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考慮三向應(yīng)力作用的渤南泥頁(yè)巖地層坍塌壓力

文檔作者：劉曉蘭1 于立松2 文檔來(lái)源： 1．勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 2．中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月26日
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第33卷第4期
2016年7月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
、，01．33 No．4
July 2016
doi：10．36960．issn．1001-5620．2016．04．005
考慮三向應(yīng)力作用的渤南泥頁(yè)巖地層坍塌壓力
劉曉蘭1， 于立松2
(1．勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257000；2．中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266000)
劉曉蘭等．考慮三向應(yīng)力作用的渤南泥頁(yè)巖地層坍塌壓力[J]．鉆井液與完井液，2016，33(4)：27．31．
摘要渤南區(qū)塊羅家地區(qū)沙三儲(chǔ)層以泥頁(yè)巖為主，泥頁(yè)巖厚度大、分布廣，有機(jī)碳含量高，富含油氣。但是該組地層
微裂縫發(fā)育，巖石強(qiáng)度各向異性明顯，加上水化作用影響，水平井鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定問(wèn)題突出，使用傳統(tǒng)坍塌壓力預(yù)測(cè)
模型不能有效計(jì)算泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的坍塌壓力，普通考慮弱面的分析模型通常忽略了中間主應(yīng)力對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，預(yù)測(cè)結(jié)果
也不如意。在對(duì)羅家地區(qū)泥頁(yè)巖礦物成分和微裂縫分布情況分析的基礎(chǔ)上，基于弱面強(qiáng)度理論，綜合考慮三向應(yīng)力的影響，
建立了更精確的坍塌壓力預(yù)測(cè)模型。實(shí)例分析表明，對(duì)于該區(qū)域的泥頁(yè)巖鉆井，一味地增大鉆井液密度并不能保證井壁穩(wěn)
定，該區(qū)塊巖石碳酸鹽礦物含量較多，原始強(qiáng)度較高，且地層孔隙度低，如果使用控壓鉆井，使井底壓力略低于地層壓力，
可增加巖石強(qiáng)度，增大井壁穩(wěn)定性，并降低鉆井成本，增加鉆速。
關(guān)鍵詞泥頁(yè)巖；弱面；水平井；三向應(yīng)力；坍塌壓力；井壁穩(wěn)定
中圖分類號(hào)：TE21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001．5620(2016)04．0027．05
Determination of Formation Collapse Pressure of Bonan Shale Taking into Account Tri-axial Stresses
LIU Xiaolanl，YU Lison92
(1．Research Institute ofDrilling Technology，Shengli Petroleum Engineering￡以，Dongying,Shandong 257000；
2．College ofPetroleum Engineering，China University ofPetroleum，Qingdao，Shandong 266000)
Abstract The lithology of the Shasan reservoir formations in Luojia，Block Bonan is mainly shales that are thick and widely spread．
The shales are rich in organic carbon and oil and gas．Borehole instability has been encountered during horizontal drilling because of
the developed fractures in those formations，the anisotropy of the formations，and the hydration of the formation rocks．Conventional
models prognosing the collapse pressure of the formations cannot be used to calculate the collapse pressure．Those models that only
