氮氣鉆井井底巖爆機理及動態過程演化

羅成波 孟英峰 李 皋 劉厚彬 楊 旭 林 楠

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石油西部鉆探工程公司巴州鉆井公司

0 引言

氮氣鉆井鉆遇致密砂巖裂縫圈閉高壓導致井底巖爆是QL1井惡性井噴事故的根本原因，針對巖爆機理進行系統分析并形成正確的認識是恢復氣體鉆井技術良性發展的迫切需要[1]。

氮氣鉆井井底巖爆——氮氣鉆井鉆遇裂縫圈閉高壓（為單條裂縫），當裂縫與井底之間有一定距離時，由于裂縫與井底之間是低滲透的致密砂巖，裂縫內氣體不會向井筒滲流泄壓，裂縫內的壓力作為一種靜壓力作用于致密砂巖，井底壓力為環空氣柱低壓；當井底足夠接近裂縫時，裂縫高壓與井底低壓形成的高壓差使致密砂巖巖石墻崩裂、破碎，大量坍塌碎屑和釋放的高壓氣體噴入井內，釋放巨大能量，發生氮氣鉆井的巖爆現象[1-3]。

氮氣鉆井中這種“巖石突然爆碎并與天然氣一起猛烈噴出”的現象，迄今從未在國內外氣體鉆井的文獻、專著、工程記錄中被報道過。該現象應該是第一次在鉆井工程中被發現[1-3]，其與水電、交通及金屬礦山等工程領域中的“巖爆”，煤礦開采中的“沖擊地壓”和“煤與瓦斯突出”發生的機理有相似之處，但又有很大的不同。

水電、交通及金屬礦山中的巖爆是高地應力條件下地下工程開挖時，硬脆性圍巖因開挖卸荷導致儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，因而產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲的一種動力失穩地質災害[4-5]。沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產生突然劇烈破壞的動力現象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現象[6]。煤與瓦斯突出是指煤礦井下采掘過程中在很短時間內從煤層內部向采掘空間突然噴出大量的煤和瓦斯混合物的現象[7-8]。

巖爆、沖擊地壓以及煤與瓦斯突出產生的主要原因都是局部較高的地應力與采動應力耦合導致巖體或者阻擋層破壞，致使巖體內部儲存的能量或者被阻擋層封閉的瓦斯能突然釋放，而氮氣鉆井井底巖爆的主要原因在于裂縫內的高壓與井底的低壓形成的高壓差，使其裂縫與井底之間的巖石破壞，裂縫內高壓氣體攜帶巖爆碎屑噴入井筒，產生井底巖爆。巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出以及氣體鉆井井底巖爆都屬于局部巖體結構非線性動力失穩力學問題。

為了給巖爆的防治提供理論基礎，筆者利用常規井壁失穩的分析思路來進行井底的突發性失穩的機理分析，即計算分析井底巖石應力，選取強度準則，井底巖石應力和強度準則進行比較判斷巖石是否發生破壞，并在巖爆機理的分析基礎上借助Visual Basic語言和Matlab軟件編程進行了巖爆動態演化過程的研究，以此來分析判斷QL1井錄井監測參數的異常變化。

1 井底應力場模型

氮氣鉆井井底巖石受井筒氣柱壓力和三向地應力[垂向地應力（σv）、最大水平主地應力（σH）、最小水平主地應力（σh）]共同作用，如圖1-a所示。

圖1 井底巖石受力及氮氣鉆井井底巖爆示意圖

鉆井過程中，井底巖石應力屬于斷面開挖問題，此類問題目前尚無解析解[9]。為此，將井底巖石應力場假設為內外面受均布載荷作用的空心圓球，在圓球內面受井筒氣柱壓力（pw）作用，外面趨于無限大，在無限遠處受平均地應力的作用[10-11]，物理模型如圖1-b所示。

基礎理論假設：①致密砂巖是連續介質；②致密砂巖服從胡克定律；③致密砂巖為均勻各向同性介質；④致密砂巖的變形為小變形。根據彈塑性力學理論建立空間球對稱問題的基本微分方程（壓力為正拉力為負）[12]。

應力應變的關系式可以表示為：

式中εr、εθ分別表示井底巖石徑向應變、周向應變；σr、σθ分別表示井底巖石徑向應力、周向應力，MPa；u表示井壁巖石質點位移，m；E表示巖石楊氏模量，表示巖石泊松比。

