頁巖氣藏水平井井壁穩(wěn)定性研究

摘要

頁巖氣藏開發(fā)采用的井型一般為水平井，在層理發(fā)育的頁巖地層中鉆井一般都存在嚴重的井壁失穩(wěn)問題。

頁巖氣藏開發(fā)采用的井型一般為水平井，在層理發(fā)育的頁巖地層中鉆井一般都存在嚴重的井壁失穩(wěn)問題。為此，根據(jù)有效應力理論改進了層理地層水平地應力計算模型，并結合川南地區(qū)所取巖心進行室內(nèi)強度實驗，選取適當?shù)钠茐臏蕜t，對比2個地層水平地應力計算模型和水平井眼井周應力狀態(tài)，得出了頁巖氣藏水平井坍塌壓力隨層理面產(chǎn)狀的變化規(guī)律。研究結果發(fā)現(xiàn)：對于頁巖地層而言，采用常規(guī)的均質(zhì)地層水平地應力預測模型研究井壁穩(wěn)定性，低估了水平井的地層坍塌壓力；采用改進的水平地應力預測模型計算得出的坍塌壓力與實際情況吻合較好；沿最小水平地應力方向鉆進的水平井，地層坍塌壓力在某一地層傾角處存在極大值，更高的傾角反而有利于井壁穩(wěn)定。研究結論可以為頁巖氣井鉆井設計提供參考。

關鍵詞 頁巖氣藏水平井層理產(chǎn)狀層理地層地應力計算模型井壁穩(wěn)定性四川盆地

頁巖氣作為典型的非常規(guī)能源已引起人們越來越多的關注，并具有廣闊的開發(fā)潛力^[1-3]。

頁巖氣藏勘探開發(fā)需要大規(guī)模鉆井作業(yè)，為保證產(chǎn)能頁巖氣藏一般采取水平井鉆井方式，因此有必要開展水平井井壁穩(wěn)定性研究。頁巖屬于典型的層理性巖石，在以往研究中，先后有學者建立和改進了層理性地層的定向井坍塌壓力計算模型^[4-6]，但是對于地應力的處理方式都是按照均質(zhì)各向同性體進行的。這對于頁巖這種橫向各向同性體顯然不太合理，由于垂直和平行于層理面方向的彈性參數(shù)存在差異，常規(guī)的地應力計算模型已不適用于頁巖地層。對此王越之教授^[7]等人提出了橫向各向同性地層地應力計算模型，本研究在考慮了有效應力和地層傾斜的基礎上，改進了層理性地層地應力計算模型，并初步探討了頁巖氣藏水平井坍塌壓力隨層理產(chǎn)狀的變化規(guī)律。

1 我國頁巖氣鉆井現(xiàn)狀

我國頁巖氣勘探開發(fā)技術正處于起步階段，目前所鉆的水平井數(shù)量較為有限，主要集中在四四川盆地的長寧構造、威遠構造以及鄂爾多斯盆地等地區(qū)。頁巖氣藏鉆井的重點和難點在于水平段，由于頁巖氣井水平段一般較長，普遍在1000 m以上，而且頁巖地層層理發(fā)育，產(chǎn)狀多變，巖石性質(zhì)硬脆，水敏性礦物含量高，很容易發(fā)生井漏坍塌等問題^[8]。

以四川盆地威遠構造所鉆的某頁巖氣井為例^[9]，該井鉆井周期34 d，后期通井耗時達38 d，通井過程中舉升出井的垮塌物體積達35 m³，返出的掉塊呈片狀結構，具有顯著層理面，如圖1所示。

井壁坍塌不僅會影響鉆井工期，更重要的是井眼不規(guī)則會降低固井質(zhì)量，影響套管承壓能力，威脅后續(xù)壓裂的安全性。為此針對頁巖氣藏水平井展開了地應力、巖石力學特性和井壁穩(wěn)定性等一系列研究。

2層理性地層地應力計算模型

地應力是研究井壁穩(wěn)定的重要因素之一，產(chǎn)生地應力的原因十分復雜，包括板塊邊界受壓、地幔熱對流、巖漿入侵、地層重力以及構造運動等。諸多影響因素中能夠定量描述的只有通過權值系數(shù)法處理的地層重力與構造應力兩方面。

目前對于地應力的定量研究基本都是基于均質(zhì)各向同性地層而言的，廣泛應用的地應力計算模型如Terzaghi模型、Anderson模型以及黃榮樽教授^[10]提出的“六五”模型和“七五”模型是典型代表。而頁巖地層屬于橫觀各向同性體，對于頁巖井壁穩(wěn)定問題仍采用均質(zhì)模型顯然不合理。根據(jù)復合材料結構性力學原理，王越之教授提出了不同層理產(chǎn)狀下橫向各向同性地層地應力的計算模型。

