礫石層空氣鉆井井壁失穩機理研究及應用

劉殿琛，韓烈祥，楊 沛

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2中石油欠平衡與氣體鉆井試驗基地 3中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院)

空氣鉆井在致密巖性地層、難鉆地層具有極大的優勢，氣體鉆井能夠大幅度提高鉆井速度，增加單只鉆頭進尺，對于提高致密性地層、難鉆地層鉆井速度具有重大的意義[1-3]。

2006年至今，氣體鉆井技術在塔里木油田共進行了9口井13井次應用(不包括氮氣鉆井)，提速效果明顯?；谇捌诂F場認識及研究成果，選出BZ區塊庫車組和康村組礫石層進行空氣鉆井試驗，在鉆進過程中雖未鉆遇地層出水，但發生了比較嚴重的井壁失穩問題，導致了井下卡鉆事故[4]。

在空氣鉆井井壁失穩機理及對策方面，朱忠喜和楊旭等對空氣鉆井條件下溫度對井壁穩定的影響進行了深入分析[5-6]。李皋等認為氣體鉆井井壁失穩機理主要包括由于缺乏足夠井筒流體壓力支撐引起的力學失穩[7]。聶臻等考慮巖石材料峰后的應變軟化特性、剪切膨脹特性，建立了氣體鉆井井壁穩定性模型[8]。馮武宏等對氣體鉆井中井壁穩定、井斜控制、摩阻大、轉換過程中井壁剝落、出水以及鉆具斷裂和硫化氫問題做出了分析，并提出了相應的解決方案[9]。金衍從氣體鉆井井壁圍巖的力學特性出發，確定了井壁圍巖應力場的分布，結合Mohr-Coulomb準則，建立了氣體鉆井條件的井壁穩定模型，即彈塑性模型和硬脆性模型[10]。孫長健提出了氣體鉆井后鉆井液的轉換時鉆井液體系的選擇、鉆井液的配制、鉆井液的性能要求，同時開展了現場試驗[11]。魏武提出了在特殊井下情況下泥頁巖井壁穩定對處理劑的性能要求，并對氣體鉆井井壁穩定處理劑的實驗評價方法進行了探討[12]。鄧虎建立起鉆井液濾液在井周地層中的滲透運移規律和水化應力與地層強度隨時間變化的規律[13]。王怡發展了一種任意井斜條件下的考慮合理井壁破損的氣體鉆井井壁力學穩定性分析模型[14]。

通過文獻調研發現，雖然國內外對于氣體鉆井條件下的井壁失穩機理進行了深入分析，但在分析階段仍然考慮孔隙壓力對井壁穩定影響，但在正常的空氣鉆井條件下，孔隙壓力基本為零，因此需要建立孔隙壓力為零條件下的井壁穩定模型，為空氣鉆井井壁穩定分析提供理論支撐。

一、空氣鉆井壁穩定模型及失穩機理

1.空氣鉆條件下的井壁受力模型

傳統的井壁穩定模型，對于直井來講，當采用柱坐標體系時，井筒周圍的有效應力可以表示為：

(1)

(2)

(3)

在礫石層鉆井條件下，由于在層位優選階段就要避免地層出水，因此空氣鉆井條件下新的井壁穩定模型為：

(4)

(5)

(6)

式(1)～式(6)中：σrr—井筒周圍的徑向應力,MPa；σθθ—井筒周圍的周向應力,MPa；τrθ—井筒周圍的切向應力,MPa；SHmax—水平最大主應力的大小,MPa；SHmin—水平最小主應力的大小,MPa；θ—水平最大主應力的方位與指定方向的夾角,°；p0—地層孔隙壓力,MPa；σΔT—由于溫度引起的應力,MPa；ΔT—井底溫度和地層溫度之間的差值,℃；R—井筒半徑,m；r—地層中某點同井筒中心之間的距離,m。