半球形井底巖石的應力滿足應力平衡方程式：

半球形井底巖石首先在井底面處發生塑性屈服，塑性區半徑隨著地應力和井底壓力的變化而變化。滿足摩爾—庫侖屈服準則的塑性區半徑為c。

1）塑性區徑向應力（σr）和周向應力（σθ）為：

式中A表示積分常數。

2）彈性區應力分布。彈性區應力可以從應力平衡方程和彈性應力應變方程綜合推導得出：

式中B表示積分常數。

基于彈塑性分界面應力的連續性可以確定積分常數A和B，即

式中pw表示環空井底壓力，MPa；φ表示內摩擦角，（°）；co表示內聚力，MPa；Rw表示半球半徑，m；r表示距半球球心的距離，m。

無窮遠處平均地應力是垂向地應力（σv）、最大水平主地應力（σH）、最小水平主地應力（σh）共同作用的結果。

2 基質及裂縫面有效應力和破壞準則

由于致密砂巖基質和裂縫彈性參數的差異較大，會導致基質和裂縫變形量的較大差異，進而導致基質和裂縫面有效應力的較大差異，因此，基質和裂縫面的有效應力須分別表征[13]。

2.1 有效應力及有效應力系數

Biot理論是建立在Terzaghi有效應力理論的基礎之上定義了有效應力，即

式中σ′表示有效應力，MPa；σ表示總應力，MPa；α表示有效應力系數；pp表示孔隙壓力，MPa。

由Biot理論公式可以看出，有效應力系數主要用于權衡地層孔隙壓力對巖石有效應力的影響程度，是控制地層巖石變形及流體滲流的內在因素。筆者采用有效應力系數與孔隙度相等的方法表征[14]。

2.2 致密砂巖基質及裂縫面有效應力系數

QL1井位于四川盆地西部白馬廟構造，以須家河組為目的層。選取該區塊事故發生井段即是沙溪廟組致密砂巖巖心進行滲透率和孔隙度及力學實驗，測試結果如表1所示。

表1 實驗巖心基本參數表

從表1可知，巖心的平均孔隙度為4.52%，平均有效應力系數為0.045，因此下文計算致密砂巖的有效應力所選取的有效應力系數為0.045。

Bernabe[15]通過理論推導和試驗研究提出了材料破壞前后的有效應力表達方程，對于裂縫單元，可以近似認為α=1。

2.3 致密砂巖基質及裂縫面有效應力

由于致密砂巖基質的平均有效應力系數為0.045，趨近于0，裂縫的上下面有效應力系數為1。

1）塑性破壞區（應力松弛區）致密砂巖基質有效應力

2）彈性區致密砂巖基質有效應力

3）彈性區圈閉高壓裂縫面有效應力

2.4 致密砂巖基質及裂縫面破壞準則

由于研究對象為裂縫面與井底之間的致密砂巖基質，物理模型可簡化為圖1-b。裂縫上表面為致密砂巖基質的一部分，略去裂縫下面及下部致密砂巖基質。因此，研究對象為致密砂巖基質，可采用一般孔隙介質的強度準則。

1）基質剪切破壞準則

2）裂縫面剪切破壞準則

式中fc表示壓縮破壞系數，fc＞0，則巖石發生壓縮剪切破壞，若fc＜0，則巖石不產生壓縮剪切破壞。

3）基質拉伸破壞準則

4）裂縫面拉伸破壞準則

式中ft表示拉伸破壞系數，ft＞0，則巖石不發生拉伸破壞，若ft＜0，則巖石產生拉伸破壞。

裂縫面和基質的有效應力的不同導致破壞準則中周向應力和徑向應力的差異，由于裂縫面也是基質的一部分，因此，裂縫面和基質的內聚力、內摩擦角和抗拉強度相同。fc和ft統稱為井壁穩定系數。

3 QL1井底巖爆機理及動態演化過程

QL1井使用?311.2 mm空氣錘鉆頭鉆進，氮氣注入量為 120 m3/min，鉆壓 30 kN，轉速 35 r/min。事故前氮氣鉆井中含氧量控制在5%以下，立管壓力2 MPa左右，鉆時為4～5 min/m，懸重、扭矩、排砂等均正常，計算井底壓力0.36 MPa。事故井深2 144.23 m，沙溪廟組。沙溪廟組屬于典型的致密砂巖干氣氣藏，氣藏深度介于2 000～2 650 m，已鉆井證明地層孔隙壓力系數為1.3～1.4，裂縫圈閉高壓為30 MPa，環空井底壓力為0.36 MPa，因此，裂縫圈閉和井底的壓差為29.64 MPa。上覆地層壓力為48 MPa，水平最大、最小主應力分別為51 MPa、46 MPa，因此 σ=48.3 MPa。內聚力及內摩擦角的取值見表1，抗拉強度為3 MPa。運用Matlab軟件進行井底致密砂巖基質及裂縫面應力的求解，根據強度準則判定基質和裂縫面的破壞及破壞區的延伸。