本研究在王氏模型的基礎上，參照黃氏模型的建立方法，根據(jù)多孔介質(zhì)有效應力理論認為構造運動和頁巖各向異性只影響到骨架應力，不會對孔隙壓力造成影響(構造運動引起的異常高壓除外)，將以上兩項因素與Biot系數(shù)分別作為有效應力與孔隙壓力的權值，再結合地層傾斜的影響計算水平地應力^[11]。對于任意傾角的地層，計算通式如下：

式中A、B為構造應力系數(shù)，E、E＇、ν、ν＇分別為橫觀各向同性體的彈性參數(shù)，φ為地層傾角，ω為地層傾向，ω₀為水平最大地應力方位。

對于水平層理地層，水平面為各向同性面。彈性參數(shù)可以通過室內(nèi)實驗測得或VSP地震數(shù)據(jù)求取，同時忽略地層傾斜的影響，將彈性參數(shù)代入式(1)即可求取地應力。

天然地質(zhì)條件下，地層一般都是斜層理發(fā)育。而各向異性體最突出的特點是其方向性，彈性參數(shù)與坐標取向有關。對于斜層理地層，應將斜坐標系中的柔度矩陣轉換到水平坐標系中，再根據(jù)逆矩陣關系計算彈性系數(shù)，中間的坐標轉換過程為：

式中S_mnop為斜坐標系中的柔度矩陣，S＇_ijkl為水平坐標系中的柔度矩陣，l_ij為方向余弦矩陣。

3頁巖巖石力學特性

根據(jù)四川盆地某頁巖地層所取巖心進行室內(nèi)強度實驗。用金剛石取心鉆頭在巖心上套取ø25 mm的圓柱試樣，將試樣兩端車平磨光后置于抗油耐壓密封套內(nèi)，再裝入MTS強度測試高壓釜，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，緩慢加載測試單軸抗壓強度。為研究層理面對頁巖強度的影響，按照軸線和層理面法向之間的角度(β)為0^°、l5^°、30^°、45^°、60^°、75^°、90^°鉆取試樣，示意圖如圖2所示，實驗結果如圖3、4所示。

本研究簡化了Jaeger及McLamore^[12-13]等人建立的強度準則，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)采取了內(nèi)摩擦角恒定，黏聚力(τ)隨角度變化的頁巖地層強度公式：

4 頁巖氣藏水平井坍塌壓力計算模型

對頁巖氣藏鉆井而言，一般情況下為了提高壓裂效率，水平井都會沿最小地應力方向鉆進，如圖5所示。根據(jù)本文第2部分提出的模型計算求得地應力后，將其從大地坐標系(1，2，3)轉換到井眼坐標系(x，y，z)，轉換關系如式(6)所示：

式中L為坐標系轉換矩陣。

根據(jù)多孔介質(zhì)彈性理論，并視井壁穩(wěn)定問題為平面應變問題，則相應的平衡方程、幾何方程、本構方程以及邊界條件分別為：

式中σ_ij,j為應力分量；f_i為體積力；ε_ij為應變分量；u_i,j為位移分量；δ_ij為Kronecker符號；D為井眼坐標系下的本構方程，井眼坐標系與層理面坐標系D_T的轉換關系為D=qD_Tq^T；σ_r為井壁徑向應力；ρ_w為鉆井液液柱壓力。

根據(jù)以上控制方程，結合適當?shù)膹姸葴蕜t，可以建立不同層理產(chǎn)狀下頁巖地層水平井坍塌壓力計算模型。本研究計算參數(shù)選取如下：ø=33^。、E=21 GPa、E＇=25 GPa、ν=0.2、ν＇=0.19、G=19 GPa；上覆巖層壓力當量密度2.17 g／cm³，構造應力系數(shù)A=0.585、B=0.375，垂深1500 m；水平最大地應力方位N60^。E，井眼延伸方向為最小地應力方向，即Nl50^。E。

層理面產(chǎn)狀設置如下：傾角取0°、l5°、30°、45°、60°、75°、90°7種情況，傾向從正北方位N0°E，以l5°為單位順時針遞增到N360°E。根據(jù)以上模型與參數(shù)，計算沿最小地應力方向所鉆水平井在不同層理產(chǎn)狀下的坍塌壓力變化規(guī)律。

5 結果分析與實例對比

編程計算過程中，分別采用層理地層地應力模型和均質(zhì)地層地應力模型(選擇“六五”模型)進行地應力預測，當水平井眼沿最小地應力方位(N150°E)延伸時，隨層理面傾角與傾向的變化，坍塌壓力風險分布如圖6～9所示。

