李鄭濤，張 震，吳鵬程，馬天壽 ，付建紅

1.中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院，四川 成都 610051；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

由于水平井和分段水力壓裂技術(shù)的突破與大規(guī)模應(yīng)用，美國(guó)在全球掀起了一場(chǎng)“頁(yè)巖氣革命”，對(duì)國(guó)際天然氣市場(chǎng)及世界能源格局產(chǎn)生了重大影響[1-2]。中國(guó)頁(yè)巖氣資源非常豐富，根據(jù)2015 年國(guó)土資源部資源評(píng)價(jià)最新結(jié)果，中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量約134.00×1012m3、技術(shù)可采資源量21.80×1012m3[2-4]?！笆濉逼陂g，中國(guó)石油、中國(guó)石化借鑒北美成功經(jīng)驗(yàn)，在四川盆地及其周沿開(kāi)展了頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)，在四川盆地下古生界五峰組–龍馬溪組取得了重要發(fā)現(xiàn)，并取得了3 500 m 以內(nèi)海相頁(yè)巖氣鉆完井與壓裂改造關(guān)鍵技術(shù)的突破，使中國(guó)成為北美洲之外第一個(gè)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣規(guī)?；虡I(yè)開(kāi)發(fā)的國(guó)家[5-9]。四川盆地頁(yè)巖氣資源量約27.50×1012m3、可采資源量約4.42×1012m3，均居全國(guó)第一，是中國(guó)頁(yè)巖氣資源最豐富、開(kāi)發(fā)最現(xiàn)實(shí)的地區(qū)[2]。然而，四川盆地埋深超過(guò)3 500 m的深層頁(yè)巖氣占比高達(dá)86%，這部分頁(yè)巖氣資源能否有效開(kāi)發(fā)將直接影響頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)規(guī)模[6-8]。與3 500 m 以內(nèi)的淺頁(yè)巖氣相比，深層頁(yè)巖氣水平井鉆井面臨極大挑戰(zhàn)，其中，井壁垮塌是最為突出的問(wèn)題之一[8-11]。以四川盆地瀘州區(qū)塊為例，頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深普遍介于3 500～5 000 m，受多期次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，頁(yè)巖儲(chǔ)層溫度和壓力更高、地應(yīng)力更加復(fù)雜、層理和裂縫更加發(fā)育，致使該區(qū)塊頁(yè)巖水平井鉆井難度大，即使采用防塌性能較好的油基鉆井液，深層頁(yè)巖井壁垮塌問(wèn)題依舊十分突出，卡鉆、埋鉆等井下復(fù)雜事故頻發(fā)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具埋鉆、井眼報(bào)廢，造成了巨額的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重制約了瀘州區(qū)塊深層頁(yè)巖氣安全、經(jīng)濟(jì)、高效開(kāi)發(fā)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)3 500 m 以內(nèi)頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理開(kāi)展了大量研究，研究焦點(diǎn)集中于頁(yè)巖強(qiáng)度各向異性、鉆井液與頁(yè)巖物理化學(xué)耦合作用等多個(gè)方面[12-19]，而實(shí)際地層往往同時(shí)具備彈性和強(qiáng)度各向異性特征。針對(duì)彈性各向異性井壁穩(wěn)定問(wèn)題，Aadn?y 等[20-22]利用各向異性介質(zhì)平面孔口問(wèn)題應(yīng)力復(fù)變函數(shù)解，建立了彈性各向異性介質(zhì)井壁穩(wěn)定力學(xué)模型；此后，Ong 等[23-28]相繼采用類似方法分析了各向異性彈性介質(zhì)中井壁應(yīng)力、坍塌壓力及井壁穩(wěn)定案例。針對(duì)強(qiáng)度各向異性井壁穩(wěn)定問(wèn)題，金衍等[29-31]建立了具有彈性各向同性和強(qiáng)度各向異性地層的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型，此后，Lu 等[32-38]進(jìn)一步考慮了頁(yè)巖強(qiáng)度劣化、壓力傳遞、力-化耦合等因素對(duì)井壁穩(wěn)定的影響。然而，對(duì)于系統(tǒng)考慮彈性和強(qiáng)度各向異性地層井壁穩(wěn)定的研究工作相對(duì)較少，Liu 等[39-44]綜合考慮彈性和強(qiáng)度各向異性開(kāi)展了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水平井井壁穩(wěn)定研究。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的機(jī)理開(kāi)展了大量研究，尤其是彈性各向異性介質(zhì)井壁穩(wěn)定、強(qiáng)度各向異性介質(zhì)井壁穩(wěn)定兩方面。但是，一方面，現(xiàn)有研究對(duì)于綜合考慮彈性和強(qiáng)度各向異性的研究工作尚不深入；另一方面，現(xiàn)有研究主要針對(duì)3 500 m 以內(nèi)的中淺層頁(yè)巖氣，對(duì)于深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)機(jī)理研究不深入。因此，在深入研究川南深層頁(yè)巖各向異性力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，分析了川南深層頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖石結(jié)構(gòu)特征和地應(yīng)力特征；進(jìn)一步，針對(duì)深層各向異性頁(yè)巖地層建立了井壁坍塌壓力模型，并分析了川南深層頁(yè)巖井壁坍塌壓力變化規(guī)律。本文研究結(jié)果揭示了深層各向異性頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制，可用于指導(dǎo)川南深層頁(yè)巖水平井鉆井設(shè)計(jì)和井壁垮塌的預(yù)防。

