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譯自：IADC/SPE 155666頁(yè)巖氣井井身穩(wěn)定性在弱層面上的影響Li yufei，中石油西南油氣田公司；Fu yuqiang，中石油西南油氣田公司；Tang Geng，中石油西南油氣田公司；She Chaoyi，中石油西南油氣田公司；Guo jianhua，中石油西南油氣田公司；Zhang jiyin，中石化西南油氣分公司。IADC/SPE 亞太鉆井技術(shù)會(huì)議及展覽 2012版權(quán)這篇論文是為2012年7月9日至11日在中國(guó)天津召開的IADC/SPE亞太鉆井技術(shù)會(huì)議及展覽所準(zhǔn)備的。本文是在IADC/SPE項(xiàng)目委員會(huì)由作者提出的。文件內(nèi)容沒(méi)有被國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)或石油工程師協(xié)會(huì)審查，這篇論文不一定反應(yīng)國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)或?qū)W會(huì)石油工程師，其管理人員。禁止電子復(fù)制，分發(fā)或存儲(chǔ)本文的任何部分未經(jīng)國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)國(guó)際石油工程師學(xué)會(huì)書面同意。允許復(fù)制打印僅限于不多于300個(gè)字，插圖不能被復(fù)制。文摘必須包含IADC/SPE承認(rèn)的版權(quán)。1 摘要頁(yè)巖氣藏的層面發(fā)展的特點(diǎn)是水合容易和較強(qiáng)的力學(xué)各向異性，本文結(jié)合常規(guī)測(cè)井，成像測(cè)井，實(shí)時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)在現(xiàn)場(chǎng)的壓力測(cè)試，建立了頁(yè)巖儲(chǔ)層井眼穩(wěn)定性分析模型。分析了涵蓋層面薄弱，力學(xué)各向異性和時(shí)間的影響。此外，根據(jù)上述因素對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層水平井的井眼穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，并在四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層井眼坍塌的機(jī)制進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上建立了井眼穩(wěn)定性分析模型，分析了良好的W-H1井，與實(shí)鉆資料的分析結(jié)果吻合得很好。研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，弱層面影響主要是影響水平井的頁(yè)巖儲(chǔ)層的井筒坍塌，它不同于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層和碳酸鹽巖儲(chǔ)層，即使是垂直井的頁(yè)巖儲(chǔ)層也同樣受到影響。這項(xiàng)研究提供了理論依據(jù)W-H1井鉆井和完井設(shè)計(jì)如鉆井液設(shè)計(jì)，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)完井方法優(yōu)化，等等。2 引言頁(yè)巖氣是豐富的泥頁(yè)巖（或部分粉砂巖）形成存在多種相態(tài)，它是一個(gè)三大非常規(guī)資源（頁(yè)巖氣，煤層氣，致密砂巖氣），并成功的關(guān)鍵頁(yè)巖氣藏開發(fā)水平技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步的。四川盆地的頁(yè)巖氣藏水平井鉆進(jìn)過(guò)程中，井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致卡鉆，和其他一些復(fù)雜的事故，甚至回填土側(cè)鉆，這些都影響頁(yè)巖氣的勘探和開發(fā)。與常規(guī)砂巖碳酸鹽巖儲(chǔ)集層比較，在W區(qū)的頁(yè)巖氣藏的層面顯著的特征。如果我們使用傳統(tǒng)機(jī)械性能和化學(xué)耦合模型預(yù)測(cè)的穩(wěn)定的水平井眼穩(wěn)定性，結(jié)果與事實(shí)有很大的不同，不能使用垂直鉆井的經(jīng)驗(yàn)在這方面的指導(dǎo)水平井鉆井。本文研究了弱層面，將重點(diǎn)放在這兩個(gè)方面的機(jī)械和化學(xué)性能。我們分析了在頁(yè)巖地層的井壁失穩(wěn)機(jī)制，并建立了井壁穩(wěn)定的模式，找出弱層面的主要影響因素，然后進(jìn)行預(yù)測(cè)W-H1井眼穩(wěn)定性。結(jié)果與鉆井事實(shí)的高度重視，高效并合理的完井技術(shù)在頁(yè)巖儲(chǔ)層的應(yīng)用，這才是真正的安全鉆井。