計算結果表明：沿最小地應力方向鉆進的水平井，按照改進的地應力模型計算所得坍塌壓力普遍高于“六五”模型的計算結果。而且坍塌壓力在地層傾角45°左右時存在極大值，在[0°，45°]的區(qū)間內(nèi)，隨傾角的增大坍塌壓力逐漸增加；在[45°，90°]區(qū)間內(nèi)，隨傾角的增大坍塌壓力有所降低，對于地層傾向更接近最小地應力方位的地層，坍塌壓力下降幅度更大。

實例對比：四川盆地相同埋深處的某頁巖氣藏水平井X井，井深2823 m，鉆井設計中未考慮層理地層的特殊性，仍按照均質(zhì)地層設計密度。鉆井初期采用1.22～1.45 g／cm³的鉆井液密度，遠低于本模型計算的坍塌壓力1．58 g／cm³，期間發(fā)生了嚴重井壁失穩(wěn)，直到2611 m后逐步調(diào)整密度至l．85 g／cm³，完鉆后采用密度2．35 g／cm³的重漿舉升塌塊。由于前期所用密度過低難以平衡應力，導致井壁剪切擴容產(chǎn)生大量裂縫，后期再提高密度到原始坍塌壓力仍不能維持破碎的井壁，因此實際鉆井中用到了l．85 g／cm³以上，但此時裂縫的存在又引起頻繁漏失。所以最初就采用適當?shù)你@井液密度，可以在一定程度上既避免井塌又避免漏失。

6 結論

1)頁巖地層水平段井壁失穩(wěn)主要是由于層理面強度較低和層理地層地應力的特殊性導致的。

2)頁巖地層的地應力計算模型不同于常規(guī)均質(zhì)地層，忽略地層各向異性對地應力的影響會在一定程度上低估坍塌壓力，造成嚴重井壁失穩(wěn)。

3)在鉆進地層傾角為30°～60°之間的頁巖氣藏水平井時，應注意具有較高的坍塌壓力。近水平和近垂直的地層中坍塌壓力有所降低，降低幅度與地層傾向有關，越接近最小地應力方向下降幅度越大。

參考文獻

[1] 鄒才能，董大忠，王社教，等．中國頁巖氣形成機理、地質(zhì)特征及資源潛力[J]．石油勘探與開發(fā)，2010，37(6)：641-651．

[2] 徐建永，武愛?。搸r氣發(fā)展現(xiàn)狀及勘探前景[J]．特種油氣藏，2010，17(5)：1-6．

[3] U．S．Energy Information Administration．Shale gas in the United States：recent developments and outlook [EB／OL]． (2011-04-11)[2012-5-30]．http：//WWW．eia．gov／reports．

[4] 金衍，陳勉，柳貢慧，等．弱面地層斜井井壁穩(wěn)定性分析[J]．石油大學學報：自然科學版，I999，23(4)：34-35．

[5] 蔚寶華，鄧金根，閆偉．層理性泥頁巖地層井壁坍塌控制方法研究[J]．石油鉆探技術，2010，38(1)：56-58．

[6] 譚強，鄧金根，張勇，等．各向異性地層定向井井壁坍塌壓力計算方法[J]．斷塊油氣田，2010，17(5)：608-610．

[7] 王越之，李自俊．橫向各向同性地層地應力的研究[J]．石油學報．1999，20(1)．

[8] 崔思華，班凡生，袁光杰．頁巖氣鉆完井技術現(xiàn)狀及難點分析[J]．天然氣工業(yè)，20ll，31(4)：72-75．

[9] 張德軍．四川油氣田頁巖氣水平井鉆完井技術[EB／OL]．

(2011-06-18)[2012-05-01]．http：//WWW．cuog．cn／bbs／forum-6-1．html．

[10] 黃榮樽，莊錦江．一種新的地層破裂壓力預測方法[J]．石油鉆采工藝，l986，8(3)：1-3．

[11] 樓一珊，金業(yè)權．巖石力學與石油工程[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2006：84．

[12] JAEGER J C，COOK N G W．巖石力學基礎[M]．中國科學院工程力學研究所，譯．北京：科學出版社，1981：80-84．

[13] MCLAMORE R T，GRAY K E．A strength criterion for anisotropic rocks based upon experimental observations[C]//paper l721-MS presented at the Annual Meeting of the American Institute of Mining，Metallurgical，and Petroleum Engineers，19-23 February l967，Los Angeles．California，USA．New York：SPE，1967．