深层泥页岩井壁失稳机理与预测模型研究进展

2021-11-12孙家应尹德战蒋国盛

钻探工程 2021年10期

程万，孙家应，尹德战，蒋国盛*

（1.中国地质大学（武汉），湖北武汉430074；2.安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽淮南232052）

0 引言

我国对石油天然气资源的需求量日益增加，2020年原油对外依存度预计超过70%，天然气预计超过40%［1］，国家能源安全受到严重威胁。随着浅层油气资源的逐渐枯竭，深层油气资源开发已成为国家油气发展的重要战略。由于深层油气地质和钻井条件复杂，井壁极易出现失稳破坏的现象。井壁失稳问题一般发生在页岩、煤岩、盐岩、非胶结或弱胶结的岩石及其它破碎性的岩石等地层［2］。从已有的钻井工程实践来看，井壁失稳主要发生在泥页岩井段。

在钻井过程中泥页岩地层发生失稳破坏，主要表现为井眼缩径（见图1a）、坍塌（见图1b）、扩大（见图1c）和破裂（如图1d）等，轻则造成钻井周期延误，重则导致井眼报废，造成巨大的经济损失。泥页岩地层井壁失稳是制约深层油气资源安全高效开发的技术“瓶颈”。由于地应力、地层岩石力学参数、岩石与泥浆相互作用和钻井作业等因素，井壁出现失稳问题是钻井工程中所遇到的复杂难题，迄今还没有研究出可以彻底解决这个难题的高效方法。国内外的专家在井壁失稳力学和化学机理、井壁稳定性预测模型方面做了大量的研究工作，笔者对此进行梳理，并着重论述多场耦合的井壁稳定性预测模型的研究进展和发展趋势。

图1 井壁失稳现象Fig.1 Types of wellbore failure

1 泥页岩井壁失稳机理

1.1 力学失稳机理

地层被钻开前仅受到原始地应力的作用，地层被钻开后钻井液液柱压力与原始地应力同时作用在井壁围岩上，井壁围岩应力场因而发生重新分布。钻井液侵入到井壁围岩，或地层流体侵入到井眼内均会引起井壁围岩孔隙压力重新分布，进而影响有效应力重新分布，导致井壁围岩发生变形。泥页岩井壁围岩失稳机制包括围岩塑性流动或大变形、沿弱结构面（层理、节理、裂缝等）的剪切滑动，及钻井液密度不能平衡地应力所引起的井壁破裂和坍塌［3］。井眼形成后，钻井液密度产生的静液柱压力对井壁起到一定的支撑作用，合理的钻井液密度能够有效地维护井壁稳定，预防井涌、井壁坍塌及井漏等井下事故发生。从岩石力学的角度上讲，井壁破坏类型一般分为剪切破坏和拉伸破坏。一般井壁坍塌属于剪切破坏，井壁破裂属于拉伸破坏。常用于判断井壁剪切破坏的力学强度准则有很多，例如Mohr-Coulomb准则、Mogi-Coulomb准则、Hoek-Brown准则、Drucker-Plager准则等［4-5］。判断井壁拉伸破坏主要是采用围岩抗拉强度与拉应力的比较。当钻井液密度过低时，井眼失去支撑而发生坍塌掉块，此时，钻井液密度临界值称为井壁坍塌压力当量密度；当钻井液密度过高时，井筒可能会发生井壁破裂，此时，钻井液密度临界值称为井壁破裂压力当量密度。通常在实际钻井过程中，在保证井筒不发生溢流前提下，钻井液密度通常略高于井壁坍塌压力当量密度，低于井壁破裂压力当量密度。钻井液安全密度窗口用公式表达如下：

