硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展.pdf

第 38 卷 第 3 期 2016 年 5 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Oil Production Technology Research Department, No.3 Oil Production Plant,ChangqingOilfieldCompany, CNPC, Yinchuan, Ningxia 750006, China Citation: ZHAO Kai, FAN Yongjie, YU Bo, HAN Jiyong, XU Yonghua, GAO Shihui. Research progress of wellbore stability in hard brittle shaleJ. Oil Drilling shale; wellbore stability; research progress 基金项目：陕西省教育厅科研计划项目“页岩气储层水平井井壁失稳机理研究” （编号：14JK1583） ；西安石油大学博士科研启动项目 “多结构面地层井筒失稳控制理论及方法研究” （编号：2014BS02） 。 第一作者：赵凯（1986-） ， 2008 年毕业于中国石油大学（华东） 石油工程专业， 获学士学位， 2013 年毕业于中国石油大学（北京） 油气井工 程专业， 获博士学位， 主要从事井壁稳定方面的研究。通讯地址：（710065） 陕西省西安市电子二路东段 18 号西安石油大学石 油工程学院。E-mail： 近年来， 世界经济迅猛发展， 全球油气资源需求 大幅度增加， 能源供求危机日益增大， 深层油气资源 和页岩气等非常规油气资源的开发成为解决能源供 求矛盾的有效途径14。但是由于深层复杂的地质 万方数据 石油钻采工艺2016 年 5 月（第 38 卷） 第 3 期278 构造运动及高温高压环境的影响， 泥页岩中裂缝发 育、 性质硬脆， 钻井过程中井筒失稳问题严重， 传统 的针对各向同性孔隙弹性完整性地层的井壁稳定研 究方法已无法解决该类问题， 严重制约了深层油气 资源和页岩气等非常规油气资源的有效开发58。 基于此， 国内外众多学者从硬脆性泥页岩的基本力 学特征出发， 探索出了一系列有益的研究理论。 1基本特征 Basic features Darley9 （1969）曾根据硬脆性泥页岩与水作 用前后的表观特征对其硬脆性泥页岩作了定义， 认 为“硬脆性泥页岩是这样一种页岩， 当从岩心筒中 取出时， 显得相当坚固和完整， 但置于水中时则散为 碎片， 而这些碎片在水中既不变软， 也不膨胀” 。单 纯从这种角度来定义硬脆性泥页岩显然不够充分， 有学者根据岩石的变形破坏特征对硬脆性进行了评 价，岩土工程勘察规范 （GB 500212001） 中规定 岩石的饱和单轴抗压强度大于 30 MPa 时为硬岩， 脆 性则是指材料在外力作用下产生很小的变形即破坏 断裂的性质， 一般认为岩石的不可恢复应变小于 3% 时具有脆性特征10， 页岩气的开发使脆性的研究逐 渐受到重视， 目前已形成全应力 应变曲线评价法、 矿物组分三元图评价法、 硬度评价法、 抗拉抗压强度 比值评价法等多种方法对页岩脆性定量评价11-15。 由于硬脆性泥页岩的脆性断裂特征， 加之地下复杂 的地质运动、 沉积作用及脱水收缩等作用的共同影 响， 导致其内部发育宏观层理及微观裂缝等不同尺 度的弱面结构， 虽然弱面本身可能不会直接造成井 壁失稳， 但其通常成为井壁表面的一些物理力学过 程和物理化学过程的诱因， 对井壁稳定产生不利的 影响16。 泥页岩的宏观力学性质与其本身的矿物组成及 结构特征密切相关。