頁(yè)巖氣藏開發(fā)采用的井型一般為水平井，在層理發(fā)育的頁(yè)巖地層中鉆井一般都存在嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。為此，根據(jù)有效應(yīng)力理論改進(jìn)了層理地層水平地應(yīng)力計(jì)算模型，并結(jié)合川南地區(qū)所取巖心進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，選取適當(dāng)?shù)钠茐臏?zhǔn)則，對(duì)比2個(gè)地層水平地應(yīng)力計(jì)算模型和水平井眼井周應(yīng)力狀態(tài)，得出了頁(yè)巖氣藏水平井坍塌壓力隨層理面產(chǎn)狀的變化規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于頁(yè)巖地層而言，采用常規(guī)的均質(zhì)地層水平地應(yīng)力預(yù)測(cè)模型研究井壁穩(wěn)定性，低估了水平井的地層坍塌壓力；采用改進(jìn)的水平地應(yīng)力預(yù)測(cè)模型計(jì)算得出的坍塌壓力與實(shí)際情況吻合較好；沿最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)的水平井，地層坍塌壓力在某一地層傾角處存在極大值，更高的傾角反而有利于井壁穩(wěn)定。研究結(jié)論可以為頁(yè)巖氣井鉆井設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞 頁(yè)巖氣藏 水平井 層理產(chǎn)狀 層理地層地應(yīng)力 計(jì)算模型 井壁穩(wěn)定性 四川盆地
頁(yè)巖氣作為典型的非常規(guī)能源已引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，并具有廣闊的開發(fā)潛力[1-3]。
頁(yè)巖氣藏勘探開發(fā)需要大規(guī)模鉆井作業(yè)，為保證產(chǎn)能頁(yè)巖氣藏一般采取水平井鉆井方式，因此有必要開展水平井井壁穩(wěn)定性研究。頁(yè)巖屬于典型的層理性巖石，在以往研究中，先后有學(xué)者建立和改進(jìn)了層理性地層的定向井坍塌壓力計(jì)算模型[4-6]，但是對(duì)于地應(yīng)力的處理方式都是按照均質(zhì)各向同性體進(jìn)行的。這對(duì)于頁(yè)巖這種橫向各向同性體顯然不太合理，由于垂直和平行于層理面方向的彈性參數(shù)存在差異，常規(guī)的地應(yīng)力計(jì)算模型已不適用于頁(yè)巖地層。對(duì)此王越之教授[7]等人提出了橫向各向同性地層地應(yīng)力計(jì)算模型，本研究在考慮了有效應(yīng)力和地層傾斜的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了層理性地層地應(yīng)力計(jì)算模型，并初步探討了頁(yè)巖氣藏水平井坍塌壓力隨層理產(chǎn)狀的變化規(guī)律。
1 我國(guó)頁(yè)巖氣鉆井現(xiàn)狀
我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)正處于起步階段，目前所鉆的水平井?dāng)?shù)量較為有限，主要集中在四四川盆地的長(zhǎng)寧構(gòu)造、威遠(yuǎn)構(gòu)造以及鄂爾多斯盆地等地區(qū)。頁(yè)巖氣藏鉆井的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于水平段，由于頁(yè)巖氣井水平段一般較長(zhǎng)，普遍在1
以四川盆地威遠(yuǎn)構(gòu)造所鉆的某頁(yè)巖氣井為例[9]，該井鉆井周期34 d，后期通井耗時(shí)達(dá)38 d，通井過(guò)程中舉升出井的垮塌物體積達(dá)
井壁坍塌不僅會(huì)影響鉆井工期，更重要的是井眼不規(guī)則會(huì)降低固井質(zhì)量，影響套管承壓能力，威脅后續(xù)壓裂的安全性。為此針對(duì)頁(yè)巖氣藏水平井展開了地應(yīng)力、巖石力學(xué)特性和井壁穩(wěn)定性等一系列研究。
2層理性地層地應(yīng)力計(jì)算模型
地應(yīng)力是研究井壁穩(wěn)定的重要因素之一，產(chǎn)生地應(yīng)力的原因十分復(fù)雜，包括板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、巖漿入侵、地層重力以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等。諸多影響因素中能夠定量描述的只有通過(guò)權(quán)值系數(shù)法處理的地層重力與構(gòu)造應(yīng)力兩方面。
目前對(duì)于地應(yīng)力的定量研究基本都是基于均質(zhì)各向同性地層而言的，廣泛應(yīng)用的地應(yīng)力計(jì)算模型如Terzaghi模型、Anderson模型以及黃榮樽教授[10]提出的“六五”模型和“七五”模型是典型代表。而頁(yè)巖地層屬于橫觀各向同性體，對(duì)于頁(yè)巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題仍采用均質(zhì)模型顯然不合理。根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性力學(xué)原理，王越之教授提出了不同層理產(chǎn)狀下橫向各向同性地層地應(yīng)力的計(jì)算模型。
本研究在王氏模型的基礎(chǔ)上，參照黃氏模型的建立方法，根據(jù)多孔介質(zhì)有效應(yīng)力理論認(rèn)為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和頁(yè)巖各向異性只影響到骨架應(yīng)力，不會(huì)對(duì)孔隙壓力造成影響(構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的異常高壓除外)，將以上兩項(xiàng)因素與Biot系數(shù)分別作為有效應(yīng)力與孔隙壓力的權(quán)值，再結(jié)合地層傾斜的影響計(jì)算水平地應(yīng)力[11]。對(duì)于任意傾角的地層，計(jì)算通式如下：