式中：ρp——地层原始孔隙压力当量密度；ρc——井壁坍塌压力当量密度；ρm——钻井液密度；ρf——井壁破裂压力当量密度。

泥页岩可以认为是一种多孔的弹塑性介质，孔隙弹塑性力学可以较为准确地表达泥页岩的应变与应力本构关系［4］。泥页岩作为一种层理发育的沉积岩，其层理面法向方向的力学参数与平行于层理面不同，大多表现为横观各向同性特征，对井壁坍塌区域有一定程度的影响。层理面、节理面和裂缝面的胶结性比泥页岩本体要低，较易优先发生剪切滑动［5］。

1.2 化学失稳机理

当地层被钻开后，井筒中的钻井液经过与地层流体之间的孔隙压力差、温度差、化学势差和地层毛细管力的驱动作用，进入近井壁地层。随着井壁裸露时间增长，钻井液与地层矿物质接触后发生化学反应。泥页岩地层中粘土矿物主要包括高岭石、绿泥石、蒙脱石和伊利石等。泥页岩中粘土质矿物易水化膨胀，在钻井液的浸泡下出现弹性模量、力学强度等参数降低，最终弱化了井壁围岩的胶结性，降低了井壁围岩的强度，导致井壁支撑能力减弱，加剧了井眼垮塌的现象［6］。泥页岩水化作用的本质是粘土矿物吸附结合水而发生膨胀（图2）。水化作用的强弱与页岩矿物组分、粘土矿物含量、地层水的活度、埋藏深度、阳离子交换容量、阳离子种类等因素有关［7］。

图2 水化分散的硬脆性泥页岩[8]Fig.2 Hydr ation of hard br ittle shale

油基钻井液可以较好解决钻井过程中泥页岩水化的问题，但其成本高、污染大，实际生产现场更多的是使用经特殊处理的水基钻井液。水基钻井液对泥页岩井壁稳定性影响研究，目前主要是针对钻井液密度、抑制性、流变性、封堵性和活度。汪伟［9］研究钻井液流变性对硬脆性泥页岩井周微裂缝中孔隙压力和岩石强度的影响规律，发现钻井液粘度越大，井周微裂缝中孔隙压力增长幅度和压力传递距离都越小。钻井液屈服值对井周微裂缝中孔隙压力和压力传递距离的影响较小，浸泡后的泥页岩强度降低幅度较低。张雅楠［8］证实硬脆性泥页岩中微裂缝扩展是引起井壁破坏的主要原因（图3），他研究了多种封堵剂和压差对硬脆性泥页岩微裂缝的封堵效果的影响规律，揭示了封堵剂在裂缝中的封堵机理和封堵位置对井壁稳定性的影响机理。强抑制性钻井液能很好地缓解粘土矿物水化作用，延长井壁稳定时间［10］。张龙［11］研究了泥页岩中4种主要粘土矿物的亲水特性，发现蒙脱石的吸附结合水的能力最强。他还研究了抑制剂对蒙脱石水化分散膨胀与晶层间距的影响规律，定量地描述了钻井液抑制剂对泥页岩的水化作用。钻井液活度［12］能够反映钻井液的抑制性能，不同活度的钻井液在宏观上使页岩强度发生差异性变化，微观上影响页岩内部结构。

图3 硬脆性泥页岩泡水前后比较Fig.3 Compar isons of har d brittle shale befor e and after soaking in the water

1.3 小结

泥页岩水化作用可以归结到钻井液对井壁泥页岩力学性能参数及井壁周围应力的改变。“力学-化学”耦合的泥页岩井壁稳定性研究的主要内容，其核心是如何定量研究水化作用引起的力学效应，并应用于计算井壁应力场［13］。

2 泥页岩井壁稳定性预测模型

由于沉积成岩作用，泥页岩通常具有明显的层理与裂缝发育、各向异性、水化特征，裸露的井壁又处于温度场、应力场、渗流场、化学场等多个物理场耦合作用。针对泥页岩特征和多场耦合作用，国内外相关文献报道了大量的井壁稳定性预测模型。

