二叠系火成岩地层井壁稳定性分析*

刘景涛，张 文，于 洋，丁 乙，梁利喜

(1.中国石化西北油田分公司 工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500)

0 引言

火成岩是指在高温的条件下由岩浆或熔岩流冷凝结晶而成的岩石[1-2]。针对钻井工程而言，常发生井壁失稳的火成岩多为玄武岩、英安岩和辉绿岩地层[3]。目前国内塔河、冀东、大港油田都钻遇不同类型火成岩地层，均出现坍塌掉块、卡钻等井下复杂情况，造成钻井周期延长，限制了油气田的高效开发。针对火成岩地层井壁失稳问题，国内学者已经开展了一定研究。丁锐等[4]、冯京海等[5]对冀东油田馆陶组失稳的火成岩地层的研究表明，玄武岩、凝灰岩地层黏土矿物含量较高，是导致井壁失稳的主要原因之一；考虑到水敏性黏土矿物影响，朱宽亮等[6]、徐小峰等[7]从抑制水化角度出发，形成含有不同抑制剂的钻井液来提升火成岩地层井壁稳定性；李金锁等[8]对塔河油田二叠系玄武岩的坍塌、漏失机理作了分析，认为力学软弱面的存在是导致该类地层井壁垮塌的主要因素。

目前，对火成岩地层井壁稳定性分析仍不够深入，力学分析均借助于单一弱面准则，但火成岩地层裂缝发育，不仅仅存在一组弱面,普遍采用的单一弱面准则不再具有适用性。基于此，本文通过室内试验，基于火成岩结构特征，利用摩尔库伦理论形成多弱面强度理论，结合井周应力分布构建坍塌压力预测方法，对火成岩地层井壁稳定性进行分析。

1 火成岩组构特征

本文研究的二叠系火成岩地层为英安岩，黏土含量分布在12.02%～37.80%。在钻井过程中，水敏性黏土矿物将与钻井液发生水化作用，进而诱发井壁失稳[9-10]。火成岩宏观与微观结构如图1所示。由图1可以发现，火成岩具有结构面，其中大多结构面被其他矿物充填。同时，火成岩发育大量微裂缝，该微裂缝将为钻井液侵入提供通道。进一步弱化井壁稳定性。综合微观结构与组分含量分析，封堵与抑制性能均为该类地层钻井液设计的重点。

图1 火成岩结构示意Fig.1 Structure of igneous rock

2 火成岩力学强度分析

2.1 火成岩强度理论

针对弱面影响，目前多采用单一弱面准则[11-12]。但火成岩弱结构面发育程度高，形成多组弱面相交的情况，单一弱面准则不再具有适用性。因此，本文以Mohr-Coulomb准则为依据，采用叠加原理，建立多弱面强度准则。当火成岩地层中存在多组结构面，任意1个结构面上的法向应力σ和剪应力τ满足式(1)所示关系：

(1)

式中：σ1为最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；β(i)为结构面i法线与最大主应力的夹角，(°)；K为岩石内部结构面数量，条。

结构面强度曲线满足Mohr-Coulomb准则[13]：

τ=cwi+σtanφwi(i=1,2,,K)

(2)

式中：cwi为结构面i的黏聚力，MPa；φwi为结构面i的内摩擦角，(°)。

将式(2)带入式(1)，整理可得多弱面条件下的岩石破坏准则：

(3)

β(i)的边界范围如式(4)所示：

(4)

式中：β1(i)为β(i)的下限值，(°)；β2(i)为β(i)的上限值，(°)。

当满足β1(i)<β(i)<β2(i)，且式(3)成立，则沿弱面破坏；若所有弱面都不满足以上条件，则岩石沿本体破坏，如下所示：

(5)

式中：c0为岩石基体黏聚力，MPa；φ0为岩石基体内摩擦角，(°)；β0为破坏面法线与最大主应力夹角，(°)。

2.2 结构面条件下的火成岩强度

基于上述理论方法，对多弱面条件下的岩石破坏应力进行分析，不同弱面数量下火成岩破坏应力如图2所示。由图2分析可知：当火成岩沿弱结构面破坏时，破坏应力明显下降。随着弱结构面条数增加，沿弱结构面破坏范围增大，表明岩石更易沿结构面发生破坏。尤其当弱结构面数达到5条时，岩石必然沿弱结构面破坏，表明在该条件下，岩石破坏完全取决于弱结构面强度。

图2 不同弱面数量下火成岩破坏应力Fig.2 Schematic of multiple weak planes

2.3 多结构面下的岩石破坏方式

根据多结构面下的强度特征，对多弱面下的岩石破坏形式进行分析，单弱面与多弱面下的火成岩破坏形式如图3所示。当岩石仅存在1条弱面，岩石呈现经典单一弱面准则规律，弱面倾角为42～71°时，岩石沿结构面破坏。当更多弱面存在时，由于假设基体强度不变，当弱面增加时，破坏形式不一定会发生变化。弱面倾角位于42°～58°时，岩石依然沿最初裂缝面破坏，弱面倾角位于16°～42°和78°～90°时，岩石依然沿基体破坏。由于破坏形式没有变化，从而岩石强度不发生改变。而当裂缝角度在0°～16°和58°～77°时，岩石沿结构面2和结构面3破坏，此时破坏形式发生变化，从而影响岩石强度。由此可知，多弱面相互存在，会共同影响岩石破坏形式，从而改变岩石强度。多弱面的协同作用与其产状密切相关，在一定倾角时，更多裂缝存在，不会改变岩石破坏形式，从而对强度无明显影响。