2.離散元模型的建立與井壁失穩過程

由于礫石地層的非均質性分布，采用傳統的軟件進行模擬無法有效表征其整個破壞過程，為了解決該問題，采用離散元方法對礫石層井壁失穩過程進行模擬。

以庫車組礫石層地質和工程參數為基礎，建立離散元數值模型，模型參數包括：模擬地層：庫車組；深度：2 000 m；礫石特征：中-細礫巖；礫石最大半徑：40 mm；礫石最小半徑：8 mm；充填基質半徑：1～2 mm；膠結程度：較差；地層孔隙度20%，地層中無流體；最大水平主應力：47 MPa；最小水平主應力：36 MPa；井眼尺寸：431.8 mm。

圖1 應力加載與裂縫起裂

圖1顯示了裂縫起裂過程，左圖中紅線代表應力加載大小，水平方向對應最大水平主應力，垂直方向對應最小水平主應力。裂縫擴展過程中，井眼附近的綠色點狀物表示張性裂縫(見圖1右)，紅色的點狀物表示剪切裂縫。裂縫首先在井壁附近形成，圖中裂縫數相對較少且不明顯，用程序統計裂縫數量顯示，張性裂縫要多于剪切裂縫。當井壁周圍有礫石大顆粒時，張性裂縫在礫石大顆粒周圍形成，之后在礫石顆粒周圍大量聚集并伴隨有少量的剪切縫，裂縫相互連通造成礫石顆粒的脫落。為便于觀察井壁周圍裂縫擴展形態，通過設置程序命令保證地層破壞區域的完整性，但實際上裂縫擴展到的區域已經坍塌掉塊。

圖2 裂縫傳播過程

裂縫在井周礫石大顆粒周圍形成后，與附近的裂縫迅速貫通，在地應力的作用下，大量聚集的裂縫會沿著最小主應力方向傳播(見圖2)，圖2模型中的最小地應力方向是沿著縱向，因此會形成一個長軸為縱向方向的橢圓井眼(圖3中紅色橢圓)。

圖3顯示井壁破壞形式，其中黑色線的粗細代表顆粒間接觸力的大小，沒有接觸力的部分表示已經發生掉落和坍塌。值得注意的是，井眼右側礫石顆粒周圍也造成了大量的掉塊(藍色圓)，而井壁左側沒發生破壞，原因是井壁右側分布較多礫石大顆粒，與膠結物膠結程度差，存在微裂縫，在剪切應力的作用下，裂縫擴展貫通，降低井壁巖石強度，引起井壁掉塊。

圖3 井眼破壞形式

3.粒徑特征對井壁失穩影響

基于粒徑分布的統計，選擇礫石顆粒半徑：0.5～2 mm、1.5～3 mm、2.5～4 mm和3.5～5 mm。模型計算時間：2×10-3s。

圖4 不同礫石粒徑分布的井壁失穩特征

圖4為四種礫石粒徑分布在相同運算時間后井眼模型的破壞特征，紅色點狀部分代表裂縫，紅色箭頭代表裂縫擴展方向，紅色點狀部分大量聚集代表裂縫帶形成并發生圍巖剝落掉塊，井周的礫石大顆粒降低了井壁圍巖的抗壓強度，在井眼剪切應力的作用下，礫石層井壁圍壓產生掉塊，形成以最小水平主應力方向為長軸的不規整崩落橢圓。同時，不同礫石粒徑分布的井眼模型裂縫擴展方向有細微的差別，礫石顆粒越大，礫石位置分布對裂縫擴展的影響越大，井周破壞區域向礫石大顆粒方向延展。