1 深層頁(yè)巖各向異性巖石力學(xué)特性

1.1 單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

為明確川南深層頁(yè)巖力學(xué)各向異性特征，采集L20X 井龍馬溪頁(yè)巖井下巖芯，由于井下巖芯數(shù)量有限、傳統(tǒng)方法制備樣品成功率低，采用線切割制樣方法，根據(jù)頁(yè)巖層理面分別沿著0、45°、60°、90°方向制備φ25 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣（圖1），對(duì)樣品兩端切平、磨光，使巖樣的長(zhǎng)徑比為2 左右，要求試樣上下端面平行度控制在±0.05 mm 以內(nèi)，外表面平整度控制在±0.03 mm，每個(gè)角度下制備樣品2～3 個(gè)。然后，采用GCTS–1000 型三軸巖石力學(xué)系統(tǒng)，開(kāi)展單軸壓縮和三軸壓縮測(cè)試，測(cè)試加載方式為位移控制加載，加載速率為0.03 mm/min，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

圖1 單軸和三軸壓縮測(cè)試樣品制備示意圖Fig.1 Sample preparation for uniaxial and triaxial compression tests

由表1 可見(jiàn)，取樣角度60°頁(yè)巖樣品的強(qiáng)度（應(yīng)力差）最低，取樣角度45°頁(yè)巖樣品的強(qiáng)度略高，而取樣角度90°（垂直于層理面）頁(yè)巖的強(qiáng)度最高，取樣角度0（平行于層理面）頁(yè)巖的強(qiáng)度略低于取樣角度90°頁(yè)巖樣品；隨著取樣角度的增加，彈性模量整體上逐漸增加，即取樣角度90°頁(yè)巖的彈性模量最高、取樣角度0 頁(yè)巖的彈性模量最低；這些特征都充分說(shuō)明該頁(yè)巖呈現(xiàn)出顯著的各向異性力學(xué)特征。

表1 單軸和三軸壓縮測(cè)試測(cè)試結(jié)果Tab.1 Uniaxial and triaxial compression testing results

單軸壓縮和三軸壓縮測(cè)試樣品破壞模式照片如圖2 所示。由圖2 可見(jiàn)，單軸壓縮條件下，取樣角度90°（垂直于層理面）和取樣角度0（平行于層理面）頁(yè)巖樣品的破壞模式主要是劈裂式破壞，而取樣角度45°頁(yè)巖樣品的破壞模式為劈裂破壞與沿層理面剪切破壞的復(fù)合模式，取樣角度60°頁(yè)巖樣品的破壞模式為沿層理面的剪切破壞；三軸壓縮條件下，取樣角度0 和90°頁(yè)巖樣品的破壞模式為頁(yè)巖基質(zhì)的剪切破壞，而取樣角度45°和60°頁(yè)巖樣品的破壞模式為沿層理面的剪切破壞。

圖2 單軸和三軸壓縮測(cè)試破壞模式Fig.2 Failure modes of uniaxial and triaxial compression testing