3在W地區(qū)的頁(yè)巖儲(chǔ)集層弱層面的機(jī)制對(duì)穩(wěn)定性的影響本地區(qū)進(jìn)行了包括物理和化學(xué)因素的兩方面的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和研究理論分析。在頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室測(cè)試的水化膨脹和的層面對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的影響在，并得到了相關(guān)頁(yè)巖參數(shù)。同時(shí)，我們建立了數(shù)學(xué)模型，研究水化膨脹和薄弱層面影響井眼穩(wěn)定性的規(guī)律，并和實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果相比較。最后，我們得到了井壁失穩(wěn)機(jī)理和主要影響因素。3.1在實(shí)驗(yàn)室對(duì)頁(yè)巖水化膨脹和強(qiáng)度測(cè)試3.1.1頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)W區(qū)L組頁(yè)巖中的薄弱層面光滑，有一些微裂縫平行弱的層面。大多數(shù)粘土存在的薄弱層面是伊利石和蒙脫石。頁(yè)巖基質(zhì)粗糙的剖面有一些微裂縫是垂直的，蒙脫石粘土礦物中的含量是9.8，根據(jù)X-射線衍射，如圖1和圖2所示。它可以得出的結(jié)論是層面有更多的水化膨脹和低強(qiáng)度比頁(yè)巖基質(zhì)。3.1.2頁(yè)巖水化膨脹的影響頁(yè)巖層面和基質(zhì)中存在的水化膨脹效果對(duì)井筒穩(wěn)定性是非常重要的。當(dāng)水化應(yīng)力超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí)，泥頁(yè)巖地層會(huì)出現(xiàn)坍塌層面和微裂紋。圖3的結(jié)果是在是水平和垂直方向水化膨脹應(yīng)變測(cè)試，之后的是W以及L組頁(yè)巖在鉆井液中浸泡40小時(shí)（W-H1）。我們可以找出無(wú)論膨脹應(yīng)變的平行或垂直方向，有一個(gè)顯著的時(shí)間效應(yīng)，并隨鉆井液縮緊時(shí)間的增加，膨脹應(yīng)變繼續(xù)增加。平行于層理面的方向，擴(kuò)大應(yīng)變非常小（僅為1，40小時(shí)后），并且它是主要由于膨脹頁(yè)巖基質(zhì)。在垂直方向的層理面，擴(kuò)大應(yīng)力要是因?yàn)閿U(kuò)張所造成的粘土礦物水吸收，膨脹應(yīng)變?yōu)?，明顯高于前者（約3.5倍）。水化會(huì)使強(qiáng)度降低的頁(yè)巖水化膨脹除外。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，用干燥的巖石樣品相比，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度降低了10，并且降低的凝聚力鉆井液中浸漬（40小時(shí)后，68.7），如表1所示。3.1.3層面力學(xué)性能的影響當(dāng)取心沿不同方向（角度取心的方向和層面的法線方向?yàn)?、30、45和90），表4中的W區(qū)L組形成頁(yè)巖的機(jī)械行為有關(guān)的化驗(yàn)結(jié)果。我們可以發(fā)現(xiàn)，核化方向頁(yè)巖層面的方向是不同的，有強(qiáng)度的核心標(biāo)記也不同。當(dāng)核化的方向是垂直于層面的方向時(shí)，頁(yè)巖的強(qiáng)度是最高的，然后頁(yè)巖取心方向是平行于層面方向，強(qiáng)度頁(yè)巖是最低的是弱層面的法線方向和取芯方向的角度為60，如圖（4）。此外，凝聚力和內(nèi)摩擦角頁(yè)巖，巖石的凝聚力層面的影響核化方向是垂直于層面的方向上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平行核化的樣本，但前者的內(nèi)摩擦角是較小的。根據(jù)這一點(diǎn)，我們可以推斷，穩(wěn)定的頁(yè)巖層面是垂直井最好的，第二個(gè)是平行于層理面的井，斜井或水平偏轉(zhuǎn)部分的穩(wěn)定性（傾斜角為40 60是最差的）。3.2在泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定的數(shù)值模擬3.2.1弱層面對(duì)井眼穩(wěn)定性的影響根據(jù)理論分析的結(jié)果，頁(yè)巖弱層面對(duì)垂直井身的井眼穩(wěn)定性都沒(méi)有明顯的效果，考慮或不考慮弱層面的影響，地層坍塌壓力都為0.6SG，并具有良好的穩(wěn)定性;水平井眼穩(wěn)定性在弱層面有很大影響，當(dāng)我們不考慮弱層面的影響，為了保持穩(wěn)定的井身，地層坍塌壓力為1.05 SG，當(dāng)我們考慮到影響的薄弱層面，地層坍塌壓力為1.94SG的條件下的相同的井眼軌跡，頁(yè)巖弱層面影響水平和傾斜的井眼穩(wěn)定性（尤其是偏移角大于40，如圖5）。在W區(qū)的鉆井經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)結(jié)、垂直井眼穩(wěn)定性（W井）在頁(yè)巖地層的結(jié)果，鉆井液密度為1.11.2SG可以保持井壁穩(wěn)定，但也有很多復(fù)雜的情況，在比較（W-H1）鉆水平井的過(guò)程，鉆井液的密度開始從1.28SG增加至2.10SG，還存在著在井下與所預(yù)測(cè)的結(jié)果存在不同程度的下降塊弱層面的影響。