頁巖氣藏開發采用的井型一般為水平井，在層理發育的頁巖地層中鉆井一般都存在嚴重的井壁失穩問題。為此，根據有效應力理論改進了層理地層水平地應力計算模型，并結合川南地區所取巖心進行室內強度實驗，選取適當的破壞準則，對比2個地層水平地應力計算模型和水平井眼井周應力狀態，得出了頁巖氣藏水平井坍塌壓力隨層理面產狀的變化規律。研究結果發現：對于頁巖地層而言，采用常規的均質地層水平地應力預測模型研究井壁穩定性，低估了水平井的地層坍塌壓力；采用改進的水平地應力預測模型計算得出的坍塌壓力與實際情況吻合較好；沿最小水平地應力方向鉆進的水平井，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定。研究結論可以為頁巖氣井鉆井設計提供參考。
關鍵詞 頁巖氣藏 水平井 層理產狀 層理地層地應力 計算模型 井壁穩定性 四川盆地
頁巖氣作為典型的非常規能源已引起人們越來越多的關注，并具有廣闊的開發潛力[1-3]。
頁巖氣藏勘探開發需要大規模鉆井作業，為保證產能頁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定性研究。頁巖屬于典型的層理性巖石，在以往研究中，先后有學者建立和改進了層理性地層的定向井坍塌壓力計算模型[4-6]，但是對于地應力的處理方式都是按照均質各向同性體進行的。這對于頁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存在差異，常規的地應力計算模型已不適用于頁巖地層。對此王越之教授[7]等人提出了橫向各向同性地層地應力計算模型，本研究在考慮了有效應力和地層傾斜的基礎上，改進了層理性地層地應力計算模型，并初步探討了頁巖氣藏水平井坍塌壓力隨層理產狀的變化規律。
1 我國頁巖氣鉆井現狀
我國頁巖氣勘探開發技術正處于起步階段，目前所鉆的水平井數量較為有限，主要集中在四四川盆地的長寧構造、威遠構造以及鄂爾多斯盆地等地區。頁巖氣藏鉆井的重點和難點在于水平段，由于頁巖氣井水平段一般較長，普遍在1
以四川盆地威遠構造所鉆的某頁巖氣井為例[9]，該井鉆井周期34 d，后期通井耗時達38 d，通井過程中舉升出井的垮塌物體積達
井壁坍塌不僅會影響鉆井工期，更重要的是井眼不規則會降低固井質量，影響套管承壓能力，威脅后續壓裂的安全性。為此針對頁巖氣藏水平井展開了地應力、巖石力學特性和井壁穩定性等一系列研究。
2層理性地層地應力計算模型
地應力是研究井壁穩定的重要因素之一，產生地應力的原因十分復雜，包括板塊邊界受壓、地幔熱對流、巖漿入侵、地層重力以及構造運動等。諸多影響因素中能夠定量描述的只有通過權值系數法處理的地層重力與構造應力兩方面。
目前對于地應力的定量研究基本都是基于均質各向同性地層而言的，廣泛應用的地應力計算模型如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。而頁巖地層屬于橫觀各向同性體，對于頁巖井壁穩定問題仍采用均質模型顯然不合理。根據復合材料結構性力學原理，王越之教授提出了不同層理產狀下橫向各向同性地層地應力的計算模型。
本研究在王氏模型的基礎上，參照黃氏模型的建立方法，根據多孔介質有效應力理論認為構造運動和頁巖各向異性只影響到骨架應力，不會對孔隙壓力造成影響(構造運動引起的異常高壓除外)，將以上兩項因素與Biot系數分別作為有效應力與孔隙壓力的權值，再結合地層傾斜的影響計算水平地應力[11]。對于任意傾角的地層，計算通式如下：
式中A、B為構造應力系數，E、E＇、ν、ν＇分別為橫觀各向同性體的彈性參數，φ為地層傾角，ω為地層傾向，ω0為水平最大地應力方位。
對于水平層理地層，水平面為各向同性面。彈性參數可以通過室內實驗測得或VSP地震數據求取，同時忽略地層傾斜的影響，將彈性參數代入式(1)即可求取地應力。
天然地質條件下，地層一般都是斜層理發育。而各向異性體最突出的特點是其方向性，彈性參數與坐標取向有關。對于斜層理地層，應將斜坐標系中的柔度矩陣轉換到水平坐標系中，再根據逆矩陣關系計算彈性系數，中間的坐標轉換過程為：
式中Smnop為斜坐標系中的柔度矩陣，S＇ijkl為水平坐標系中的柔度矩陣，lij為方向余弦矩陣。
3頁巖巖石力學特性
根據四川盆地某頁巖地層所取巖心進行室內強度實驗。用金剛石取心鉆頭在巖心上套取ø
本研究簡化了Jaeger及McLamore[12-13]等人建立的強度準則，根據實驗數據采取了內摩擦角恒定，黏聚力(τ)隨角度變化的頁巖地層強度公式：
4 頁巖氣藏水平井坍塌壓力計算模型
對頁巖氣藏鉆井而言，一般情況下為了提高壓裂效率，水平井都會沿最小地應力方向鉆進，如圖5所示。根據本文第2部分提出的模型計算求得地應力后，將其從大地坐標系(1，2，3)轉換到井眼坐標系(x，y，z)，轉換關系如式(6)所示：
式中L為坐標系轉換矩陣。