1.2 頁(yè)巖各向異性彈性參數(shù)確定

考慮到頁(yè)巖屬硬脆性巖石，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較強(qiáng)的彈性，且具有顯著的各向異性。因此，可將頁(yè)巖假設(shè)為橫觀各向同性孔彈性介質(zhì)，則橫觀各向同性孔彈性介質(zhì)的彈性本構(gòu)方程可表示為[45]

于是，根據(jù)式（2）～式（4），結(jié)合表1 所示的川南深層頁(yè)巖單軸巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，該頁(yè)巖的彈性參數(shù)為：Eh=18.92 GPa，Ev=11.18 GPa，vh=0.139，vv=0.378，Gh=8.31 GPa，Gv=5.49 GPa。

1.3 頁(yè)巖各向異性強(qiáng)度參數(shù)確定

根據(jù)頁(yè)巖單軸和三軸壓縮測(cè)試結(jié)果，川南深層頁(yè)巖呈現(xiàn)出顯著的各向異性強(qiáng)度特征。如果采用傳統(tǒng)的各向同性摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則表征這種頁(yè)巖的強(qiáng)度，將無(wú)法準(zhǔn)確反映頁(yè)巖強(qiáng)度各向異性特征，而這種各向異性頁(yè)巖的強(qiáng)度可以采用單弱面強(qiáng)度理論進(jìn)行描述。單弱面強(qiáng)度理論假設(shè)巖石中發(fā)育了一條或一組近似平行的軟弱面，該軟弱面法線與最大主應(yīng)力夾角為β，如圖3 所示。

圖3 單弱面強(qiáng)度理論示意圖[46-47]Fig.3 The diagram of single weak-plane strength theory[46-47]

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)軟弱層理面的強(qiáng)度，將發(fā)生層理弱面的剪切滑移破壞；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石基質(zhì)的強(qiáng)度，將發(fā)生巖石基質(zhì)的剪切破壞。層理面剪切滑移破壞和基質(zhì)剪切破壞條件為[46-47]

由式（5）可見(jiàn)：當(dāng)β=π/2 時(shí)，σ1→∞；當(dāng)β=φw時(shí)，σ1→∞；說(shuō)明這兩種典型情況不可能發(fā)生層理弱面的剪切破壞。事實(shí)上，當(dāng)取樣夾角β1≤β ≤β2的情況下，才會(huì)發(fā)生層理弱面的剪切破壞；而當(dāng)取樣夾角β<β1或β>β2的情況下，并不會(huì)發(fā)生層理弱面的剪切破壞。

根據(jù)頁(yè)巖單軸和三軸壓縮測(cè)試結(jié)果，利用網(wǎng)格搜索法獲得的頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)[40]，計(jì)算不同圍壓下理論強(qiáng)度，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 頁(yè)巖各向異性強(qiáng)度參數(shù)網(wǎng)格搜索結(jié)果Fig.4 The grid search results of shale anisotropic strength parameters

圖4 中，頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)獲取方法如下：對(duì)取樣角度0 和90°頁(yè)巖樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格搜索計(jì)算[40]，得到最佳基質(zhì)黏聚力和最佳基質(zhì)內(nèi)摩擦角分別為13.00 MPa 和39.50°。對(duì)取樣角度45°和60°頁(yè)巖樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格搜索計(jì)算[40]，得到層理最佳黏聚力和最佳內(nèi)摩擦角分別為11.10 MPa 和28.50°。

由圖4 可見(jiàn)，不同角度下頁(yè)巖強(qiáng)度存在顯著差異，尤其是取樣夾角40°～75°情況下，取樣夾角60°情況下頁(yè)巖強(qiáng)度最低，不同取樣夾角下頁(yè)巖實(shí)測(cè)強(qiáng)度與理論計(jì)算強(qiáng)度間整體誤差較小，理論計(jì)算強(qiáng)度精度能夠滿足工程需求。

