廖開瑞，楊明合

（長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

弱面是指在成巖過程中和后期構造作用下，巖體中形成有一定方向、延展性的含大量各種物質和極低或沒有抗拉強度的不連續(xù)面。含弱面巖石強度、彈性參數(shù)表現(xiàn)出各向異性[1]，在鉆井過程中，鉆遇含弱面巖石時，由于弱面強度較低巖石更容易沿弱面發(fā)生剪切破壞，井壁坍塌問題尤為突出，傳統(tǒng)井壁穩(wěn)定模型對坍塌壓力的預測不能解決含弱面井壁失穩(wěn)問題，井壁失穩(wěn)輕則造成井壁坍塌、卡鉆、埋鉆事故，延長鉆井周期，影響后期的固井、完井作業(yè)，重則井眼報廢造成巨大經濟損失，因此含弱面地層的井壁穩(wěn)定性問題是制約油氣資源高效開采的主要原因之一。特別是近些年來，隨著對弱面井壁穩(wěn)定性研究的深入，發(fā)現(xiàn)弱面數(shù)量、滲流、溫度、鉆井液化學作用也會對弱面井壁穩(wěn)定性產生影響。

實踐表明，弱面地層井壁失穩(wěn)是一個力學問題，弱面導致的巖石強度、彈性參數(shù)各向異性是問題的關鍵，滲流、溫度、鉆井液化學作用體現(xiàn)在對井周應力和弱面強度的影響。針對這一問題，國內外許多學者經過大量研究，重點研究弱面導致強度、彈性參數(shù)各向異性以及描述多物理場引起的力學效應和對弱面強度的影響，弱面井壁失穩(wěn)問題仍不能得到有效解決。本文根據(jù)弱面數(shù)量，從單弱面和多弱面井壁穩(wěn)定模型對坍塌壓力預測方面對國內外研究進展進行闡述，為進一步研究弱面井壁穩(wěn)定性提供參考。

1 單弱面井壁穩(wěn)定性研究進展

國內外許多科技工作者已經在弱面對井壁穩(wěn)定性影響方面進行了大量研究。最早在20 世紀80 年代末期[1]，在層理性頁巖鉆探中美國學者進行了探索性研究。目前該問題研究從力學角度進行研究較多且相對成熟，研究成果已得到廣泛應用。但隨著鉆井技術的發(fā)展和井壁失穩(wěn)理論研究不斷進步，由單純的力學分析逐漸發(fā)展到考慮地層流體、鉆井液、地層溫度等因素影響，已經發(fā)展到以力學為基礎多物理場耦合的研究，圖1 給出了單弱面井壁穩(wěn)定性研究進展概括。

圖1 單弱面井壁穩(wěn)定性研究進展

1.1 力學單一因素

常規(guī)井壁穩(wěn)定模型適用于巖石強度各向同性求解，但弱面的存在導致巖石強度、彈性參數(shù)（彈性模量、泊松比）表現(xiàn)出各向異性，無法求解含弱面井壁穩(wěn)定性的問題。1988 年由AADNOY 提出含弱面井壁穩(wěn)定性求解方法，該方法主要依據(jù)彈性力學求解井壁主應力和單弱面準則[1]，通過判斷巖石和弱面發(fā)生破壞時對應最小鉆井液壓力，取兩者的最大值作為最終坍塌壓力[2]。

之后國內外學者在AADNOY 模型基礎上進行拓展，其中國內學者劉海龍等[3]給出的模型最具代表性?？紤]彈性各向異性，根據(jù)橫觀向同性材料的本構方程及邊界條件得出。研究表明，當彈性各向異性逐漸增強時，對弱面法向應力與切向應力影響增大，從而巖石更容易沿弱面破壞導致坍塌壓力增大。在渤海油田層理頁巖易垮塌地層應用該模型有效解決坍塌埋卡問題。但力學弱面井壁穩(wěn)定模型未考慮井周應力的變化，尤其是對于滲透弱面井壁仍舊存在失穩(wěn)問題，因此還需要考慮滲流作用影響。

1.2 力學-滲流耦合作用

實踐表明在鉆井初期，對于部分井單純從力學角度能較好解決弱面井壁穩(wěn)定性問題。但井壁巖石力學性質隨時間增長，鉆井液滲流作用導致井周應力變化，含弱面井壁失穩(wěn)問題無法有效解決。