2.1 考虑粘土水化的井壁稳定模型

在水基钻井液浸泡下，泥页岩粘土矿物水化作用明显。Chenevert［14］和Yew等［15］发现岩石在钻井液浸泡下会发生水化膨胀，并建立了泥页岩水化模型。他们采用膨胀应变来确定膨胀程度，且认为在钻井液浸泡下泥页岩岩石力学参数是随含水量变化的，通过实验得到了岩石弹性参数变化规律。黄荣樽等［16］在Yew等［15］的基础上，修正了围岩岩石变化及膨胀程度规律，得出了泥页岩岩石力学参数（包括弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等）与含水量的关系。Hale等［17］首次建立了考虑化学势的孔隙压力模型，并得到了孔隙压力随浸泡时间的变化规律。王正良等［18］研究了硬脆性泥页岩吸水裂纹扩展特征，发现含水量的微小变化会诱发泥页岩稳定性的较大变化，认为控制钻井液的滤失量是保证井壁稳定的关键措施之一。金衍等［19］利用水化模型模拟了坍塌压力随时间的变化规律。温航等［20］研究了钻井液活度-岩石膨胀率、岩石活度-吸水量的关系，建立了同时考虑层理产状和层理水化的坍塌压力模型。王磊［21］研究了水化作用对泥页岩宏观力学性质变化及力学特征的影响规律。孟英峰等［22］测试了不同工作液环境下龙马溪组页岩水化膨胀性能及力学性能动态变化规律，考虑井眼轨迹、完井后井底力学边界条件，建立了龙马溪组页岩水平段裸眼完井井壁稳定模型，评估裸眼完井的可行性。张世锋等［23］参考流动-扩散耦合模型，计算了钻井液抑制-封堵-渗透联合作用下的泥页岩安全密度窗口，分析了钻井液封堵性和抑制性对安全密度窗口的影响。提高钻井液封堵性，能够减缓泥页岩井壁孔隙压力传递速度；钻井液抑制性对水化作用强烈的泥页岩井壁坍塌压力具有显著作用；提高钻井液封堵-抑制性能，可以降低坍塌压力和提高破裂压力，从而拓宽安全密度窗口和延长坍塌周期。刘洋洋［24］建立泥页岩地层结合水与含水量关系模型，再研究结合水对岩石力学参数及坍塌压力的影响。

2.2 考虑弱结构面的井壁稳定模型

泥页岩地层中通常发育着层理、节理和天然裂缝，这些结构面具有较页岩本体更弱的胶结性。金衍等［25］给出了考虑地层中存在一组弱结构面的坍塌压力计算方法，研究表明考虑弱结构面的影响后坍塌压力大幅增加。刘向君等［26］定量分析了岩石弱结构面对直井和斜井井壁岩石力学性能的影响。马天寿等［27-28］建立了层理性页岩水平井井壁稳定模型，定量分析了层理产状、井斜方位（图4）对水平井坍塌压力和剪切失稳区域的影响。刘志远等［29］基于裂缝产状、水化作用对弱面摩擦强度影响，建立了多组弱面的水平井裸眼井壁垮塌量计算模型［30］。邓媛等［31］考虑了水化作用对岩石本体和层理面的强度弱化效应，建立了力-化耦合作用下层理性页岩水平井井壁坍塌压力模型，并研究了水化应变、层理面产状和钻井时间等因素对坍塌压力的影响规律。陈平等［32］基于斜井井壁应力场和井壁失稳岩石破坏模式，获得维持井壁稳定的钻井液安全密度窗口、安全和危险井眼方位。

图4 层状页岩与水平井井壁应力坐标关系[28]Fig.4 Coor dinate relationship between hor izontal wellbore stress and laminar shale

