吳 超，羅健生，田榮劍 劉 剛，李懷科，張興來(lái) （中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河065201）

泥頁(yè)巖水化對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響

吳 超，羅健生，田榮劍 劉 剛，李懷科，張興來(lái) （中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河065201）

根據(jù)泥頁(yè)巖吸水?dāng)U散系數(shù)測(cè)試方法，在模擬井下溫度和壓力條件下，測(cè)定了現(xiàn)場(chǎng)泥頁(yè)巖巖心在不同鉆井液體系中的吸水率，計(jì)算了泥頁(yè)巖吸水?dāng)U散系數(shù)，并通過(guò)泥頁(yè)巖水化前后巖石彈性模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力及巖石強(qiáng)度的變化，揭示了鉆井液在泥頁(yè)巖地層中的滲透運(yùn)移規(guī)律，為保證現(xiàn)場(chǎng)正常鉆進(jìn)及井壁穩(wěn)定提供了一定的理論依據(jù)。

泥頁(yè)巖；水化；吸水?dāng)U散系數(shù)；巖石力學(xué)參數(shù)

在鉆井過(guò)程中，經(jīng)常鉆遇到泥頁(yè)巖地層。當(dāng)?shù)貙颖汇@開(kāi)之后，鉆井液和泥頁(yè)巖接觸并使之發(fā)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，造成井壁坍塌或縮徑。要評(píng)價(jià)鉆井液抑制性的強(qiáng)弱，僅僅依靠傳統(tǒng)方法——泥頁(yè)巖的滾動(dòng)回收率及膨脹率還不夠全面。尤其對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖，雖然其滾動(dòng)回收率很高，膨脹率也很小，但是現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)時(shí)，若封堵效果不好，經(jīng)常出現(xiàn)巖石剝落掉塊現(xiàn)象。這是由于在地層水化的過(guò)程中，巖石強(qiáng)度和粘聚力等一些力學(xué)參數(shù)發(fā)生了很大的變化。因此，就有必要找出一些合理的參數(shù)來(lái)表征巖石水化前后的性能變化，從而能較為全面地評(píng)價(jià)在鉆遇易水化地層時(shí)發(fā)生的井壁失穩(wěn)及井眼不規(guī)則等問(wèn)題。

1 泥頁(yè)巖吸水?dāng)U散系數(shù)的測(cè)定

泥頁(yè)巖地層被鉆開(kāi)后，離井壁越近，泥頁(yè)巖吸水越多，巖石強(qiáng)度降低程度越大，井壁坍塌的可能性也就越大。但如果鉆井液的抑制性較好，封堵泥頁(yè)巖微裂縫的能力更強(qiáng)，泥頁(yè)巖吸水量就更少，更有利于井壁穩(wěn)定。筆者采用中國(guó)石油大學(xué)研制的泥頁(yè)巖吸水?dāng)U散系數(shù)試驗(yàn)裝置，測(cè)定了渤海A油田現(xiàn)場(chǎng)泥頁(yè)巖巖心在兩種不同鉆井液體系中的吸水量［1］，再通過(guò)泥頁(yè)巖吸水特征方程計(jì)算出其吸水?dāng)U散系數(shù)Cf值。

試驗(yàn)采用的鉆井液有2個(gè)配方，1＃配方：3%海水膨潤(rùn)土漿 ＋Na2CO3＋NaOH＋PAC-HV＋PF-FLOCAT＋XC＋KCl＋PF－JLX＋ 包被劑，采用重晶石加重至密度為1.20g/cm3；2＃配方：1＃配方＋2%成膜封堵劑。

表1 渤海A油田泥頁(yè)巖巖心在不同鉆井液中吸水量

表1是渤海A油田泥頁(yè)巖巖心在2種不同鉆井液中的吸水量試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線對(duì)比見(jiàn)圖1，巖心在不同鉆井液中吸水?dāng)U散系數(shù)見(jiàn)表2。

在試驗(yàn)條件下，泥頁(yè)巖水化僅沿軸向向前延伸，為一維傳播。此時(shí)泥頁(yè)巖吸附水的特征方程可寫為：其邊界條件為：

式中，Cf為泥頁(yè)巖的吸水?dāng)U散系數(shù)，cm2/h；W為泥頁(yè)巖的含水量，%；x為距井壁的距離，cm；Ws為泥頁(yè)巖的飽和含水量，%；W0為泥頁(yè)巖的初始含水量，%；t為吸水時(shí)間，h。