consider the weak planes have no thought for the effect of intermediate principal stress on the strengths of rocks，and the prognoses
are generally not done satisfactorily．Mineral composition and fracture distribution have been examined about the shale samples taken
from Luojia，and based on the weak plane strength theory,a more accurate prognosis model，which takes into account the effects oftriaxial
stress，has been established for the prediction of collapse pressure．The application of the model shows that for wells penetrated
the shale formations，borehole stability cannot be realized through only higher mud weight．Carbonate formations with higher original
strengths and low porosity are not uncommon in this area．If managed pressure drilling(MPD)is used with bottom hole pressure
sli曲tly lower than formation pressure，the strength of the rocks can be increased，and hence the stability of the borehole wall．This，in
turn，will help reduce drilling cost and increase ROE
Key words Shale；Weak plane；Horizontal well；Tri—axial stress；Collapse pressure；Hole stabilization
渤南區(qū)塊羅家地區(qū)羅井區(qū)沙三段地層發(fā)育有數(shù)
百米厚的暗色泥頁(yè)巖，泥頁(yè)巖層理和裂縫非常發(fā)育，
鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井壁坍塌，影響了鉆井作業(yè)效
率，增加了勘探開發(fā)成本。前人針對(duì)弱面地層的失
穩(wěn)已經(jīng)做了大量的探索研究。Aadony、Ong等‘卜31
使用弱面強(qiáng)度理論率先討論層理性地層對(duì)斜井井壁
基金項(xiàng)目：勝利石油管理局局級(jí)課題“泥頁(yè)巖力學(xué)化學(xué)耦合井壁穩(wěn)定預(yù)測(cè)技術(shù)研究”(GKBl304 o
第一作者簡(jiǎn)介：劉曉蘭，高級(jí)工程師，1980年生，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)并獲得博士學(xué)位，
現(xiàn)從事鉆井工藝技術(shù)和天然氣水合物方面研究。E-mail：151816360@qq．com。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
28 鉆井液與完井液2016年7月
坍塌壓力的影響；在中國(guó)，金衍、劉向君、袁俊亮
等【4。6】也引進(jìn)使用了弱面強(qiáng)度理論，結(jié)合傳統(tǒng)線彈
性井壁應(yīng)力分布模型對(duì)井眼坍塌壓力和破裂壓力進(jìn)
行定量研究，分析了不同井斜角下的井壁穩(wěn)定與弱
面的關(guān)系；劉志遠(yuǎn)等【71則根據(jù)實(shí)際工程中的井眼
垮塌問(wèn)題，擴(kuò)展弱面準(zhǔn)則，建立了水平井多弱面地
層井眼垮塌量的計(jì)算模型。但目前的弱面研究中，
只考慮兩向地應(yīng)力狀態(tài)，即忽略了中間主應(yīng)力的影
響，這對(duì)于完整地層的井壁穩(wěn)定性分析影響并不大。
但是對(duì)于弱面巖石及其組成的地層而言，由于巖石
破壞形式與完整巖石有明顯區(qū)別，有必要探索弱面
地層在真實(shí)三向應(yīng)力狀態(tài)下的井壁穩(wěn)定模型。
1 渤南地區(qū)泥頁(yè)巖地層巖石性質(zhì)分析
渤南羅家地區(qū)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在下第三系沙四
上亞段和沙三段地層中，泥頁(yè)巖厚度大、分布廣，