針對上述問題，CHEN等[4]首次依據(jù)多孔彈性力學給出在未考慮弱面影響的條件下滲流引起井周應力求解方法。之后國內學者梁利喜等[5]將該方法應用于含弱面井壁穩(wěn)定性分析，建立力學-滲流耦合弱面井壁穩(wěn)定模型。研究表明考慮滲流作用后坍塌壓力增加7%；若再考慮弱面后坍塌壓力增幅最大可達23.6%；同時發(fā)現(xiàn)坍塌壓力隨鉆井時間增長而增大，最后趨于定值；并將該模型應用于泥頁巖地層水平井坍塌壓力預測與現(xiàn)場實際誤差約為1.2%，能較好解決井壁坍塌失穩(wěn)問題。

但對于深井和超深井等高溫條件下，當鉆井液滲入層理性地層，弱面對井壁穩(wěn)定性的影響不僅在于滲流作用，同時弱面與鉆井液產生化學作用對井壁穩(wěn)定性產生影響亦不可忽略；另一方面溫度也會對井壁穩(wěn)定性產生影響。

1.3 力學-滲流-溫度耦合作用

盡管巖石熱流固化全耦合研究較早[6]，但并未考慮弱面的影響。馬天壽等[7]首次將熱流固化全耦合與單弱面強度準則相結合建立熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定模型，分析了溫度和滲流作用、弱面導致的彈性、強度各向異性對坍塌壓力的影響。研究表明，滲流作用和傳熱效應導致井周應力隨時間改變，從而井壁穩(wěn)定性也隨時間變化；在考慮到弱面的影響后坍塌壓力最大增幅可達44.8%。并使用四川長寧W201-H1 井水平井易坍塌井段數(shù)據(jù)進行計算，將鉆井液壓力提高43%后井壁坍塌問題有所減輕，表明該模型能解決高溫、滲流條件下層理性地層井壁失穩(wěn)問題。但由于該井使用的是油基鉆井液未考慮鉆井液的化學作用。在使用水基鉆井液時，該模型適用性受限，需要考慮化學作用對井壁穩(wěn)定性的影響。

1.4 力學-滲流-化學耦合作用

由于化學作用對井壁穩(wěn)定性的影響不可忽略，尤其是在含弱面層理性地層，鉆井后期更易產生井壁失穩(wěn)問題。針對該問題，CHEN等[8]、黃榮樽等[9]采取實驗研究在鉆井液中浸泡不同時間巖石力學性質變化情況，發(fā)現(xiàn)在隨浸泡時間增長層理面強度先于巖石本體降低，導致巖石更容易沿弱面破壞，從而導致井壁失穩(wěn)。曹文科等[10]依據(jù)實驗結果描述弱面強度隨含水量變化情況，建立力學-滲流-化學（流固化）耦合弱面井壁穩(wěn)定模型，研究滲流、化學作用下坍塌壓力隨時間變化規(guī)律，用以解決層理性地層鉆井后期井壁失穩(wěn)問題，研究表明坍塌壓力隨時間增加而增大且增幅逐漸變小，最大增幅達20.4%，但在計算滲流作用對井周應力影響時，忽略了鉆井液與地層流體之間的溶質濃度差。MA等[11]進一步考慮兩者溶質濃度差，提高了對井周圍巖應力的求解精度，從而提高了坍塌壓力的預測精度。MA 等運用四川盆地X201-H1 井數(shù)據(jù)進行計算，結果和實際情況吻合并提出鉆井液的使用在確保井壁力學穩(wěn)定性的同時，通過提高鉆井液封堵性與抑制性，嚴格控制鉆井液進入弱面地層的方式，以減少鉆井液的侵入量，能夠預防井壁坍塌。該模型能分析層理性頁巖井壁化學失穩(wěn)機理和鉆井時間對坍塌壓力的影響規(guī)律，但是未考慮溫度的影響，在應用于溫度較高深部層理性地層時會出現(xiàn)誤差。

1.5 力學-溫度-滲流-化學耦合作用

為解決深部層理性地層受溫度、滲流、化學綜合影響下的井壁失穩(wěn)問題，國內外學者在此方面展開研究。EKBOTE等[12]給出了熱流固化全耦合控制方程，為熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定性分析奠定了基礎。

