劉景濤，張 文，于 洋，丁 乙，梁利喜

(1.中國石化西北油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011； 2.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

0 引言

火成巖是指在高溫的條件下由巖漿或熔巖流冷凝結(jié)晶而成的巖石[1-2]。針對(duì)鉆井工程而言，常發(fā)生井壁失穩(wěn)的火成巖多為玄武巖、英安巖和輝綠巖地層[3]。目前國內(nèi)塔河、冀東、大港油田都鉆遇不同類型火成巖地層，均出現(xiàn)坍塌掉塊、卡鉆等井下復(fù)雜情況，造成鉆井周期延長，限制了油氣田的高效開發(fā)。針對(duì)火成巖地層井壁失穩(wěn)問題，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了一定研究。丁銳等[4]、馮京海等[5]對(duì)冀東油田館陶組失穩(wěn)的火成巖地層的研究表明，玄武巖、凝灰?guī)r地層黏土礦物含量較高，是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的主要原因之一；考慮到水敏性黏土礦物影響，朱寬亮等[6]、徐小峰等[7]從抑制水化角度出發(fā)，形成含有不同抑制劑的鉆井液來提升火成巖地層井壁穩(wěn)定性；李金鎖等[8]對(duì)塔河油田二疊系玄武巖的坍塌、漏失機(jī)理作了分析，認(rèn)為力學(xué)軟弱面的存在是導(dǎo)致該類地層井壁垮塌的主要因素。

目前，對(duì)火成巖地層井壁穩(wěn)定性分析仍不夠深入，力學(xué)分析均借助于單一弱面準(zhǔn)則，但火成巖地層裂縫發(fā)育，不僅僅存在一組弱面,普遍采用的單一弱面準(zhǔn)則不再具有適用性?；诖耍疚耐ㄟ^室內(nèi)試驗(yàn)，基于火成巖結(jié)構(gòu)特征，利用摩爾庫倫理論形成多弱面強(qiáng)度理論，結(jié)合井周應(yīng)力分布構(gòu)建坍塌壓力預(yù)測(cè)方法，對(duì)火成巖地層井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 火成巖組構(gòu)特征

本文研究的二疊系火成巖地層為英安巖，黏土含量分布在12.02%～37.80%。在鉆井過程中，水敏性黏土礦物將與鉆井液發(fā)生水化作用，進(jìn)而誘發(fā)井壁失穩(wěn)[9-10]?；鸪蓭r宏觀與微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，火成巖具有結(jié)構(gòu)面，其中大多結(jié)構(gòu)面被其他礦物充填。同時(shí)，火成巖發(fā)育大量微裂縫，該微裂縫將為鉆井液侵入提供通道。進(jìn)一步弱化井壁穩(wěn)定性。綜合微觀結(jié)構(gòu)與組分含量分析，封堵與抑制性能均為該類地層鉆井液設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖1 火成巖結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of igneous rock

2 火成巖力學(xué)強(qiáng)度分析

2.1 火成巖強(qiáng)度理論

針對(duì)弱面影響，目前多采用單一弱面準(zhǔn)則[11-12]。但火成巖弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度高，形成多組弱面相交的情況，單一弱面準(zhǔn)則不再具有適用性。因此，本文以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為依據(jù)，采用疊加原理，建立多弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則。當(dāng)火成巖地層中存在多組結(jié)構(gòu)面，任意1個(gè)結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ滿足式(1)所示關(guān)系：

(1)

式中：σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；β(i)為結(jié)構(gòu)面i法線與最大主應(yīng)力的夾角，(°)；K為巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)面數(shù)量，條。

結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度曲線滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[13]：

τ=cwi+σtanφwi(i=1,2,,K)

(2)

式中：cwi為結(jié)構(gòu)面i的黏聚力，MPa；φwi為結(jié)構(gòu)面i的內(nèi)摩擦角，(°)。

將式(2)帶入式(1)，整理可得多弱面條件下的巖石破壞準(zhǔn)則：

(3)

β(i)的邊界范圍如式(4)所示：

(4)

式中：β1(i)為β(i)的下限值，(°)；β2(i)為β(i)的上限值，(°)。

當(dāng)滿足β1(i)<β(i)<β2(i)，且式(3)成立，則沿弱面破壞；若所有弱面都不滿足以上條件，則巖石沿本體破壞，如下所示：

(5)