巖性主要為暗色泥頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r。礦物成分主要
是黏土礦物、碳酸鹽礦物、石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦等。
由于巖石富含石英、長(zhǎng)石及碳酸鹽礦物，脆性比較
大，巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂縫。雖然配套的油基
鉆井液對(duì)地層水化起到了一定的抑制作用，但是過(guò)
高的鉆井液密度設(shè)計(jì)，既增加了鉆井液成本和相應(yīng)
的技術(shù)難度，也使鉆井液更易因?yàn)閴翰钭饔猛ㄟ^(guò)裂
縫侵人地層，增大井眼周圍的孔隙壓力，造成失穩(wěn)
事故。
電鏡掃描圖片(見圖1)顯示，該區(qū)塊泥頁(yè)巖
巖石有一組水平層理，巖心孑L隙極少，但微裂縫發(fā)
育明顯，主要為縫寬2～4¨m的微裂縫，且方向
相互平行，單組長(zhǎng)度一般不超過(guò)100岬，微裂縫
較小，在外力作用下不會(huì)產(chǎn)生裂縫端部應(yīng)力集中現(xiàn)
象，故巖石可視為連續(xù)性介質(zhì)，使用弱面準(zhǔn)則進(jìn)行
強(qiáng)度分析比較合適。分析認(rèn)為，該區(qū)塊巖石裂縫主
要是微裂縫且相互距離較遠(yuǎn)，與層理面方向一致，
可以與層理面視為同一組弱面。
圖l 渤南泥頁(yè)巖巖石微裂縫特征
2 考慮三向應(yīng)力的弱面巖石強(qiáng)度分析
弱面巖石一般具有明顯的強(qiáng)度各向異性，前人
對(duì)于含弱面巖石的研究多是在對(duì)傳統(tǒng)的巖石強(qiáng)度模
型的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，得到了一些規(guī)律性的認(rèn)
識(shí)，最常用的是Jaeger-Cook的單弱面理論【8】，但
是建立的巖石強(qiáng)度模型只考慮兩向地應(yīng)力，忽略中
間主應(yīng)力的影響，如圖2所示，對(duì)常規(guī)巖石強(qiáng)度擬
合結(jié)果較好，但并不能很好地解釋弱面巖石的強(qiáng)度
變化規(guī)律。但是對(duì)于弱面巖石而言，由于弱面破壞
形式與常規(guī)巖石破壞形式相差很大，中間主應(yīng)力的
影響必須考慮。
p|C、
圖2含單組弱面巖石強(qiáng)度與夾角聲的關(guān)系吲
假定巖石發(fā)生剪切破壞，且臨界破壞條件
Jaeger J．C．的單弱面理論‘即的臨界破壞條件相同，
即在破裂面上滿足：
f≥c+#or (1)
式中：c為內(nèi)聚力，MPa；∥是內(nèi)摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；
盯是正應(yīng)力，MPa。
根據(jù)應(yīng)力在三維空間中的轉(zhuǎn)換規(guī)律【6】，三維空
間中任意一平面上的正應(yīng)力為：
盯=tp，+mp，+np：=，‘盯l+m‘盯2+門‘盯3 (2)
該平面上的剪應(yīng)力滿足條件：
f2：R2一盯2
=12盯；+m2盯；+9120"；一(，2盯l+m2盯2+／120-3)2 G)
=(盯I一0"2)2，2m2+(盯2—0"3)2m2，22+(cr3一o"1)2門2，2
其中，、m、／,／分別為該平面法線在3個(gè)主應(yīng)力方向
上的方向投影，即該平面的法線在以3個(gè)主應(yīng)力為
主軸的坐標(biāo)系中，其單位方向向量可以表示為(，，m，
甩)，R為任意平面上的合應(yīng)力，MPa。
對(duì)于給定參數(shù)的巖石，當(dāng)弱面在任意一角度
時(shí)，分別使用式(1)～(3)計(jì)算弱面所決定的
巖石強(qiáng)度和使用常規(guī)準(zhǔn)則計(jì)算巖石本體所決定的
m∞∞加∞∞如0
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第33卷第4期劉曉蘭等：考慮三向應(yīng)力作用的渤南泥頁(yè)巖地層坍塌壓力29
巖石強(qiáng)度，取其最小作為巖石的表觀強(qiáng)度。使用
Matlab編程模擬了含單組弱面的巖石強(qiáng)度隨中間
主應(yīng)力和弱面方向變化的規(guī)律。其中常規(guī)準(zhǔn)則選用
Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。巖石強(qiáng)度參數(shù)：本體，c。=5
MPa，‰=400；弱面，c。=0 MPa，妒。=30。；最小主
應(yīng)力0．3=10 MPa。
參考地層傾角、走向的概念，使用傾向和方位
角來(lái)表示弱面在三維空間中的方向，以3個(gè)主應(yīng)力
方向?yàn)樽鴺?biāo)軸作圖，即坐標(biāo)系(x，Y，z)對(duì)應(yīng)主
應(yīng)力(吼，0"2，tr3)，方位角為層理面法線與y-Z平
面夾角，(。)，傾角為層理面法線與x-y平面夾角，
(。)，結(jié)果如圖3～圖6所示。