圖1 泥頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)巖樣（在1＃配方鉆井液中）水吸附曲線擬合圖

方程（1）的解為：

式中，erfc（）為誤差補(bǔ)償函數(shù)。

根據(jù)最小二乘法把式（2）與表1中的實(shí)測(cè)水吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即可求得泥頁(yè)巖的吸水?dāng)U散系數(shù)Cf。

根據(jù)表1中1＃配方鉆井液試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用迭代方法計(jì)算得到吸水?dāng)U散系數(shù)為：Cf＝0.0188cm2/h。

把W0、Ws、t和Cf等值代入式（2），得到標(biāo)準(zhǔn)泥頁(yè)巖巖樣的水吸附擬合方程為：

從圖1可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線相關(guān)性較好，表明試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法正確。

表2結(jié)果表明，對(duì)于渤海A油田泥頁(yè)巖巖心，在不同的鉆井液中吸水?dāng)U散系數(shù)是不同的，其中在清水中的吸水?dāng)U散系數(shù)最大，在2＃配方鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)最小。

依據(jù)上述方法，還測(cè)定了渤海B油田C1井、C2井泥頁(yè)巖巖心在不同鉆井液中的吸水量，并計(jì)算了泥頁(yè)巖的吸水?dāng)U散系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 渤海A油田泥頁(yè)巖巖心在不同鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)

表3 渤海B油田巖心在不同鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)

表3結(jié)果表明，不同的巖心在同一種鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)是不同的；同一井位巖心在不同鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)也不同，在加有成膜封堵劑的2＃配方鉆井液中巖心吸水?dāng)U散系數(shù)小于未加封堵劑的1＃配方鉆井液的吸水?dāng)U散系數(shù)。

為了對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，還進(jìn)行了滲透封堵試驗(yàn)評(píng)價(jià)，即PPA（Permeability Plugging Apparatus）試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)2種鉆井液的封堵效果，測(cè)試結(jié)果表明，加有成膜封堵劑的2＃配方鉆井液，PPA沙盤漏失量較小，說(shuō)明2＃配方鉆井液封堵效果較1＃配方鉆井液好。這與泥頁(yè)巖在鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)測(cè)定結(jié)果相互印證。

2 井眼周圍泥頁(yè)巖地層吸水隨時(shí)間的變化規(guī)律

將測(cè)得的渤海A油田泥頁(yè)巖巖心的吸水?dāng)U散系數(shù)代入吸水?dāng)U散方程，可以計(jì)算出井眼周圍泥頁(yè)巖地層吸水后不同時(shí)間的含水量，見(jiàn)圖2。圖3為吸水?dāng)U散系數(shù)與濾液侵入的極限深度的關(guān)系曲線。

從圖2可知：①當(dāng)泥頁(yè)巖與鉆井液接觸時(shí)，靠近井壁地帶的泥頁(yè)巖吸水量很快達(dá)到飽和值。②當(dāng)時(shí)間一定時(shí)，泥頁(yè)巖的吸水量隨距井眼距離的增加而減小，這樣在井眼周圍的泥頁(yè)巖地層中形成一水化帶，但至一定的距離后，其含水率接近于原始含水量。③在水化帶內(nèi)，當(dāng)距離一定時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)，泥頁(yè)巖的吸水量越多，但到一定時(shí)間后將趨于飽和、趨于穩(wěn)定。

從圖3可知，鉆井液侵入地層的極限深度與吸水?dāng)U散系數(shù)密切相關(guān)，濾液侵入極限深度隨擴(kuò)散系數(shù)增大而增大。這進(jìn)一步說(shuō)明要防止泥頁(yè)巖水化，必須增強(qiáng)鉆井液的抑制性及封堵能力。

圖2 井眼周圍巖石含水量分布規(guī)律

圖3 在不同吸水?dāng)U散系數(shù)下濾液侵入的極限深度

3 水化對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)及鉆井液密度的影響

巖石力學(xué)參數(shù)包括巖石的彈性模量、泊松比、粘聚力及內(nèi)摩擦角等。當(dāng)泥頁(yè)巖發(fā)生水化后，這些巖石力學(xué)參數(shù)均會(huì)發(fā)生較大的變化。為了全面地評(píng)價(jià)在鉆遇易水化地層時(shí)發(fā)生的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，利用高溫高壓三軸巖石強(qiáng)度試驗(yàn)裝置測(cè)定了在不同含水量下泥頁(yè)巖的強(qiáng)度，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算了巖心的彈性模量；同時(shí)還測(cè)定了巖心在不同圍壓條件下，在鉆井液中浸泡前后巖石的強(qiáng)度，并利用摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則，計(jì)算了泥頁(yè)巖巖心水化前后的粘聚力及內(nèi)摩擦角［2］，以找出泥頁(yè)巖水化后對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)及鉆井液密度的影響規(guī)律。