雷又层和向兴金17（2007） 对 已有的泥页岩分类方法进行了总结， 最终根据黏土 矿物的种类、 含量及定向度的不同将泥页岩分成软 泥页岩和硬脆性泥页岩两大类， 在此基础上又细分 为 5 小类， 并对各类泥页岩的理化性质进行了定量 解释， 根据分类结果可知， 软泥岩中蒙脱石含量多、 伊利石含量少、 强度低、 脆性低、 水化能力强， 而硬脆 性泥页岩中蒙脱石含量少、 伊利石含量多、 强度高、 脆性大、 水化能力弱。这也从侧面反映了硬脆性泥 页岩不仅具有硬、 脆性的力学性质， 还隐含了化学性 质等其他含义， 需从多角度对其进行综合评价。 笔者认为， 对于硬脆性泥页岩井壁稳定基本特 征的相关描述应该从其矿物组成、 理化性质、 结构特 征以及变形破坏规律等方面综合表征。硬脆性泥页 岩应当是这样一种泥页岩， 其矿物成分中不含纯蒙 脱石， 无伊蒙混层或含量较少， 与钻井液接触时水化 膨胀率低、 滚动回收率高， 水化膨胀和水化分散对井 壁稳定的影响较小， 内部微观裂缝发育， 部分宏观上 有明显的层理结构， 单轴抗压强度在 30 MPa 以上， 峰值应变不超过 3%， 在极小应变下就会发生破坏。 硬脆性泥页岩复杂的组构（组成成分和结构） 特 征及理化力学性质导致其与传统的各向同性孔隙弹 性完整性地层的井壁失稳机理存在较大差异。 目前， 对于这类地层的井壁稳定问题研究， 根据 作用因素的不同， 大体可分为 3 类：纯力学坍塌、 渗 流 应力耦合作用下的井壁失稳和渗流 应力 化 学多场耦合作用下的井壁失稳。 2纯力学作用 Mechanics 纯力学坍塌一般认为硬脆性泥页岩中的弱面在 深部高应力作用下呈闭合状态或弱面沿切向分布、 与井眼不连通， 岩石的基质渗透率极低， 且泥页岩中 没有膨胀性黏土矿物， 分析中不考虑钻井液渗流和 化学作用的影响。根据破坏机制的不同， 主要分为 剪切破坏机制、 拉伸剥落机制、 剪切滑移机制和应力 损伤机制。 2.1剪切破坏机制 Shear failure mechanism （1） 各向同性地层。最早的井壁稳定研究主要基 于各向同性线弹性假设， 认为井壁坍塌是由于井壁 岩石所受应力超过其本身的强度， 使其发生剪切破 坏而造成的井径扩大现象。研究中应用摩尔库仑 破坏准则判断脆性地层中的井眼何处发生了破坏， 并指出井周岩石交叉的剪切破坏产生“猫耳” ， 最终 形成稳定的椭圆形状1819。根据此理论， 后来的许 多学者利用井眼坍塌形状的信息对地应力等信息进 行反演， 并且利用反演信息对井壁稳定进行实时预 测2023。 （2） 各向异性地层。对于含单一层理弱面的硬脆 性泥页岩， 其强度和变形表现出显著的各向异性特 征。早在 1965 年， M. E. Chenevert24就通过实验研 究了层状沉积岩力学性质的各向异性。采用三轴实 验装置， 在 082.7 MPa 的围压下， 平行层理面取心 高于垂直层理面方向取心测定的弹性模量， 当岩心 轴线与层理面的夹角为 2030， 岩心强度与垂直层 理面取心测定的强度相比降低了 40%。 万方数据 279赵凯等：硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展 对于此类地层的井壁稳定分析， 目前的分析模 型主要分为两类：一类是仅考虑岩石强度各向异性 特征， 采用单一弱面剪切破坏准则评价井壁失稳情 况25；另一类则综合考虑泥页岩强度和变形的各 向异性， 假设地层为横观各向同性介质， 并结合广义 三维各向异性破坏准则评价地层剪切破坏引起的井 壁坍塌2627。根据理论与实践的研究发现， 这类地 层钻进大斜度井问题尤为突出， 存在最佳钻入角（井 眼方向与层理面夹角） ， 现场应尽量沿强度较高的方 向钻进。且由于弱面的存在， 某些情况下井眼坍塌 会形成“四猫耳” ， 不再是简单的椭圆形井眼28。 2.2拉伸剥落机制 Tensile scaling mechanism 利用剪切破坏准则进行井壁稳定分析的方法 仅能反映岩石的宏观破坏特征， 无法有效地反映脆 性岩石裂缝扩展贯通导致失稳的渐进过程。针对此 问题， Gennanovich29（1994）采用裂缝 井筒耦合 模型作为井周岩石受压缩应力时产生拉伸剥落的基 本微观机理。