根據多孔介質彈性理論，并視井壁穩定問題為平面應變問題，則相應的平衡方程、幾何方程、本構方程以及邊界條件分別為：
式中σij,j為應力分量；fi為體積力；εij為應變分量；ui,j為位移分量；δij為Kronecker符號；D為井眼坐標系下的本構方程，井眼坐標系與層理面坐標系DT的轉換關系為D=qDTqT；σr為井壁徑向應力；ρw為鉆井液液柱壓力。
根據以上控制方程，結合適當的強度準則，可以建立不同層理產狀下頁巖地層水平井坍塌壓力計算模型。本研究計算參數選取如下：ø=33。、E=21 GPa、E＇=25 GPa、ν=0.2、ν＇=0.19、G=19 GPa；上覆巖層壓力當量密度
層理面產狀設置如下：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°為單位順時針遞增到N360°E。根據以上模型與參數，計算沿最小地應力方向所鉆水平井在不同層理產狀下的坍塌壓力變化規律。
5 結果分析與實例對比
編程計算過程中，分別采用層理地層地應力模型和均質地層地應力模型(選擇“六五”模型)進行地應力預測，當水平井眼沿最小地應力方位(N150°E)延伸時，隨層理面傾角與傾向的變化，坍塌壓力風險分布如圖6～9所示。
計算結果表明：沿最小地應力方向鉆進的水平井，按照改進的地應力模型計算所得坍塌壓力普遍高于“六五”模型的計算結果。而且坍塌壓力在地層傾角45°左右時存在極大值，在[0°，45°]的區間內，隨傾角的增大坍塌壓力逐漸增加；在[45°，90°]區間內，隨傾角的增大坍塌壓力有所降低，對于地層傾向更接近最小地應力方位的地層，坍塌壓力下降幅度更大。
實例對比：四川盆地相同埋深處的某頁巖氣藏水平井X井，井深2
6 結論
1)頁巖地層水平段井壁失穩主要是由于層理面強度較低和層理地層地應力的特殊性導致的。
2)頁巖地層的地應力計算模型不同于常規均質地層，忽略地層各向異性對地應力的影響會在一定程度上低估坍塌壓力，造成嚴重井壁失穩。
3)在鉆進地層傾角為30°～60°之間的頁巖氣藏水平井時，應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，越接近最小地應力方向下降幅度越大。
參考文獻
[1] 鄒才能，董大忠，王社教，等．中國頁巖氣形成機理、地質特征及資源潛力[J]．石油勘探與開發，2010，37(6)：641-651．
[2] 徐建永，武愛俊．頁巖氣發展現狀及勘探前景[J]．特種油氣藏，2010，17(5)：1-6．
[3] U．S．Energy Information Administration．Shale gas in the United States：recent developments and outlook [EB／OL]． (
[4] 金衍，陳勉，柳貢慧，等．弱面地層斜井井壁穩定性分析[J]．石油大學學報：自然科學版，I999，23(4)：34-35．
[5] 蔚寶華，鄧金根，閆偉．層理性泥頁巖地層井壁坍塌控制方法研究[J]．石油鉆探技術，2010，38(1)：56-58．
[6] 譚強，鄧金根，張勇，等．各向異性地層定向井井壁坍塌壓力計算方法[J]．斷塊油氣田，2010，17(5)：608-610．
[7] 王越之，李自俊．橫向各向同性地層地應力的研究[J]．石油學報．1999，20(1)．
[8] 崔思華，班凡生，袁光杰．頁巖氣鉆完井技術現狀及難點分析[J]．天然氣工業，20ll，31(4)：72-75．
[9] 張德軍．四川油氣田頁巖氣水平井鉆完井技術[EB／OL]．
(
[10] 黃榮樽，莊錦江．一種新的地層破裂壓力預測方法[J]．石油鉆采工藝，l986，8(3)：1-3．
[11] 樓一珊，金業權．巖石力學與石油工程[M]．北京：石油工業出版社，2006：84．
[12] JAEGER J C，COOK N G W．巖石力學基礎[M]．中國科學院工程力學研究所，譯．北京：科學出版社，1981：80-84．
[13] MCLAMORE R T，GRAY K E．A strength criterion for anisotropic rocks based upon experimental observations[C]//paper l721-MS presented at the Annual Meeting of the American Institute of Mining，Metallurgical，and Petroleum Engineers，19-23 February l967，Los Angeles．California，USA．New York：SPE，1967．
本文作者：袁俊亮 鄧金根 蔚寶華 譚強 范白濤
作者單位：中國石油大學(北京)巖石力學研究室 中海石油(中國)有限公司天津分公司
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