圖4為泥頁(yè)巖不同含水量下的彈性模量；表4為水化前后巖心的粘聚力及內(nèi)摩擦角。

圖4 含水量對(duì)泥頁(yè)巖彈性模量的影響

表4 現(xiàn)場(chǎng)泥巖巖心粘聚力和內(nèi)摩擦角的測(cè)定結(jié)果

從圖4可知，泥頁(yè)巖彈性模量隨含水量的增加而減??；表4表明，在鉆井液中浸泡36h后，巖心的抗壓強(qiáng)度、粘聚力及內(nèi)摩擦角均比未浸泡的巖心降低了。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的泥頁(yè)巖，根據(jù)聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)試驗(yàn)所測(cè)得的地應(yīng)力，算出了構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，算出了不同層位的地應(yīng)力；根據(jù)摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則及破裂準(zhǔn)則［3］，算出了泥頁(yè)巖巖心水化前后鉆井液的坍塌壓力和破裂壓力所對(duì)應(yīng)的密度（計(jì)算步驟不在此贅述）。其結(jié)果見(jiàn)表5及圖5。

表5 現(xiàn)場(chǎng)泥頁(yè)巖水化前后坍塌壓力和破裂壓力所對(duì)應(yīng)的密度

圖5 現(xiàn)場(chǎng)泥頁(yè)巖水化前后安全鉆井液密度窗口

從表5可知，泥頁(yè)巖水化后，井壁坍塌壓力所對(duì)應(yīng)的密度增加了0.11g/cm3，而破裂壓力所對(duì)應(yīng)的密度卻減少了0.12g/cm3。圖5的結(jié)果表明，由于水化后巖石的粘聚力減小，其強(qiáng)度減弱，從而使得鉆井液安全密度窗口變小。

4 結(jié) 論

1）在模擬井下溫度和壓力的條件下，測(cè)定了泥頁(yè)巖在不同鉆井液中的吸水量，求出了泥頁(yè)巖在不同鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)。

2）不同的泥頁(yè)巖，在同一種鉆井液中的吸水?dāng)U散系數(shù)不同，越容易水化的泥頁(yè)巖，其吸水?dāng)U散系數(shù)越大。

3）鉆井液濾液在井壁附近的運(yùn)移規(guī)律與吸水?dāng)U散系數(shù)密切相關(guān)，鉆井液封堵性越好，泥頁(yè)巖吸水?dāng)U散系數(shù)越小，濾液侵入地層的深度越小，因此吸水?dāng)U散系數(shù)是體現(xiàn)鉆井液性能與泥頁(yè)巖地層相互作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)。

4）泥頁(yè)巖水化后，彈性模量、粘聚力及內(nèi)摩擦角均減小，從而導(dǎo)致了井壁坍塌壓力所對(duì)應(yīng)的密度增加，破裂壓力所對(duì)應(yīng)的密度減小，鉆井液安全密度窗口變小。

［1］鄧金根，程遠(yuǎn)方，陳勉，等.井壁穩(wěn)定預(yù)測(cè)技術(shù) ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］Stephen Edwards，Bruce Matsutsuyu，Steve Willson.Imaging unstable wellbores while drilling ［J］.SPE79846，2003.

［3］鄧金根，張洪生.鉆井工程中井壁失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.

The Effect of Mud-shale Hydration on Rock Mechanic Parameters

WU Chao，LUO Jian-sheng，TIAN Rongj-ian，LIU Gang，LI Huai-ke，ZHANG Xingl-ai（Authors'Address：Oilfield Chemicals，China Offshore Oilfield Services Limited，Sanhe 065201，Hebei，China）

On the basis of detecting method of mud-shale absorption and diffusion and by simulation of down-hole temperature and pressure，the mud-shale absorption ratio in different drilling fluids was detected，the mud-shale absorption and diffusion index was calculated.In addition the core's elasticity modulus，its internal friction angle，adhesive power and core intensity before and after its hydration were studied，the law of drilling fluid pervasion and immigration in formation was presented.It provides theoretical reference for successful operation of drilling fluid and wall sloughing.

mud-shale；hydration；absorption-diffusion index；rock mechanic parameter

TE242

A

1000-9752（2012）04-0147-04

2012-01-10

吳超（1958-），男，1982年西南石油學(xué)院畢業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鉆井工程、隨鉆測(cè)井、導(dǎo)向鉆井、物探采集設(shè)備、油田化學(xué)及深海油氣開(kāi)發(fā)等相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作。

［編輯］ 蘇開(kāi)科