在此基礎上，CHENG等[13]在考慮頁巖層理面強度隨著鉆井液浸泡時間變化基礎上，使用式（1）可求fw=1時弱面破壞對應臨界鉆井液壓力，構建熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定模型，用于預測深部層理性地層坍塌壓力，研究表明考慮弱面后坍塌壓力增加24.8%。并應用于泌陽凹陷陸相頁巖井動態(tài)坍塌壓力預測[14]，在設計鉆井周期內未發(fā)生井壁坍塌問題，能解決深部層理性地層井壁失穩(wěn)問題。

式中：fw-頁巖層理破壞指數(shù)；t-鉆井液浸泡時間；Cw（t）-頁巖層理在鉆井液浸泡t 時刻的黏聚力；φw（t）-頁巖層理在鉆井液浸泡t 時刻的內摩擦角作用在層理上的法向應力和切向應力。

實踐表明，熱流固化全耦合弱面井壁穩(wěn)定模型預測坍塌壓力精度較高，是目前單弱面井壁穩(wěn)定性影響因素考慮最全面的模型，但由于考慮到各物理場之間相互耦合，該模型的計算較為復雜，求解難度大，因此，理論研究較多，在現(xiàn)場應用較少，而且該模型的研究大部分是基于材料彈性各向同性，在彈性各向異性較強地層還需要進一步研究。

2 多弱面井壁穩(wěn)定性研究進展

裂縫性地層井裂縫系統(tǒng)發(fā)育，導致巖石內部產生了大量的弱面，尤其是硬脆性頁巖地層，除了層理弱面之外還包括構造縫、成巖收縮微裂縫和有機質演化異常壓力縫等，易形成多組弱面相交的情況，導致井壁失穩(wěn)問題嚴重，單弱面井壁穩(wěn)定模型明顯不適用于該地層[15]。因此，多弱面下井壁穩(wěn)定性的研究顯得尤為重要。根據(jù)目前的研究可將其分為力學和化學作用下井壁穩(wěn)定模型。

2.1 力學單一因素

對于多弱面發(fā)育地層，僅將縫隙視為單弱面不能較好解決井壁坍塌問題。國內學者劉志遠等[16]2014 年首次建立多弱面井壁垮塌量模型，通過垮塌量反映井壁穩(wěn)定性情況。但坍塌量只能對井壁的穩(wěn)定性進行評估，無法用于坍塌壓力的求解。陳平等[15]、丁乙等[17]在單弱面研究基礎上，認為多弱面巖石強度取決于強度最低的弱面，通過對不同產狀弱面的強度逐一校核，提出另外一種多弱面井壁穩(wěn)定模型，解決了垮塌量模型無法求解坍塌壓力的問題。經計算分析，雙弱面井壁坍塌壓力計算結果比單弱面高18.7%，說明隨巖石中弱面數(shù)量的增加，井壁巖石更加容易沿弱面剪切破壞，導致坍塌壓力增大。并運用該模型對川南某頁巖地層坍塌壓力進行預測，解決了該地層井壁失穩(wěn)問題。

多弱面井壁穩(wěn)定模型是單弱面井壁穩(wěn)定模型的拓展延伸，與單弱面相比，多弱面導致井壁巖石更容易沿弱面發(fā)生剪切破壞，井壁坍塌失穩(wěn)風險增大，導致坍塌壓力增加。隨鉆井時間增長，受鉆井液化學作用，井壁還會進一步發(fā)生失穩(wěn)。

2.2 力學-滲流-化學耦合作用

由于鉆井液沿層理面、縫隙侵入地層，導致井周應力改變和弱面強度降低，從而導致最初坍塌壓力無法維持井壁穩(wěn)定。因此在鉆井初期，多弱面力學模型能較好解決井壁穩(wěn)定性問題，但隨鉆井時間增長，井壁會逐漸發(fā)生坍塌掉塊的現(xiàn)象。

針對此現(xiàn)象，LIANG等[18]于2014 年首次考慮多弱面強度隨鉆井液浸泡而降低，提出熱流固化全耦合多弱面井壁穩(wěn)定模型，研究鉆井液化學作用對多弱面井壁坍塌壓力的影響規(guī)律，但計算鉆井液滲流產生的附加應力時忽略了地層孔隙壓力的變化。

