为广泛的应用。四川威远—长宁构造地层出露老、地表疏松、成岩性差，二叠系龙潭组地层含铝土质泥岩，易水化膨胀、水敏性强，目的层页岩性脆、易掉块，出现破碎性垮塌;同时构成页岩的粘土矿物对流体敏感性强，钻井液长时间的冲刷浸泡将会加剧页岩的垮塌。诸多因素的影响引起页岩气水平井出现井壁失稳问题，因此，从安全、高品质、快速、高效的钻井角度出发，研究页岩气水平井钻井过程中井壁稳定问题就显得特别重要。

1  井壁失稳机理分析

钻井前，原状地层所受的地应力及孔隙压力处于平衡状态。钻井后，井眼的形成破坏了原始地应力的平衡状态，导致井壁围岩的应力重新分布。钻井时，井眼通过低强度地层产生的应力集中可能导致井壁围岩破坏，即井壁力学失稳。钻井液作为石油工程的“血液”，在钻井过程中，对于大部分地层及井壁岩石，钻井液密度只需稍稍大于地层孔隙压力梯度就能保持井下压力和井壁地层应力的平衡，实现钻井井壁稳定。而对于泥页岩地层，粘土矿物具有极强的水敏性，仅靠调整钻井液密度无法保持井壁地层的稳定，有时甚至使井壁失稳加剧。

1.1  力学因素导致井壁失稳

从力学角度分析井壁失稳有两种基本形式：压缩剪切破坏和拉伸破坏。

在钻开井眼前，地下岩石处于应力平衡状态。钻开井眼后，井壁地层原有的支撑被井筒内钻井液的业主压力所取代，井眼周围的应力进行了重新分布。当地应力、岩石强度和孔隙压力等一系列地层参数与井内液柱压力、钻井液性质等工程参数之间不能达到平衡时，将会引起不同形式的井眼破坏。如：当井内液柱压力低于井壁岩石的剪切强度时，井壁岩石将会发生剪切破坏，当井内液柱压力高于井壁岩石的拉张强度时，井壁岩石将会发生张性破坏，即在井壁地层形成裂缝，造成井漏。

1.2 化学因素导致井壁失稳

钻井过程中，钻井液等外来流体与地层不配伍，将会打破地层原有的化学平衡。水敏性粘土矿物是泥页岩的主要成分，不同的钻井液体系作用于泥页岩结果各不相同。大量研究成果表明，泥页岩地层与钻井液在井下温度和压力条件下接触将产生如下三种相互作用。

（1）钻井液和地层流体的离子浓度差引起的离子扩散交换作用;（2）泥页岩和钻井液中水的化学势差异产生的扩散渗透作用;（3）钻井液柱压力与地层流体压力的压差作用引起的钻井液滤液沿泥页岩的微裂隙的侵入。

上述三种作用将会导致泥页岩地层吸水膨脹，使井壁围岩的应力分布和地层岩石特性发生显著变化，最终导致井壁失稳，发生钻井复杂事故。

1.3 工程因素导致井壁失稳

导致钻井井壁失稳的工程因素主要包括：钻井液的性能与性质、井壁地层的浸泡时间、钻井液对井壁的冲刷程度、钻井液循环产生的波动压力、起下钻时的钻井液激动压力、钻柱对井壁地层的摩擦和碰撞等。因此，导致井壁失稳的因素可以概括为一种力学因素，其实质就是井壁地层岩石所受应力超过了其强度进而产生地层破坏。

2  页岩气水平钻井井壁稳定性研究

大量文献表明，水平地应力的不均衡对地层坍塌压力和地层破裂压力具有显著的影响，当最大水平地应力与最小水平地应力的比值越大，坍塌压力与破裂压力的差值就越小，钻井作业就越困难。地应力的不均衡是井壁力学失稳的主要诱因之一。因此，要分析井壁稳定，井壁地层的坍塌压力和破裂压力是基础。

2.1 坍塌压力计算

通过分析井壁处主应力分布情况，此前有关井壁应力分布情况已有大量研究结果，限于篇幅，文章不进行公式推导。由Mohr-Coulomb准则可知：岩石最大、最小主应力仍然分别为切向应力σθ和径向应力σr。σθ在θ=90°和θ=270°处达到最大，井壁发生坍塌。则：

当水平井井轴沿最大水平应力σH（或σh）方向时：

2.2 破裂压力计算

当井内钻井液液柱压力过高时，在井壁处会出现拉应力，根据最大拉应力理论可知，当岩石内任意点的最小主应力σ3超过岩石的抗拉强度σt时，岩石便会发生拉伸破坏，考虑孔隙压力的影响，则有：

（1）当水平井井轴沿σH（或σh）方向时，形成横向裂缝的破裂压力分别为

（2）当水平井井轴沿σH（或σh）方向时，形成纵向裂缝的破裂压力分别为

3  实例应用

W201井是一口垂直评价井，用来获取龙马溪组和筇竹寺组地层的地化、岩矿、物性、岩石力学和地层含油气性等资料。该井采用随钻测井方式，根据测井解释结果显示在1390～1460m处出现井壁垮塌。

W201-1井是该地区的一口页岩气水平井，目标层是志留系下部龙马溪组黑色页岩气层。通过参考井的测井资料对比：目标层埋深为1477.43～1518.6m，层厚约40m，其中优质气层厚度约18.7m。根据施工数据显示，钻井采用油基泥浆体系。当钻至2738m时再次无法钻进，随着泥浆比重在水平段不断增加，井漏现象变得严重。这表明当泥浆比重变得太高时，地层发生了破裂。完钻深度2823m，水平段1079m，基本达到钻井设计目标。

分析原因为：该区块页岩储层应力分布规律为最小水平主应力〈上覆岩层压力〈最大水平主应力，且发育有微裂缝。威远地区志留系龙马溪组页岩地层中的粘土含量较大，粘土矿物因水化作用使井眼坍塌而扩径严重，同时页岩地层层理及微裂缝发育，地层岩石强度低，容易破碎，地层破裂压力较低，水平井井壁稳定性较差，地层中存在微裂缝导致地层漏失压力较小，通过增大钻井液密度来保持井壁稳定反而容易压开裂缝，因此要在保证钻井液封堵效果的前提下，适当提高钻井液密度。

4  结语

地下岩石应力平衡是控制页岩地层井壁稳定的基础，通过研究分析得出威远地区该储层地应力分布情况为最小水平主应力〈上覆岩层压力〈最大水平主应力，且发育有微裂缝，地层易破碎。通过分析井壁地层失稳的机理确定合适的水平井段钻井方案，结合地层岩石力学分析及地层岩石物理性质选择合理的钻井液密度及钻井液性能可以有效保证钻井井壁的稳定。

参考文献

[1] 陈秀荣.泥页岩井壁稳定性研究[D].中国地质大学，2009.

[2] 陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学[M].北京：科学出版社，2008.