oo
50
皇45
世醴
交40
35
30
100
100
對(duì)比圖3～圖6可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于弱面巖石而
言，當(dāng)應(yīng)力條件中呸=毋，或者弱面條件中吒作用
方向與弱面的走向相同時(shí)，該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與
Jaeger J．C．只考慮2個(gè)應(yīng)力的模型預(yù)測(cè)結(jié)果一致，
均是巖石表觀強(qiáng)度僅隨弱面法線與盯。之間的角度∥
的變化而變化，與其他角度無(wú)關(guān)，表現(xiàn)在圖中，即
圖3是圖2在平面上的拉伸，圖4～圖6中方位角
為00的情況下曲線與圖2一致。或者說(shuō)，Jaeger．
Cook準(zhǔn)則是考慮三向應(yīng)力弱面破壞準(zhǔn)則下的一種
特殊情況。
oo
西50
亂
萋40
垃N
強(qiáng)30
20
10
0
圖6 a2=a．時(shí)巖石強(qiáng)度隨弱面方向的分布變化圖
對(duì)比圖3～圖6的巖石最大強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，考
慮三向應(yīng)力的弱面巖石表觀強(qiáng)度分析模型的分析結(jié)
果顯示：巖石本體抗剪切破壞的強(qiáng)度(最大強(qiáng)度)
不隨中間主應(yīng)力的變化而變化，即本體所能承受的
最大主應(yīng)力只隨最小主應(yīng)力的變化而變化，與中間
主應(yīng)力無(wú)關(guān)，因?yàn)閹r石發(fā)生本體破壞時(shí)，其破裂面
與中間主應(yīng)力方向一致，這與假定的模型臨界剪切
破壞條件相關(guān)。
圖4～圖6與圖2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在昵≠吧時(shí)，
相同的∥情況下，考慮三向應(yīng)力預(yù)測(cè)的結(jié)果與傳統(tǒng)
％鉗
駝
∞
強(qiáng)
拍
弘
弛
如
■一
一
一
一．■●_■_●
鈣
∞
"
如
”
加
搭
O ■一～．瞳■I
一～■●
拍
甜
駝
徹
弧
弘
弘
弛
如一：|■●
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
30 鉆井液與完井液2016年7月
弱面模型預(yù)測(cè)的結(jié)果在大多數(shù)情況下是不一致的，
且具體偏移規(guī)律根據(jù)易的不同而不同。
1)在圖4中，a2=20 MPa時(shí)，弱面破壞區(qū)域
隨方位角的增大整體是減小的，方位角大于45。時(shí)
不再發(fā)生弱面破壞，圖4情況下巖石相對(duì)圖3中整
體安全性更高。此時(shí)使用Jaeger J．C．的單弱面準(zhǔn)則
來(lái)衡量巖石強(qiáng)度和預(yù)測(cè)鉆井液密度窗口，預(yù)測(cè)結(jié)果
整體上是保守而且安全的。
2)在圖5中，02=30 MPa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生弱面
破壞的弱面傾角∥隨方位角的增大開始向垂直
方向偏移，方位角為00時(shí)巖石在35?！堋巍?50
的區(qū)域發(fā)生弱面破壞，方位角為20。時(shí)巖石在
45。≤盧≤90。的區(qū)域發(fā)生弱面破壞，方位角大于
300時(shí)不再發(fā)生弱面破壞。可見，隨著中間主應(yīng)力
的增大，如圖6所示的情況下，巖石強(qiáng)度隨弱面角
度的分布規(guī)律相對(duì)圖2、圖3所發(fā)生的變化非常明
顯，說(shuō)明中間主應(yīng)力對(duì)弱面巖石強(qiáng)度影響是非常大
的。對(duì)于圖5、圖6所示的情況，使用Jaeger J．C．的
單弱面準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的巖石強(qiáng)度不能正確地評(píng)價(jià)所有情
況下的弱面巖石。
3)值得一提的是，隨著吼值增大到逼近
Mohr-Coulomb準(zhǔn)則所計(jì)算的吼時(shí)，該模型所計(jì)算
的數(shù)值逐漸出現(xiàn)一些空值，如圖6中的大量藍(lán)色區(qū)
域(盯．值為0區(qū)域)，此條件下僅啦和吒共同作用
即可使弱面發(fā)生破壞，這也說(shuō)明了Mohr-Coulomb
準(zhǔn)則忽略中間主應(yīng)力的方法是值得商榷的。
對(duì)比分析結(jié)果，三向應(yīng)力條件下弱面巖石強(qiáng)
度的變化規(guī)律與傳統(tǒng)弱面準(zhǔn)則的規(guī)律相差較大，要
想更精確地預(yù)測(cè)三向應(yīng)力條件下弱面地層的安全情
況，應(yīng)力與弱面的相對(duì)方位和大小是非常重要的。