式中A、B為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，E、E＇、ν、ν＇分別為橫觀各向同性體的彈性參數(shù)，φ為地層傾角，ω為地層傾向，ω0為水平最大地應(yīng)力方位。
對(duì)于水平層理地層，水平面為各向同性面。彈性參數(shù)可以通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得或VSP地震數(shù)據(jù)求取，同時(shí)忽略地層傾斜的影響，將彈性參數(shù)代入式(1)即可求取地應(yīng)力。
天然地質(zhì)條件下，地層一般都是斜層理發(fā)育。而各向異性體最突出的特點(diǎn)是其方向性，彈性參數(shù)與坐標(biāo)取向有關(guān)。對(duì)于斜層理地層，應(yīng)將斜坐標(biāo)系中的柔度矩陣轉(zhuǎn)換到水平坐標(biāo)系中，再根據(jù)逆矩陣關(guān)系計(jì)算彈性系數(shù)，中間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程為：
式中Smnop為斜坐標(biāo)系中的柔度矩陣，S＇ijkl為水平坐標(biāo)系中的柔度矩陣，lij為方向余弦矩陣。
3頁(yè)巖巖石力學(xué)特性
根據(jù)四川盆地某頁(yè)巖地層所取巖心進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。用金剛石取心鉆頭在巖心上套取ø
本研究簡(jiǎn)化了Jaeger及McLamore[12-13]等人建立的強(qiáng)度準(zhǔn)則，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采取了內(nèi)摩擦角恒定，黏聚力(τ)隨角度變化的頁(yè)巖地層強(qiáng)度公式：
4 頁(yè)巖氣藏水平井坍塌壓力計(jì)算模型
對(duì)頁(yè)巖氣藏鉆井而言，一般情況下為了提高壓裂效率，水平井都會(huì)沿最小地應(yīng)力方向鉆進(jìn)，如圖5所示。根據(jù)本文第2部分提出的模型計(jì)算求得地應(yīng)力后，將其從大地坐標(biāo)系(1，2，3)轉(zhuǎn)換到井眼坐標(biāo)系(x，y，z)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(6)所示：
式中L為坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。
根據(jù)多孔介質(zhì)彈性理論，并視井壁穩(wěn)定問(wèn)題為平面應(yīng)變問(wèn)題，則相應(yīng)的平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程以及邊界條件分別為：
式中σij,j為應(yīng)力分量；fi為體積力；εij為應(yīng)變分量；ui,j為位移分量；δij為Kronecker符號(hào)；D為井眼坐標(biāo)系下的本構(gòu)方程，井眼坐標(biāo)系與層理面坐標(biāo)系DT的轉(zhuǎn)換關(guān)系為D=qDTqT；σr為井壁徑向應(yīng)力；ρw為鉆井液液柱壓力。
根據(jù)以上控制方程，結(jié)合適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度準(zhǔn)則，可以建立不同層理產(chǎn)狀下頁(yè)巖地層水平井坍塌壓力計(jì)算模型。本研究計(jì)算參數(shù)選取如下：ø=33。、E=21 GPa、E＇=25 GPa、ν=0.2、ν＇=0.19、G=19 GPa；上覆巖層壓力當(dāng)量密度
層理面產(chǎn)狀設(shè)置如下：傾角取0°、l5°、30°、45°、60°、75°、90°7種情況，傾向從正北方位N0°E，以l5°為單位順時(shí)針遞增到N360°E。根據(jù)以上模型與參數(shù)，計(jì)算沿最小地應(yīng)力方向所鉆水平井在不同層理產(chǎn)狀下的坍塌壓力變化規(guī)律。
5 結(jié)果分析與實(shí)例對(duì)比
編程計(jì)算過(guò)程中，分別采用層理地層地應(yīng)力模型和均質(zhì)地層地應(yīng)力模型(選擇“六五”模型)進(jìn)行地應(yīng)力預(yù)測(cè)，當(dāng)水平井眼沿最小地應(yīng)力方位(N150°E)延伸時(shí)，隨層理面傾角與傾向的變化，坍塌壓力風(fēng)險(xiǎn)分布如圖6～9所示。
計(jì)算結(jié)果表明：沿最小地應(yīng)力方向鉆進(jìn)的水平井，按照改進(jìn)的地應(yīng)力模型計(jì)算所得坍塌壓力普遍高于“六五”模型的計(jì)算結(jié)果。而且坍塌壓力在地層傾角45°左右時(shí)存在極大值，在[0°，45°]的區(qū)間內(nèi)，隨傾角的增大坍塌壓力逐漸增加；在[45°，90°]區(qū)間內(nèi)，隨傾角的增大坍塌壓力有所降低，對(duì)于地層傾向更接近最小地應(yīng)力方位的地層，坍塌壓力下降幅度更大。
實(shí)例對(duì)比：四川盆地相同埋深處的某頁(yè)巖氣藏水平井X井，井深2
6 結(jié)論
1)頁(yè)巖地層水平段井壁失穩(wěn)主要是由于層理面強(qiáng)度較低和層理地層地應(yīng)力的特殊性導(dǎo)致的。
2)頁(yè)巖地層的地應(yīng)力計(jì)算模型不同于常規(guī)均質(zhì)地層，忽略地層各向異性對(duì)地應(yīng)力的影響會(huì)在一定程度上低估坍塌壓力，造成嚴(yán)重井壁失穩(wěn)。
3)在鉆進(jìn)地層傾角為30°～60°之間的頁(yè)巖氣藏水平井時(shí)，應(yīng)注意具有較高的坍塌壓力。近水平和近垂直的地層中坍塌壓力有所降低，降低幅度與地層傾向有關(guān)，越接近最小地應(yīng)力方向下降幅度越大。
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本文作者：袁俊亮 鄧金根 蔚寶華 譚強(qiáng) 范白濤
作者單位：中國(guó)石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)研究室 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司
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