3.1 應力的動態演化

隨著氮氣鉆井正常鉆進，裂縫圈閉逐漸進入井底擾動應力區，從圖2-a可知，在彈性區，離井底距離越近，基質和裂縫面的周向應力和徑向應力的差值越來越大。當破壞區持續擴大至聯通低壓井筒時，井底致密砂巖巖石基質及破壞區的徑向應力、周向應力如圖2-b所示，由于破壞區繼續擴大，破壞區充滿了高壓氣體，周向有效應力及徑向有效應力出現了應力降落，且徑向應力接近－20 MPa。

3.2 裂縫面和基質破壞系數動態演化

從圖3可知，隨著井底靠近裂縫圈閉，在井底擾動應力區內，逐漸增大的周向應力和徑向應力差值會增加裂縫面發生壓縮破壞和徑向拉伸破壞的可能性，裂縫越靠近井底，壓縮破壞系數越來越大，拉伸破壞系數越來越小，井底表面壓縮破壞系數大于零是由于井底表面應力集中導致井底表面產生塑性破壞區。

圖2 井底應力動態演化圖

圖3 井底擾動應力區井壁穩定系數圖

當井底距離裂縫圈閉距離為0.23 m時，裂縫圈閉進入井底強擾動應力區，基質和裂縫面的周向應力和徑向應力的差值進一步增大。致密砂巖基質及裂縫面的壓縮破壞系數及拉伸破壞系數（統稱井壁穩定系數）如圖3所示，此時裂縫面的壓縮破壞系數等于零，裂縫面開始產生壓縮剪切破壞，沒有發生拉伸破壞。

隨裂縫面開始產生壓縮剪切破壞時且破壞區開始向井筒延伸擴大，周向有效應力及徑向有效應力出現應力降落，徑向發生拉伸破壞，破壞模式從壓縮剪切破壞演化為壓縮剪切與拉伸復合破壞模式，在壓縮剪切與拉伸復合破壞共同作用下，破壞區持續延伸聯通井筒，巖爆發生（圖4）。

圖4 井底聯通破壞區井壁穩定系數圖

3.3 巖爆的動態演化分析

井底巖爆動態演化過程的研究，可以看出在不同的演化節點破壞區具體的物理形態，而且裂縫的傾角不同，則破壞區域的演化規律也有差別。筆者選取15°傾角的裂縫分析。

運用Visual Basic語言進行動態演化過程的二維編程，然后導出數據，在Matlab軟件中作云圖。圖5為動態演化過程的整個編程思路。

從圖6可知徑向應力和周向應力及動態破壞區的動態演化過程。圖6中，藍色表示壓縮剪切破壞，綠色表示剪切拉伸復合破壞。

圖5 動態演化破壞過程的程序計算圖

3.4 QL1井巖爆及巖爆發生后錄井數據分析

QL1井巖爆發生及發生后錄井數據及分析如圖7所示。

從圖7可知，懸重及鉆壓的錄井曲線表明，在發生井底巖爆之前，懸重參數、鉆壓參數沒有明顯的異常，直至裂縫面產生初始破壞直至破壞瞬間擴展延伸至井底，裂縫內的高壓天然氣攜帶被破碎的巖屑噴入井內，同時在鉆頭處形成堵塞，裂縫內高壓氣體的壓力通過巖爆碎屑形成的砂堵對鉆具產生巨大的上頂力，上頂鉆具，圖7中3：27：18時間點所示，懸重瞬間下降，鉆壓降至零。

4 結論

圖6 破壞區動態演化過程圖

圖7 事故過程的綜合錄井數據分析圖[2]

1）氮氣鉆井井底巖爆過程即是井底逐漸接近裂縫圈閉高壓，裂縫面周向應力和徑向應力差值逐漸增大，裂縫面產生壓縮破壞以及壓縮和拉伸復合破壞模式，直至破壞區連通井筒，高壓氣體攜帶大量碎屑噴入井內，釋放大量能量，上頂壓縮鉆具，產生巖爆。

2）井底巖爆機理分析以及動態演化過程研究可以系統解釋QL1井錄井監測參數的異常變化。