2 川南深層頁(yè)巖結(jié)構(gòu)特征地應(yīng)力

2.1 頁(yè)巖宏觀結(jié)構(gòu)特征

川南深層頁(yè)巖巖性復(fù)雜、質(zhì)地硬脆、層理發(fā)育、應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，使得該頁(yè)巖巖石中廣泛發(fā)育頁(yè)巖層理（頁(yè)理）和裂縫等軟弱結(jié)構(gòu)面[48]，這些結(jié)構(gòu)面的存在及其產(chǎn)狀對(duì)頁(yè)巖力學(xué)特征具有重要控制作用，進(jìn)而直接影響井壁穩(wěn)定。為了分析川南深層頁(yè)巖結(jié)構(gòu)特征，收集了L20X 井井下取芯巖樣和成像測(cè)井資料，如圖5 所示給出了龍一2 亞段、龍一1 亞段和五峰組等3 個(gè)典型層位的成像測(cè)井解釋結(jié)果。

圖5 L20X 井龍馬溪–五峰組不同井段成像測(cè)井解釋結(jié)果Fig.5 Imaging log interpretation of different intervals of Longmaxi–Wufeng shale in Well L20X

由圖5 可見(jiàn)，龍一2 亞段、龍一1 亞段和五峰組均發(fā)育了大量低角度層理面，其中，龍一2 亞段發(fā)育了少量中–高角度充填裂縫。這類軟弱層理、裂隙的存在會(huì)直接影響頁(yè)巖強(qiáng)度，并導(dǎo)致頁(yè)巖巖石強(qiáng)度表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性特征，進(jìn)而直接影響頁(yè)巖水平井井壁穩(wěn)定性，而中–高角度充填裂縫對(duì)井壁穩(wěn)定的影響相對(duì)較小，因此，可以判斷川南深層頁(yè)巖各向異性主要受頁(yè)巖層理控制，并假設(shè)該地層為橫觀各向同性介質(zhì)。

通過(guò)對(duì)成像測(cè)井資料的統(tǒng)計(jì)分析，得到L20X井龍馬溪–五峰組頁(yè)巖地層中層理面傾角為5°～15°、傾向?yàn)镹E110°～NE120°，如圖6 所示。

圖6 L20X 井龍馬溪–五峰組頁(yè)巖層理產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.6 Bedding occurrence statistical results of Longmaxi–Wufeng shale in Well L20X

2.2 頁(yè)巖地應(yīng)力測(cè)試

地應(yīng)力是井壁穩(wěn)定分析的重要基礎(chǔ)參數(shù)，主要包括地應(yīng)力的大小和方向，即水平最大主應(yīng)力σH、水平最小主應(yīng)力σh、垂向應(yīng)力σv以及水平最大主應(yīng)力方位。垂向應(yīng)力由重力構(gòu)成，水平應(yīng)力主要由重力和構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)成[49]。地應(yīng)力的獲取方法很多，主要分為以Kaiser 效應(yīng)為代表的室內(nèi)巖芯測(cè)試技術(shù)和以測(cè)井資料解釋為代表的現(xiàn)場(chǎng)獲取技術(shù)兩大類。本文利用Kaiser 效應(yīng)聲發(fā)射測(cè)試和黏滯剩磁方法，測(cè)定了川南深層頁(yè)巖的地應(yīng)力大小和方位。Kaiser效應(yīng)聲發(fā)射測(cè)定地應(yīng)力大小的原理[13]：利用了巖石的加載記憶特性，在單調(diào)增加應(yīng)力作用下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到過(guò)去已施加過(guò)的最大應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射將明顯增加，可以利用這一特性來(lái)測(cè)量原地應(yīng)力大??；黏滯剩磁測(cè)定地應(yīng)力方位的原理[50]：由于巖石形成過(guò)程中，所含鐵磁性礦物受地磁場(chǎng)影響，會(huì)順著地磁場(chǎng)方向發(fā)生磁化，在長(zhǎng)期熱作用影響下，原來(lái)已經(jīng)定向排列的磁性將松弛到現(xiàn)今地磁場(chǎng)方向（稱為黏滯剩磁），可利用分級(jí)加熱的方法使樣品中黏滯剩磁逐步退去，分離出黏滯剩磁所指示的正北方向，從而確定水平最大主應(yīng)力的方向。川南深層頁(yè)巖地應(yīng)力大小和方位的測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 川南深層L20X 井龍馬溪–五峰組頁(yè)巖地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Tab.2 In-situ stress testing results of deep Longmaxi–Wufeng shale in Well L20X of Southern Sichuan