礫石顆粒半徑為0.5～2 mm時，井壁坍塌區域在近井眼處，礫石顆粒的脫落和膠結物的破裂幾乎同時發生，井周礫石分布對裂縫擴展方向影響較小，裂縫幾乎沿著最小主應力方向即Y軸方向擴展，但破壞區域在Y軸方向距離較短；當礫石顆粒半徑為1.5～3 mm時，井周破壞區域涵蓋了X軸方向大顆粒礫石所在區域，礫石大顆粒周圍膠結面強度低，優先發生破壞，形成裂縫聚集區，同時多個裂縫聚集區相互貫通，加速了裂縫擴展過程，破壞區域在Y軸方向距離較長；當礫石顆粒半徑為2.5～4 mm時，微裂縫沿著最大主應力方向傳播，逐漸和附近大粒徑礫石顆粒裂縫聚集區連通，擴展過程更迅速，破壞區域在Y軸方向距離更遠；當礫石顆粒半徑為3.5～5 mm時，礫石顆粒從膠結物上剝離，形成不規則井眼，在井筒周圍大粒徑礫石顆粒聚集區井壁失穩更加突顯。對于相同井眼尺寸的礫石層，在非均勻構造應力作用下，礫石顆粒粒徑分布影響井周裂縫擴展過程，顆粒粒徑越大(大于3 mm時)，多個裂縫聚集區相互貫通，裂縫擴展更遠，井壁破壞區域延伸到井周深處。

離散元模擬結果顯示，膠結物及膠結物同礫石之間的強度、礫石粒徑大小對井壁穩定具有決定的作用。礫石層井壁失穩破壞時破壞的只是膠結物，之后礫石顆粒從井壁上剝落下來。采用空氣鉆井時，必須保證礫石顆粒能被攜帶出井筒；當礫石顆粒不能被帶出時，極易造成井底沉砂，甚至卡鉆。

二、現場應用驗證

基于以上建立的空氣鉆井井壁穩定模型和井筒失穩過程分析，結合BZ區塊空氣鉆井情況，對以上結論進行了驗證。

1.礫石層膠結物強度及粒徑大小分析

在礫石含量相同時，礫石粒徑越大，巖石強度越低；膠結物強度越大，巖石強度越大。通過統計分析發現，礫石粒徑越大，井壁越易形成坍塌和掉塊，當礫石粒徑較大時(一般大于5 mm時)，巖屑很難被帶離井底，造成沉砂過多、起下鉆遇阻和卡鉆問題。

2.沉砂規律研究

BZ101井?333.375 mm井眼沉砂規律為8 m/100 m(即每100 m地層產生8 m的沉砂)，BZ102井?333.375 mm井眼沉砂規律為17.9 m/100 m。影響沉砂厚度的主要為膠結物強度和礫石粒徑(見圖5)。

3.沉砂原因分析

基于BZ102井空氣鉆井情況模擬可知，當井眼直徑為333.375 mm、井深為4 700 m時，模擬結果如圖6所示。400 m3/min注氣量在井眼擴大20%時，僅可攜帶5 mm粒徑的砂粒，井眼擴大40%時，僅可攜帶3 mm粒徑的砂粒。

鉆頭打開地層后形成坍塌橢圓，形成大量沉砂，且為礫石，因此注入井筒空氣的攜巖能力將會對沉砂速度及沉砂深度有較大影響。

圖5 沉砂規律特征

圖6 不同巖屑直徑同排量之間的關系

三、結論

(1) 礫石層鉆井時，坍塌橢圓有利于降低井壁周圍應力集中，井底沉砂的主要來源是形成坍塌橢圓的巖石。

(2) 膠結物的含量和強度、礫石粒徑大小對井壁穩定影響大，空氣鉆井適合于礫石分布均勻的小礫巖地層(粒徑小于5 mm)，對于大和中粒徑礫石層，需考慮膠結強度對井壁穩定的影響。

(3) 目前空氣鉆井條件下的攜巖能力計算均未考慮不規則井徑的影響，因此需進一步加強研究。加強并完善上部礫石電測數據采集，進一步加強和細化礫石含量、粒徑大小及分布規律研究，為空氣鉆井井位優選提供基礎數據。