3.2.2泥頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)的時(shí)間效應(yīng)圖6是頁(yè)巖形成的井身穩(wěn)定性上的時(shí)間影響的分析結(jié)果。我們可以計(jì)算出時(shí)間越長(zhǎng)，鉆井液與泥頁(yè)巖地層，滲透越深，寬度越小，井眼坍塌破壞也大。在W區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)集層水平井鉆井過(guò)程中，由弱層面的影響和鉆井液緊縮時(shí)間，井壁坍塌經(jīng)常發(fā)生后35天，碎片從井口取出，塊上有明顯的弱層面（如在圖7中示出）?？傊?，當(dāng)鉆的方向是垂直于頁(yè)巖層面，井周圍巖石的強(qiáng)度由弱層面的影響非常微弱，井眼穩(wěn)定性的影響層面也很薄弱。并以在弱層面有一定角度的方向鉆井，井筒周圍的巖石強(qiáng)度由弱層面的影響嚴(yán)重，弱層面水合物的擴(kuò)張會(huì)比較大，井眼穩(wěn)定性會(huì)得到一個(gè)大的由弱層面影響平面9，以及井筒塌陷的寬度將有越來(lái)越大。3.3頁(yè)巖地層在層面對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響W地區(qū)頁(yè)巖形成井壁失穩(wěn)機(jī)理的研究主要包括兩個(gè)方面的，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。首先，鉆井液將通過(guò)弱層面和微裂紋滲透到泥頁(yè)巖地層，導(dǎo)致水化膨脹，頁(yè)巖強(qiáng)度降低，并增加了井身周圍的孔隙水壓力，所以井筒不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)增加。其次，當(dāng)我們深入不同的方向，抗壓強(qiáng)度，凝聚力和井身周圍的內(nèi)摩擦角。顯然，作為薄弱層面的影響，從而斜井和水平井井眼穩(wěn)定性比直井更差。因此，當(dāng)我們分析在泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定，有微弱的層面，被認(rèn)為是弱層面的影響應(yīng)該更加注重。4 W-H1井良好的穩(wěn)定性分析的應(yīng)用技術(shù)W-H1井的水平井在W區(qū)，探索的目標(biāo)是L組的頁(yè)巖，設(shè)計(jì)井深3032米，水平段長(zhǎng)度為1200米，鉆井的實(shí)際深度2823.48米，最終水平段只有991.48米。由于水平段井塌，我們用了37.66天處理復(fù)雜事故，爭(zhēng)取了52.26的鉆井時(shí)間。我們預(yù)測(cè)W-H1井水平段的穩(wěn)定性，建立了L區(qū)的三個(gè)壓力層面（包括擠毀壓力，空隙壓力和破裂壓力），如圖8所示，可看出地層坍塌幾率高，最高達(dá)到2.14SG，并且水平面和傾斜面在弱層面的影響下有嚴(yán)重的問(wèn)題。在較高的泥質(zhì)含量條件下，頁(yè)巖的膨脹會(huì)增大，地層坍塌壓力也會(huì)增大。通過(guò)這些分析，在實(shí)際鉆井是泥質(zhì)含量將會(huì)高于2.14SG。5總結(jié)和建議（1）在W區(qū)L組的頁(yè)巖有明顯層里面。垂直井的井身穩(wěn)定性被頁(yè)巖的層面影響，但層面對(duì)水平井穩(wěn)定具有明顯的效果。如果我們不考慮層面的影響，地層坍塌壓力只有1.05 SG。如果我們考慮層面的影響，對(duì)同一井眼軌跡，地層坍塌壓力達(dá)到1.94 SG，鉆井流體接觸面形成的時(shí)間也對(duì)井塌有一定的影響。（2）當(dāng)取巖心的方向不同，核心的強(qiáng)度也明顯不同。傾斜層面的方向上的核心具有最高的強(qiáng)度，當(dāng)它的方向?yàn)?0度，平行層理面的方向上的核心強(qiáng)度是最低的。此外，頁(yè)巖將膨脹，當(dāng)它與水接觸，和層面方向上的擴(kuò)大數(shù)量比平行方向上大。這將導(dǎo)致頁(yè)巖沿層理面坍塌，很多區(qū)塊會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，當(dāng)我們分析的頁(yè)巖的穩(wěn)定性時(shí)，層理面應(yīng)被考慮。（3）在W區(qū)域L組形成的頁(yè)巖是脆性的，我們建議提高鉆井液的抑制屬性，同時(shí)改善制動(dòng)屬性，并且把一些顆粒根據(jù)脆性頁(yè)巖的孔隙尺寸分布放入鉆井液。這樣做的目的是，防止鉆井液的濾液侵入通過(guò)層面和微頁(yè)巖，從而降低頁(yè)巖膨脹造成的水化，提高井的穩(wěn)定性。此外，我們亦建議，優(yōu)化范例結(jié)構(gòu)，分離井的斜截面和水平面，然后將得到一個(gè)大的窗口，復(fù)雜事故將有顯著的下降。參考文獻(xiàn)1.Cui Sihua et al. 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