图3 单弱面与多弱面下的火成岩破坏形式Fig.3 Schematic of rock failure with single and multiple weak planes

3 坍塌压力预测方法

基于线弹性、各向同性介质理论，通过井眼坐标转换，原地应力可转换为井周应力分布[14-15]。基于井周应力分布，井壁处任1点的主应力如下所示：

(6)

式中：σi，σj，σk分别为井壁处任1点的3向主应力，MPa；σθz为井壁θz面上切向应力，MPa；σθ为井壁周向应力，MPa；σz为井壁轴向应力，MPa；pi为钻井液液柱压力，MPa；pp为隙压力，MPa。其中，最大主应力σ1的作用面与Z轴的夹角γ为：

(7)

最大主应力与弱面i法向的夹角β(i)为：

(8)

式中：n为弱面法向的矢量；N为最大主应力σ1的方向矢量。二者表达式如式(9)～(10)所示：

(9)

(10)

4 井壁稳定影响因素分析

4.1 结构面产状

根据本文坍塌压力预测方法，对均质与单一结构面下的坍塌压力进行分析，如图4所示。由图4分析可知：均质条件下，坍塌压力分布呈明显对称性；当沿最小水平地应力方向钻进时，坍塌压力最大，稳定性最差；当弱面存在时，坍塌压力分布变得复杂，高危区域与稳定区域交替出现，坍塌压力数值明显增大，井壁稳定性降低。

图4 结构面产状对坍塌压力影响Fig.4 The influence of weak plane occurrence on collapse pressure

4.2 结构面数量

当多组弱面存在时，地层坍塌压力分布如图5所示。由图5分析可知：随着裂缝面数量增加，相对稳定区域逐渐减少，高危区域增加。例如，当单一弱面时，在井斜角50°～65°和方位角180°～255°区域，坍塌压力约为1 120 kg/m3，数值相对较小。而当弱面数量增大至3条时，该区域坍塌压力明显上升，升至约为1 250 kg/m3。由此可见，随着弱结构面数量增加，坍塌压力增加，安全钻井方位逐渐变得狭小，钻井难度逐步提升。

图5 多弱面下的地层坍塌压力Fig.5 Collapse pressure in multiple weak planes condition

4.3 钻井液作用

钻井过程中，钻井液对岩石影响不容忽视。尤其对含有水敏性黏土矿物岩石，钻井液作用后的岩石力学特征变化是井壁稳定分析的重点问题。基于多弱面发育条件，对钻井液作用前后坍塌压力进行分析，如图6所示。由图6可知：由于钻井液作用造成水化效应，随着钻井时间增加，坍塌压力呈现增大趋势；钻井4 d后，坍塌压力平均增幅为80 kg/m3；高危钻井区域明显增大，表明井壁稳定性下降。

图6 钻井液作用前后的地层坍塌压力(3组弱面条件)Fig.6 Influence of drilling fluid on collapse pressure (3 weak planes condition)

5 实际应用

基于本文构建模型，对所选工区的火成岩地层开展坍塌压力预测分析。岩石力学参数与上述试验一致。该井在深度4 507 m处，井斜角约为24°，水平段方位角约为310°。成像测井资料显示该深度处明显有2条天然裂缝。测井解释表明，2条天然裂缝倾角分别为20°和35°，走向与水平最大主应力夹角分别为60°和42°。基于此，采用不同计算模型，得到不同钻井时间下的坍塌压力分布，如图7所示。实际钻井资料显示，初始钻井液密度为1 240 kg/m3，随着钻井时间增加，井下出现掉块遇阻，从而提升钻井液密度到1 310 kg/m3，井下复杂情况减少，从而达到安全钻进。常规模型与单一弱面准则模型得到的坍塌压力明显低于实际钻井液密度，从而不能稳定地层。采用多弱面模型得到的坍塌压力与实际钻井液密度吻合较好，从而证明了该模型的实用性。

图7 不同模型下的坍塌压力Fig.7 Collapse pressure of different models

6 结论

1)火成岩含一定黏土，在钻井过程中，黏土矿物将与水接触发生水化作用，进而诱发井壁失稳。同时，火成岩发育大量微观裂缝，为钻井液侵入提供通道，加剧水化反应。综合微观结构与黏土含量分析，封堵与抑制性能均为该类地层钻井液设计的重点。

2)火成岩结构面发育，当岩石沿结构面破坏时，破坏应力出现明显下降。随着弱结构面条数增加，岩石更易沿结构面发生破坏。尤其当弱结构面数达到5条时，岩石必然沿弱结构面破坏，表明在该条件下，岩石破坏完全取决于弱结构面强度。当弱结构面强度越低时，弱结构面对岩体整体强度影响越显著。

3)当弱结构面存在时，火成岩地层坍塌压力分布变得复杂，高危区域与稳定区域交替出现，坍塌压力数值明显增大，安全钻井方位减小，钻井难度显著提升。综合考虑弱结构面与水化的耦合作用是稳定井壁的关键。