式中：c0為巖石基體黏聚力，MPa；φ0為巖石基體內(nèi)摩擦角，(°)；β0為破壞面法線與最大主應(yīng)力夾角，(°)。

2.2 結(jié)構(gòu)面條件下的火成巖強(qiáng)度

基于上述理論方法，對(duì)多弱面條件下的巖石破壞應(yīng)力進(jìn)行分析，不同弱面數(shù)量下火成巖破壞應(yīng)力如圖2所示。由圖2分析可知：當(dāng)火成巖沿弱結(jié)構(gòu)面破壞時(shí)，破壞應(yīng)力明顯下降。隨著弱結(jié)構(gòu)面條數(shù)增加，沿弱結(jié)構(gòu)面破壞范圍增大，表明巖石更易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞。尤其當(dāng)弱結(jié)構(gòu)面數(shù)達(dá)到5條時(shí)，巖石必然沿弱結(jié)構(gòu)面破壞，表明在該條件下，巖石破壞完全取決于弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。

圖2 不同弱面數(shù)量下火成巖破壞應(yīng)力Fig.2 Schematic of multiple weak planes

2.3 多結(jié)構(gòu)面下的巖石破壞方式

根據(jù)多結(jié)構(gòu)面下的強(qiáng)度特征，對(duì)多弱面下的巖石破壞形式進(jìn)行分析，單弱面與多弱面下的火成巖破壞形式如圖3所示。當(dāng)巖石僅存在1條弱面，巖石呈現(xiàn)經(jīng)典單一弱面準(zhǔn)則規(guī)律，弱面傾角為42～71°時(shí)，巖石沿結(jié)構(gòu)面破壞。當(dāng)更多弱面存在時(shí)，由于假設(shè)基體強(qiáng)度不變，當(dāng)弱面增加時(shí)，破壞形式不一定會(huì)發(fā)生變化。弱面傾角位于42°～58°時(shí)，巖石依然沿最初裂縫面破壞，弱面傾角位于16°～42°和78°～90°時(shí)，巖石依然沿基體破壞。由于破壞形式?jīng)]有變化，從而巖石強(qiáng)度不發(fā)生改變。而當(dāng)裂縫角度在0°～16°和58°～77°時(shí)，巖石沿結(jié)構(gòu)面2和結(jié)構(gòu)面3破壞，此時(shí)破壞形式發(fā)生變化，從而影響巖石強(qiáng)度。由此可知，多弱面相互存在，會(huì)共同影響巖石破壞形式，從而改變巖石強(qiáng)度。多弱面的協(xié)同作用與其產(chǎn)狀密切相關(guān)，在一定傾角時(shí)，更多裂縫存在，不會(huì)改變巖石破壞形式，從而對(duì)強(qiáng)度無明顯影響。

圖3 單弱面與多弱面下的火成巖破壞形式Fig.3 Schematic of rock failure with single and multiple weak planes

3 坍塌壓力預(yù)測(cè)方法

基于線彈性、各向同性介質(zhì)理論，通過井眼坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，原地應(yīng)力可轉(zhuǎn)換為井周應(yīng)力分布[14-15]?；诰軕?yīng)力分布，井壁處任1點(diǎn)的主應(yīng)力如下所示：

(6)

式中：σi，σj，σk分別為井壁處任1點(diǎn)的3向主應(yīng)力，MPa；σθz為井壁θz面上切向應(yīng)力，MPa；σθ為井壁周向應(yīng)力，MPa；σz為井壁軸向應(yīng)力，MPa；pi為鉆井液液柱壓力，MPa；pp為隙壓力，MPa。其中，最大主應(yīng)力σ1的作用面與Z軸的夾角γ為：

(7)

最大主應(yīng)力與弱面i法向的夾角β(i)為：

(8)

式中：n為弱面法向的矢量；N為最大主應(yīng)力σ1的方向矢量。二者表達(dá)式如式(9)～(10)所示：

(9)

(10)

4 井壁穩(wěn)定影響因素分析

4.1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

根據(jù)本文坍塌壓力預(yù)測(cè)方法，對(duì)均質(zhì)與單一結(jié)構(gòu)面下的坍塌壓力進(jìn)行分析，如圖4所示。由圖4分析可知：均質(zhì)條件下，坍塌壓力分布呈明顯對(duì)稱性；當(dāng)沿最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí)，坍塌壓力最大，穩(wěn)定性最差；當(dāng)弱面存在時(shí)，坍塌壓力分布變得復(fù)雜，高危區(qū)域與穩(wěn)定區(qū)域交替出現(xiàn)，坍塌壓力數(shù)值明顯增大，井壁穩(wěn)定性降低。

圖4 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)坍塌壓力影響Fig.4 The influence of weak plane occurrence on collapse pressure