由表2 可見(jiàn)：水平最大主應(yīng)力為114.69～117.23 MPa、水平最小主應(yīng)力為93.79～94.57 MPa、垂向地應(yīng)力為108.42～112.81 MPa。此外，根據(jù)L20X 井龍馬溪–五峰組頁(yè)巖地層偶極橫波測(cè)井和FMI 成像測(cè)井資料，如圖7 所示，偶極橫波各向異性指示的最大水平主應(yīng)力方位為NE90°～NE100°，井壁崩落方位為20°和200°，即井壁崩落指示的最大水平主應(yīng)力為N100°E，而黏滯剩磁測(cè)試的水平最大地應(yīng)力方位為NE92°～NE98°，說(shuō)明水平最大地應(yīng)力方位為NE90°～NE100°。

圖7 L20X 井龍馬溪–五峰組頁(yè)巖地應(yīng)力方位測(cè)井解釋Fig.7 Logging interpretation of in-situ stress of Longmaxi–Wufeng shale in Well L20X

3 各向異性頁(yè)巖井壁坍塌壓力模型

3.1 井壁應(yīng)力分布模型

考慮到頁(yè)巖屬硬脆性巖石，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較強(qiáng)的彈性，且具有顯著的各向異性，因此，可將頁(yè)巖假設(shè)為橫觀各向同性介質(zhì)。

一旦井眼被鉆開(kāi)，井周應(yīng)力將發(fā)生二次分布，為了準(zhǔn)確計(jì)算橫觀各向同性介質(zhì)中井周應(yīng)力分布，需要進(jìn)行必要的坐標(biāo)變換，此處涉及4 個(gè)坐標(biāo)系（圖8）：大地直角坐標(biāo)系(X，Y，Z)、地層直角坐標(biāo)系(xw，yw，zw)、地應(yīng)力直角坐標(biāo)系(xs，ys，zs)、井眼直角坐標(biāo)系(xb，yb，zb)。

圖8 參考坐標(biāo)系[45]Fig.8 Reference coordinate system[45]

當(dāng)井眼鉆開(kāi)后，井周應(yīng)力將發(fā)生二次分布，二次分布應(yīng)力與原地應(yīng)力、井筒壓力密切相關(guān)[51-52]，包含3個(gè)分量：井眼鉆開(kāi)前作用的原地應(yīng)力分量、井眼形成所引起的應(yīng)力分量、井壁流體壓力引起的應(yīng)力分量[20-27]。其中，井眼鉆開(kāi)前作用的原地應(yīng)力分量通過(guò)坐標(biāo)變換進(jìn)行求解，即將原地應(yīng)力轉(zhuǎn)換至井眼直角坐標(biāo)系；另外兩個(gè)分量則采用Aadn?y等[20-21]推導(dǎo)的解析公式求解；最后，將3 個(gè)應(yīng)力分量進(jìn)行線性疊加，即可得到橫觀各向同性介質(zhì)中井眼直角坐標(biāo)系下的井周應(yīng)力分布模型[23-27]

為了便于坍塌壓力的計(jì)算和求解，要先計(jì)算出井眼圓柱坐標(biāo)下應(yīng)力分量，根據(jù)圖8 所示坐標(biāo)關(guān)系，通過(guò)轉(zhuǎn)軸公式變換，可以得圓柱坐標(biāo)下井壁應(yīng)力分量為[27]

式中：σr，σθ，σz，τrθ，τθz，τrz–井眼圓柱坐標(biāo)下井壁應(yīng)力分量，MPa；

θ–井周角，（°）。

3.2 坍塌壓力計(jì)算方法

為了判斷井壁應(yīng)力是否超過(guò)頁(yè)巖強(qiáng)度，通常，需要獲得井壁處的最大、最小主應(yīng)力，根據(jù)井壁應(yīng)力狀態(tài)分析，可以得到最大、最小主應(yīng)力分別為

得到井壁最大、最小主應(yīng)力后，即可結(jié)合各向異性強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行井壁穩(wěn)定性計(jì)算。由于頁(yè)巖中層理弱面的存在，需要根據(jù)井眼軌跡、層理產(chǎn)狀、最大主應(yīng)力與井眼軸線夾角等進(jìn)行綜合計(jì)算，判別井壁頁(yè)巖是發(fā)生弱面破壞還是發(fā)生本體破壞，井壁最大主應(yīng)力與層理面法向夾角為[13-14]