Lee【l伽等使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理建立了直接將井壁應(yīng)
力轉(zhuǎn)換到弱面坐標(biāo)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算的方法，陳平、馬天
壽【1”等對(duì)該方法進(jìn)行了翻譯和整理，并用來(lái)預(yù)測(cè)
井周剪切破壞失穩(wěn)區(qū)域。使用該模型，結(jié)合本文的
弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則，即可建立考慮三向應(yīng)力的井壁坍塌
壓力預(yù)測(cè)模型。
3 實(shí)例分析
通過(guò)對(duì)渤南羅家地區(qū)巖心進(jìn)行Kaiser實(shí)驗(yàn)，
測(cè)得的地層水平最大主應(yīng)力為55．5 MPa，水平最
小主應(yīng)力為47．6 MPa(方位為NE79．46。)，垂直
主應(yīng)力為85 MPa，預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)高達(dá)1．75；
泊松比為0．263。三軸實(shí)驗(yàn)表明，該區(qū)塊泥頁(yè)巖
在微弱水化時(shí)強(qiáng)度性質(zhì)較好：本體，c0=32 MPa，
‰=290；弱面Cw=19 MPa，妒。=8．590。該地區(qū)某實(shí)
鉆水平井鉆進(jìn)方位為NE2700，由于沒有合適的坍
塌壓力計(jì)算模型，雖然使用常規(guī)模型預(yù)測(cè)的鉆井液
密度僅需1．02 eCcm3，但是根據(jù)前期直井經(jīng)驗(yàn)，以
及地層壓力系數(shù)，選用油基鉆井液且密度高達(dá)1．92
g／cm3來(lái)維持，增加了鉆井成本，且影響鉆速。
使用本文的模型進(jìn)行模擬，考慮三向應(yīng)力作用
下的單弱面地層井壁坍塌壓力當(dāng)量密度分布如圖7
所示。
圖7坍塌壓力當(dāng)量密度(g／cm3)分布圖
分析表明，該井2個(gè)水平主應(yīng)力相差不大，因
而坍塌壓力當(dāng)量密度在不同方向的變化不明顯，但
是在NE80。和NWl0。兩個(gè)水平主應(yīng)力方向上鉆進(jìn)
需要的鉆井液密度相對(duì)較低。使用弱面分析模型認(rèn)
為，該地區(qū)巖石基礎(chǔ)強(qiáng)度較高，考慮微弱水化情況
下的坍塌壓力當(dāng)量密度仍然不到1．65 g／cm3。而實(shí)
際鉆井中卻使用了高達(dá)1．92 g／em3的鉆井液密度，
這即增加了鉆井成本和技術(shù)難度，降低了鉆速，實(shí)
際上高密度鉆井液使得鉆井液濾液在壓差作用下更
易侵入地層，增加井周地層孔隙壓力系數(shù)而增加坍
塌危險(xiǎn)，而且本區(qū)塊巖石微裂縫發(fā)育的特征使得微
裂縫在該情況下極易張開甚至延伸，從而進(jìn)一步加
劇水化，降低強(qiáng)度。過(guò)高的鉆井液密度還增大了對(duì)
鉆井液濾失性能的要求。
分析認(rèn)為，對(duì)于本區(qū)域的泥頁(yè)巖鉆井，一味地
增大鉆井液密度并不能保證井壁穩(wěn)定，該區(qū)塊巖石
碳酸鹽礦物含量較多，原始強(qiáng)度較高，且地層孔隙
度低。如果使用控壓鉆井，使井底壓力略低于地層
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第33卷第4期劉曉蘭等：考慮三向應(yīng)力作用的渤南泥頁(yè)巖地層坍塌壓力
壓力，可增加巖石強(qiáng)度，增大井壁穩(wěn)定性，并降低
鉆井成本，增加鉆速。
4 結(jié)論
1．渤南區(qū)塊巖石以灰褐色泥頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r為
主，微裂縫發(fā)育，可視為單組弱面的巖石。
2．傳統(tǒng)弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則只考慮兩向應(yīng)力，對(duì)弱面
巖石強(qiáng)度的分析是不精確的?？紤]三向應(yīng)力的分析
結(jié)果表明，傳統(tǒng)模型的分析結(jié)果并非單純的保守或
者過(guò)高的，而是有些情況下判斷過(guò)于保守，有些情
況下對(duì)危險(xiǎn)判斷不足。
3．實(shí)例分析表明，過(guò)去使用的鉆井液密度是過(guò)
高的，實(shí)際巖石并不需要如此高的密度維持井壁穩(wěn)
定，如果使用控壓鉆井的方法，可以增大井壁的穩(wěn)
定性能，并且降低對(duì)鉆井液濾失性等性能的要求，
降低鉆井液的技術(shù)難度和成本。
參考文獻(xiàn)
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(收稿日期2016．5．6；HGF=1604N1；編輯王小娜)

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