4.2 結(jié)構(gòu)面數(shù)量

當(dāng)多組弱面存在時(shí)，地層坍塌壓力分布如圖5所示。由圖5分析可知：隨著裂縫面數(shù)量增加，相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域逐漸減少，高危區(qū)域增加。例如，當(dāng)單一弱面時(shí)，在井斜角50°～65°和方位角180°～255°區(qū)域，坍塌壓力約為1 120 kg/m3，數(shù)值相對(duì)較小。而當(dāng)弱面數(shù)量增大至3條時(shí)，該區(qū)域坍塌壓力明顯上升，升至約為1 250 kg/m3。由此可見，隨著弱結(jié)構(gòu)面數(shù)量增加，坍塌壓力增加，安全鉆井方位逐漸變得狹小，鉆井難度逐步提升。

圖5 多弱面下的地層坍塌壓力Fig.5 Collapse pressure in multiple weak planes condition

4.3 鉆井液作用

鉆井過程中，鉆井液對(duì)巖石影響不容忽視。尤其對(duì)含有水敏性黏土礦物巖石，鉆井液作用后的巖石力學(xué)特征變化是井壁穩(wěn)定分析的重點(diǎn)問題。基于多弱面發(fā)育條件，對(duì)鉆井液作用前后坍塌壓力進(jìn)行分析，如圖6所示。由圖6可知：由于鉆井液作用造成水化效應(yīng)，隨著鉆井時(shí)間增加，坍塌壓力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；鉆井4 d后，坍塌壓力平均增幅為80 kg/m3；高危鉆井區(qū)域明顯增大，表明井壁穩(wěn)定性下降。

圖6 鉆井液作用前后的地層坍塌壓力(3組弱面條件)Fig.6 Influence of drilling fluid on collapse pressure (3 weak planes condition)

5 實(shí)際應(yīng)用

基于本文構(gòu)建模型，對(duì)所選工區(qū)的火成巖地層開展坍塌壓力預(yù)測(cè)分析。巖石力學(xué)參數(shù)與上述試驗(yàn)一致。該井在深度4 507 m處，井斜角約為24°，水平段方位角約為310°。成像測(cè)井資料顯示該深度處明顯有2條天然裂縫。測(cè)井解釋表明，2條天然裂縫傾角分別為20°和35°，走向與水平最大主應(yīng)力夾角分別為60°和42°?；诖耍捎貌煌?jì)算模型，得到不同鉆井時(shí)間下的坍塌壓力分布，如圖7所示。實(shí)際鉆井資料顯示，初始鉆井液密度為1 240 kg/m3，隨著鉆井時(shí)間增加，井下出現(xiàn)掉塊遇阻，從而提升鉆井液密度到1 310 kg/m3，井下復(fù)雜情況減少，從而達(dá)到安全鉆進(jìn)。常規(guī)模型與單一弱面準(zhǔn)則模型得到的坍塌壓力明顯低于實(shí)際鉆井液密度，從而不能穩(wěn)定地層。采用多弱面模型得到的坍塌壓力與實(shí)際鉆井液密度吻合較好，從而證明了該模型的實(shí)用性。

圖7 不同模型下的坍塌壓力Fig.7 Collapse pressure of different models

6 結(jié)論

1)火成巖含一定黏土，在鉆井過程中，黏土礦物將與水接觸發(fā)生水化作用，進(jìn)而誘發(fā)井壁失穩(wěn)。同時(shí)，火成巖發(fā)育大量微觀裂縫，為鉆井液侵入提供通道，加劇水化反應(yīng)。綜合微觀結(jié)構(gòu)與黏土含量分析，封堵與抑制性能均為該類地層鉆井液設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2)火成巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，當(dāng)巖石沿結(jié)構(gòu)面破壞時(shí)，破壞應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降。隨著弱結(jié)構(gòu)面條數(shù)增加，巖石更易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞。尤其當(dāng)弱結(jié)構(gòu)面數(shù)達(dá)到5條時(shí)，巖石必然沿弱結(jié)構(gòu)面破壞，表明在該條件下，巖石破壞完全取決于弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。當(dāng)弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度越低時(shí)，弱結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體整體強(qiáng)度影響越顯著。

3)當(dāng)弱結(jié)構(gòu)面存在時(shí)，火成巖地層坍塌壓力分布變得復(fù)雜，高危區(qū)域與穩(wěn)定區(qū)域交替出現(xiàn)，坍塌壓力數(shù)值明顯增大，安全鉆井方位減小，鉆井難度顯著提升。綜合考慮弱結(jié)構(gòu)面與水化的耦合作用是穩(wěn)定井壁的關(guān)鍵。