式（10）中，nnn、NNN的表達(dá)式見(jiàn)式（11）。

若由式（10）計(jì)算得到的夾角滿足β1≤β ≤β2，則將式（8）計(jì)算出的井壁最大、最小主應(yīng)力代入式（5）進(jìn)行井壁穩(wěn)定性判別，通過(guò)求解含pw的非線性方程即可得到沿層理破壞的臨界坍塌壓力；若由式（10）計(jì)算得到的夾角不滿足β1≤β ≤β2，則將式（8）計(jì)算出的井壁最大、最小主應(yīng)力代入式（5）進(jìn)行井壁穩(wěn)定性判別，通過(guò)求解含pw的非線性方程即可得到頁(yè)巖本體破壞的臨界坍塌壓力。

4 川南深層頁(yè)巖井壁坍塌壓力分析

對(duì)于川南深層頁(yè)巖而言，其坍塌壓力與地層產(chǎn)狀、井眼軌跡、頁(yè)巖巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力狀況、孔隙壓力條件等密切相關(guān)。為了分析各向異性特征對(duì)川南深層頁(yè)巖坍塌失穩(wěn)規(guī)律的影響，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計(jì)算了各向同性、彈性各向異性、彈性和強(qiáng)度各向異性3 種條件下的坍塌壓力當(dāng)量密度，所用基礎(chǔ)參數(shù)如下：垂直深度4 300 m、垂向地應(yīng)力110 MPa、水平最大地應(yīng)力116 MPa、水平最小地應(yīng)力94 MPa、水平最大地應(yīng)力方位NE100°、地層孔隙壓力82 MPa、Biot 系數(shù)0.5、泊松比0.25、孔隙度5%、巖石本體內(nèi)聚力13.0 MPa、巖石本體內(nèi)摩擦角39.5°、弱面內(nèi)聚力11.1 MPa、弱面內(nèi)摩擦角28.5°、弱面傾角10°、弱面下傾方位115°、井眼直徑21.6 cm、平行層理面彈性模量18.92 GPa、平行層理面泊松比0.139、垂直層理面彈性模量11.18 GPa、垂直層理面泊松比0.378。

4.1 各向同性模型計(jì)算結(jié)果

圖9 展示了各向同性模型計(jì)算的坍塌壓力半球投影圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在各向同性條件下，坍塌壓力半球投影圖沿地應(yīng)力方向近似對(duì)稱分布，且坍塌壓力當(dāng)量密度等高線中心位于半球投影中心。坍塌壓力在井斜角為0 時(shí)最高，坍塌壓力當(dāng)量密度為1.83 g/cm3；隨著井斜角的增加坍塌壓力逐漸減小，在井斜角為90°時(shí)，某些特定井眼方位下的坍塌壓力當(dāng)量密度為1.70 g/cm3。在井斜角較小時(shí)，井眼方位對(duì)坍塌壓力的影響較?。蝗欢S著井斜角的增加，井眼方位對(duì)坍塌壓力的影響愈加顯著，在井眼方位由最小水平主應(yīng)力偏向最大水平主應(yīng)力的過(guò)程中，坍塌壓力當(dāng)量密度先減小后增大。

圖9 各向同性模型的坍塌壓力半球投影圖Fig.9 Hemisphere projection of collapse pressure with isotropic model

4.2 彈性各向異性模型計(jì)算結(jié)果

圖10 為彈性各向異性模型計(jì)算的坍塌壓力半球投影圖。

圖10 彈性各向異性模型的坍塌壓力半球投影圖Fig.10 Hemisphere projection of collapse pressure with elastic anisotropic model

由圖10 可見(jiàn)，在彈性各向異性條件下，坍塌壓力半球投影圖不再沿地應(yīng)力方向?qū)ΨQ分布，坍塌壓力當(dāng)量密度等高線中心不再位于半球投影中心，而是略微向半球坐標(biāo)系右上方偏移。與各向同性模型類似，彈性各向異性下的坍塌壓力在井斜角0 附近最高，坍塌壓力當(dāng)量密度為1.84 g/cm3；隨著井斜角的增加坍塌壓力逐漸減小，在井斜角為90°時(shí)，某些特定井眼方位下的坍塌壓力當(dāng)量密度為1.70 g/cm3。在井斜角較小時(shí)，井眼方位對(duì)坍塌壓力的影響較小；隨著井斜角的增加，井眼方位對(duì)坍塌壓力的影響愈加顯著。當(dāng)井眼方位平行于最小水平地應(yīng)力方向時(shí)，坍塌壓力最大，在井眼方位由最小水平主應(yīng)力偏向最大水平主應(yīng)力的過(guò)程中，坍塌壓力當(dāng)量密度同樣會(huì)先減小后增大。