MA等[19]、ZHAO等[20]在此基礎上進一步展開研究，其中MA 等的研究較為全面，使用式（2）描述滲流作用和鉆井液與地層流體溶質差導致的孔隙壓力變化，求取瞬態(tài)井周應力。該模型重點研究了弱面數(shù)量、不同類型鉆井液浸泡時間對巖石強度、坍塌壓力的影響。

該模型在四川盆地南部頁巖地層的水平鉆井，較好解決了井壁坍塌問題。計算表明，隨含水量和弱面數(shù)量的增加，巖石強度由各向異性向各向同性轉變，而且強度大幅降低。相同情況下，雙弱面與單弱面坍塌壓力差值最大可達36.8%；在不同鉆井液中浸泡相同時間時，坍塌壓力在水基鉆井液中增幅最大可達16.3%，在油基鉆井液中最大降幅為5%。

式中：p-孔隙壓力，MPa；Cf-地層水壓縮系數(shù)；k1-水力擴散系數(shù)；k2-膜效率，%；Cs-溶質濃度，mol/L；Deff-離子擴散系數(shù)；n-溶質離子物質的量，mol；R-普適氣體常數(shù)；T-溫度，℃。

3 發(fā)展與展望

目前，含弱面井壁穩(wěn)定性研究已經從單弱面發(fā)展到多弱面研究，但仍缺乏進一步實驗驗證弱面數(shù)量對巖石強度影響和多于三組弱面對坍塌壓力影響，且該耦合為單向耦合，也未考慮溫度影響。若解決弱面井壁失穩(wěn)問題，建議開展以下幾方面研究：

（1）在熱流固化全耦合單弱面模型基礎上，進一步考慮彈性參數(shù)各向異性對井壁穩(wěn)定性的影響；同時尋求該模型中井周應力高效求解方法，有利于該模型的推廣應用。

（2）采取相應的實驗方法驗證弱面數(shù)量和鉆井液浸泡時間對巖石強度的影響，同時在弱面數(shù)量對坍塌壓力影響方面還需進一步研究。

（3）考慮溫度的影響建立熱流固化全耦合多弱面井壁穩(wěn)定模型，并結合實際情況，修改和完善井壁穩(wěn)定模型。

4 結論

（1）弱面存在使巖石強度、彈性參數(shù)表現(xiàn)出各向異性是含弱面井壁失穩(wěn)的主要原因。依據(jù)線彈性力學發(fā)展起來的力學單弱面井壁穩(wěn)定模型能夠解決弱面地層鉆井初期井壁失穩(wěn)問題，并得到廣泛應用。

（2）滲流、溫度、鉆井液化學作用是單弱面井壁延遲失穩(wěn)的主要原因。在孔隙彈性力學基礎上，根據(jù)不同影響因素可分為流固化耦合、熱流固化耦合、流固化耦合、熱流固化全耦合單弱面井壁穩(wěn)定模型，能解決單弱面井壁延遲失穩(wěn)問題，其中熱流固化全耦合單弱面井壁穩(wěn)定模型預測精度最高，但求解難度較大，大范圍應用方面受到限制。

（3）多弱面井壁穩(wěn)定性研究可視為單弱面井壁穩(wěn)定性研究的拓展延伸，力學多弱面井壁穩(wěn)定模型能解決鉆井初期井壁失穩(wěn)問題，目前多弱面井壁穩(wěn)定性研究僅考慮力學、滲流和鉆井液化學作用的影響，能解決多弱面井壁延遲失穩(wěn)問題，但對井壁穩(wěn)定性影響因素考慮不全面，在多物理場耦合方面研究還有較大進步空間。

（4）弱面井壁穩(wěn)定性的研究，建議以后研究方向為：尋求單弱面熱流固化全耦合模型高效解法和在此基礎上進一步考慮彈性各向異性對井壁穩(wěn)定性的影響、采取實驗驗證弱面數(shù)量對巖石強度的影響、進一步考慮溫度影響建立熱流固化全耦合多弱面井壁穩(wěn)定模型，并結合實際情況，修改和完善井壁穩(wěn)定模型，以減少鉆井周期，提高油氣資源開采效率。