2.3 考虑页岩各向异性的井壁稳定模型

泥页岩地层的力学性质通常具有各向异性特征。Lekhnitskii［33］推导了各向异性板中孔边应力场解析解。Aadnoy［34］在Lekhnitskii［33］的基础上，建立了钻井过程中横观各向同性地层中的井壁应力场模型。Cheng［35］研究了各向异性地层中材料参数之间的关系。Abousleiman等［36］在Cheng［35］的基础上，推导出了横观各向同性地层斜井的井周应力场及孔隙压力场解析解。Lee等［37］推导了定向井各空间坐标系之间的转换关系，计算了各向异性井壁坍塌区域。卢运虎等［38］研究了横观各向同性地层的井壁应力场，建立了斜井地层井壁稳定模型。洪国斌等［39］实验研究页岩各向异性强度和变形参数（图5），结合斜井状态下的井周应力模型建立了大斜度井地层破裂压力模型。曹文科等［40］和Liu等［41］获得了岩石各向异性导致的页岩弹性参数变化对井周围岩应力分布影响的规律，并对井壁稳定性进行了评估。

图5 页岩弹性模量与取心角的关系[39]Fig.5 Relationship between the coring angle and the elastic modulus of shale

2.4 考虑多场耦合作用的井壁稳定模型

Heidug等［42］考虑了溶质和溶剂的双扩散，认为页岩是非理想半透膜，但是其控制方程是非线性的，无法得到井周应力场和孔隙压力场的解析解。Ghassemi等［43］在Heidug等［42］的基础上，给出了线性力-化耦合本构关系，并获得了井周应力解析解。Oort［44］认为钻井液与泥页岩之间的相互作用包括温度梯度、水动力学压差梯度、电势梯度、化学势梯度。据此，Ekbote等［45］建立了流-固-化-热多场耦合的井壁应力场模型，但并未应用于评价井壁稳定性。Gao等［46］将Ekbote等［45］模型应用于页岩井壁稳定性，但未考虑页岩水化作用。高佳佳［47］将基于单重孔隙介质变形的Biot型本构关系推广至描述双重介质的本构关系，建立了等温条件下双重化学-孔隙弹性本构方程，揭示了化学活性裂缝性页岩地层的井壁稳定规律。

周俊［48］在地层岩石横观各向同性的基础上，考虑地层温度变化所产生的热效应及井筒和地层流体压力差造成的渗流效应，将热应力考虑进孔隙弹性变形中。彭程［49］推导出的考虑溶质和溶剂双重扩散的力-化耦合模型，并把化学势写成溶质质量分数的线性函数，而得到力-化耦合多孔弹性本构方程，从而推导出孔隙压力和井周应力的解析解。肖志强等［50］分析了硬脆性泥页岩微观结构和力学特性，在综合研究泥页岩吸水扩散、强度弱化、压力传递以及固体应变之间相互耦合作用，探讨了井壁渐进破坏过程。Cheng等［4］和张宇等［51］在Ekbote等［45］模型的基础上，考虑了页岩基质和层理随着钻井液浸泡时间的水化作用，构建了流-固-化-热四场全耦合的井壁稳定力学模型，并预测了任意井斜方位下的井壁坍塌压力（图6）。王书婷等［52］对比分析孔隙弹性模型和双孔介质孔隙弹性模型，发现孔隙弹性模型能揭示井壁失稳延迟现象和井壁内部起裂现象；双孔介质孔隙弹性模型所需参数繁多，不适合于现场实际应用。

图6 泌阳凹陷陆相页岩坍塌压力随井斜方位的分布[4]Fig.6 Collapse pressure distribution versus the deviation and azimuth angles in continental shale in Biyang Sag

2.5 井壁稳定预测模型发展趋势

针对泥页岩地层弱面结构、各向异性、水化作用等主要因素，考虑流-固-化-热多场耦合作用，构建泥页岩地层井壁应力本构模型，计算井壁围岩应力场。结合钻井过程中泥页岩地层实际发生的井壁破坏机理，选择或构建合适的力学强度准则，计算井壁坍塌压力和破裂压力，预测井壁破坏区域或方向；根据地层力学参数随钻井液浸泡时间的动态变化规律，预测井壁失稳周期；评价钻井液各项性能指标与井壁坍塌压力、破裂压力、坍塌周期的关系，从而优化设计钻井液性能指标。结合实际的井壁稳定情况，修改和完善井壁稳定性预测模型。