4.3 彈性和強(qiáng)度各向異性模型計(jì)算結(jié)果

圖11 為彈性和強(qiáng)度各向異性模型計(jì)算的坍塌壓力半球投影圖。

圖11 彈性和強(qiáng)度各向異性模型的坍塌壓力半球投影圖Fig.11 Hemisphere projection of collapse pressure with elastic and strength anisotropic model

由圖11 可知，當(dāng)同時(shí)考慮巖石彈性和強(qiáng)度各向異性后，坍塌壓力計(jì)算結(jié)果與各向同性模型和彈性各向異性模型相比差異巨大，因此，在分析深層頁(yè)巖坍塌失穩(wěn)行為時(shí)，頁(yè)巖的彈性和強(qiáng)度各向異性不可忽視。當(dāng)同時(shí)考慮彈性和強(qiáng)度各向異性特征后，最高的坍塌壓力并不會(huì)出現(xiàn)在直井中，而是在井眼方位平行于最小水平主應(yīng)力方向的水平井中出現(xiàn)，最大坍塌壓力當(dāng)量密度為1.98 g/cm3。在井眼方位平行于最小水平地應(yīng)力方向附近，坍塌壓力隨著井斜角的增加而增大，而在井眼方位平行于最大水平地應(yīng)力方向附近，坍塌壓力隨井斜角的增加先減小后增大，最小坍塌壓力當(dāng)量密度為1.74 g/cm3。對(duì)于深層頁(yè)巖而言，為了方便后期高效開(kāi)采頁(yè)巖氣，深部頁(yè)巖儲(chǔ)層多采用水平井鉆井，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，不同井眼方位下的水平井坍塌壓力當(dāng)量密度差別較大，因此在實(shí)鉆過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)化井眼軌跡，盡量減小井眼方位變化范圍，以保證整個(gè)水平段鉆井液密度窗口都滿足防塌要求。

4.4 L20X 井實(shí)鉆情況分析

在川南L 井區(qū)實(shí)際鉆井過(guò)程中，L20X 井直井采用密度1.85～2.03 g/cm3的油基鉆井液鉆進(jìn)龍馬溪頁(yè)巖儲(chǔ)層，鉆井液密度與預(yù)測(cè)的坍塌壓力當(dāng)量密度1.84 g/cm3非常接近，未發(fā)生明顯的井壁垮塌、卡鉆、埋鉆等井下復(fù)雜和事故；而L20X 井直改平沿著水平最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)，如圖9～圖11 中黃色圓點(diǎn)所示，鉆進(jìn)至井深4 780 m 上提鉆具準(zhǔn)備接立柱時(shí)，鉆井液密度2.15 g/cm3、鉆井液排量23.6～25.0 L/s、立管壓力21.6～23.7 MPa、大鉤懸重1 000 kN 上升至1 150 kN，發(fā)現(xiàn)鉆具在龍馬溪組頁(yè)巖地層遇卡；為了處理卡鉆事故，反復(fù)上提下放鉆具進(jìn)行解卡，上提大鉤懸重1 150～2 620 kN、下放大鉤懸重304～960 kN，歷時(shí)6 h 反復(fù)上提下放鉆具，最終在上提鉆具懸重2 620 kN 下降至960 kN，成功解卡；經(jīng)過(guò)事后的詳細(xì)分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)L20X 井直改平水平段卡鉆主要是井壁掉塊引起。L20X 井直改平水平段鉆進(jìn)至井深4 780 m，上提鉆具準(zhǔn)備接立柱，發(fā)生井壁掉塊可能的原因主要包括以下3 個(gè)方面。