研究认为， 脆性页岩的井壁坍塌是由 于在井周周向压缩应力作用下页岩层中的天然裂缝 沿切向发生不稳定扩展， 使得井周岩石发生拉伸剥 落造成的。研究采用断裂力学的方法分析页岩中裂 缝的扩展， 认为裂缝扩展是与井筒耦合作用的结果。 根据此模型可知， 拉伸破坏是由于裂缝不断扩展而 发生的， 而这些裂缝来源于泥页岩中的天然裂缝， 并 且这些裂缝在最大压应力方向上扩展。在低于岩石 极限强度应力下， 尤其是在没有围压的情况下， 拉伸 破坏就开始了。众多的室内实验观测结果表明， 在 单轴压缩的条件下， 拉伸破坏的确导致了岩石破碎 的发生。拉伸破裂适用于靠近井壁处出现连续剥落 而使井眼发生破坏这一微观力学模型。井眼发生拉 伸破坏受围压的抑制作用很强， 除了围压极小的情 况外， 在其他各种条件下， 剪切破坏比拉伸破坏更有 可能发生。因此拉伸破裂或破碎很有可能只是在靠 近井眼自由表面处发生。后来， 有许多学者采用断 裂力学的方法分析井周脆性岩石由于裂缝扩展导致 坍塌失稳的机理3031。 2.3剪切滑移机制 Shear-slip mechanism Elf Aquitaite 公司的地质学家 Maury 等 32 （1996） 在研究法国南部的气田套管破损机理时发现， 在钻 井过程中当钻井液液柱压力足以使地层中和井眼交 叉的天然裂缝重新张开时， 沿裂缝面分布的应力释 放， 将产生一个较小的但具有潜在危害的井眼错动， 即沿裂缝面的剪切位移， 是裂缝性地层井壁失稳的 主要原因。 A. Younessi 等人33（2010）通过对裂缝的滑移 势进行研究， 研究了裂缝性地层的井壁失稳机理。 研究认为， MohrCoulomb 准则是一种较为常用的破 坏准则， 但是， 由于裂缝性地层破坏的复杂性， 该方 法只能进行简单的分析， 无法真实反映该类地层的 破坏机理。A. Younessi 等人认为， 裂缝性地层的破 坏除了剪切破坏和拉伸破坏外， 沿裂缝的滑移是一 种重要的破坏形式。基于此， 提出了裂缝性地层的 滑移势指标（FSPI） 用于评价裂缝性地层的稳定性， 认为该类地层的失稳破坏是裂缝性质、 原地应力和 工程活动相互影响、 共同作用的结果。 2.4应力损伤机制 Stress damage mechanism 损伤是指在环境或外载的作用下工程材料中 各种非设计缺陷的产生和发展。损伤力学认为， 材 料在受到外界因素作用时会因为内部微裂纹等缺陷 的产生和扩展而发生劣化， 且这种劣化是不可逆的， 材料的破坏就是这种劣化发展和累积的过程， 当材 料的劣化累积到一定程度时就会产生宏观裂纹， 发 生破坏。由于硬脆性泥页岩内部微裂缝发育， 采用 传统的方法无法描述其复杂的微观结构特征， 损伤 力学建立了岩石微观结构和宏观表现的关系， 可表 述脆性页岩微裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过 程。将损伤力学理论应用在井壁稳定分析中， 最早 是由著名学者 Dusseault 完成的， Dusseault34（1992） 基于损伤力学的基本概念分析了石油钻井和生产过 程中应力损伤对井周地层的影响， 分析了井眼钻开 后井周硬脆性泥页岩地层微观结构、 应力场和渗透 压力随时间的演变过程。他指出损伤会增大近井地 带的渗透率， 造成泥岩地层钻井过程的井壁失稳， 但 在低渗储层损伤可能对油田生产有利。 刘玉石等35（1998） 应用损伤力学理论， 从岩体 的变形能出发， 建立了节理裂隙岩体的弹性损伤 断裂力学模型， 来研究硬脆性地层井壁稳定性问题。 节理裂隙岩体的特点是岩体内存在大量的节理裂 隙， 且节理裂隙多成组分布， 引入等效弹性 损伤柔 度本构方程， 采用有限元法计算井眼周围的应力场。 研究结果表明， 节理裂隙的存在使有效承载面减少， 井壁围岩切向应力增加， 因此维持井壁稳定的钻井 液密度要较无损伤时高。由于较高的钻井液液柱压 力会加速页岩水化和把钻井液压入裂缝， 不利于井 壁稳定， 因此需要改善钻井液的性能， 既要较好的抑 制页岩水化， 又要有较强的封堵裂缝的能力， 保证高 钻井液密度下硬脆性泥页岩的井壁稳定性。 万方数据 石油钻采