（1）井底出現(xiàn)了較為顯著的抽汲壓力，盡管鉆井液密度為2.20 g/cm3，但由于油基鉆井液黏度大，上提鉆柱導(dǎo)致井底產(chǎn)生了4～6 MPa的抽汲壓力，此時(shí)井底有效鉆井液當(dāng)量密度約為2.01 g/cm3，僅略微高于地層坍塌壓力1.98 g/cm3，說(shuō)明本文預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

（2）各向異性頁(yè)巖井壁坍塌壓力模型并未考慮鉆井液物理化學(xué)作用的影響，計(jì)算的地層坍塌壓力1.98 g/cm3可能偏低，而井底有效鉆井液當(dāng)量密度約為2.01 g/cm3，這可能是發(fā)生井壁掉塊卡鉆的重要原因。

（3）鉆柱上穩(wěn)定器、鉆頭等異徑接頭部位對(duì)井壁局部巖石產(chǎn)生了明顯的物理刮拉，由于抽汲壓力已經(jīng)使得井底有效鉆井液當(dāng)量密度顯著降低，此時(shí)，在鉆柱異徑接頭部位物理刮拉的作用下，極容易發(fā)生井壁局部掉塊，并卡在鉆柱上穩(wěn)定器、鉆頭等異徑接頭部位，從而誘發(fā)卡鉆事故，這可能是發(fā)生井壁掉塊卡鉆的重要原因。

因此，為了預(yù)防井壁垮塌、卡鉆等井壁失穩(wěn)事故，應(yīng)該注意采用合理的鉆井液密度、重視鉆井液的物理封堵性能、加強(qiáng)鉆井操作精細(xì)化管理。

5 結(jié)論

（1）開(kāi)展了川南深層龍馬溪頁(yè)巖單軸、三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，明確了深層頁(yè)巖各向異性力學(xué)特性，確定了川南深層頁(yè)巖的各向異性彈性和強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果表明，不同角度下頁(yè)巖強(qiáng)度差異顯著，取樣夾角60°時(shí)頁(yè)巖強(qiáng)度最低，三軸壓縮條件下試樣破壞模式包括基質(zhì)剪切破壞和沿層理剪切破壞兩類，頁(yè)巖各向異性彈性參數(shù)（Eh=18.92 GPa，Ev=11.18 GPa，vh=0.139，vv=0.378，Gh=8.31 GPa，Gv=5.49 GPa），頁(yè)巖各向異性強(qiáng)度參數(shù)：最佳基質(zhì)黏聚力13.00 MPa，最佳基質(zhì)內(nèi)摩擦角39.50°、最佳層理黏聚力11.10 MPa、最佳層理內(nèi)摩擦角28.50°。

（2）通過(guò)成像測(cè)井資料分析了川南深層頁(yè)巖層理產(chǎn)狀，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和測(cè)井資料確定了川南深層頁(yè)巖地應(yīng)力大小和方位，結(jié)果表明，深層龍馬溪頁(yè)巖層理面傾角為5°～15°、傾向?yàn)镹E110°～NE120°，水平最大主應(yīng)力為114.69～117.23 MPa、水平最小主應(yīng)力為93.79～94.57 MPa、垂向地應(yīng)力為108.42～112.81 MPa，水平最大地應(yīng)力方向?yàn)镹E92°～NE98°。

（3）根據(jù)川南深層頁(yè)巖的各向異性特征，建立了綜合考慮頁(yè)巖彈性和強(qiáng)度各向異性的井壁坍塌壓力計(jì)算模型，以實(shí)測(cè)巖石力學(xué)和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，分析了各向同性、彈性各向異性、彈性和強(qiáng)度各向異性3 種情況下的井壁坍塌壓力，并以川南深層頁(yè)巖氣L20X 井為例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：綜合考慮彈性和強(qiáng)度各向異性計(jì)算得到的坍塌壓力最高，強(qiáng)度各向異性的影響明顯大于彈性各向異性；在井斜角較小時(shí)，井眼方位對(duì)坍塌壓力的影響較?。浑S著井斜角增加，井眼方位對(duì)坍塌壓力的影響愈加顯著；沿水平最大主應(yīng)力方向鉆進(jìn)水平井的穩(wěn)定性最好，其次為直井和小角度定向井，沿水平最大主應(yīng)力方向鉆進(jìn)水平井穩(wěn)定性最差；L20X 井實(shí)鉆情況與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，證實(shí)了本文模型的準(zhǔn)確性。