地应力异常对井壁稳定的影响
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发布时间：2022-05-06 15:14
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时间：2022-07-01 04:00
式（7.1）和式（7.2）中R值较低的主要原因：
1）龙门山地震断裂带的地应力以7.7×10-4MPa/a的速度积累（王连捷等，2009），而选取的地应力数据时间跨度较长。
2）汶川大地震时各地应力释放不一致，有些地层地应力得到释放，而局部地层则产生较高的构造地应力、形成地应力异常，测量数据不能反映同一点地震前后的应力变化。
3）汶川大地震时，地震断裂带及附近岩石遭受强烈挤压破碎，完整性较差，影响到水力压裂试验测量数据的准确性。
4）该地区多次发生较大的地震，断层泥总厚度约150cm，每次地震活动并不完全沿袭老的地震断裂主滑移带滑动，而是沿着断层泥边部区域滑动，可能存在应力突变，使地应力随深度的变化规律发生改变。
WFSD科学钻探钻进地层为炭质泥岩、页岩、砂岩、蚀变花岗岩和凝灰岩等，具有地层破碎、裂隙发育、断层泥膨胀、地应力高等特点，采用单动双管取芯钻进，内管为半合管。有时打开半合管时，岩心较完整，片刻之后，岩心表面出现裂纹，甚至岩心开裂；有时岩心膨胀，将半合管胀开，导致内外管卡死。正是上述地应力的影响，使得WFSD项目钻井施工异常困难，井内事故频发，井壁稳定问题十分突出。
7.3.1 地应力异常
在保证钻孔允许一定扩径率的前提下，WFSD-2井取心钻进的泥浆密度为1350～1380kg/m3。取心钻进至井深1270.11～1272.24m时发生地层压裂，井口不返浆，泥浆密度为1380kg/m3，环空压力0.229MPa，井底当量泥浆循环密度1398kg/m3；当泥浆密度降低到1340kg/m3、井底当量泥浆循环密度1358kg/m3时，泥浆循环恢复正常，并出现“井漏反吐”现象。
“井漏反吐”现象表明，该地层的破裂压力当量密度仅为1358～1398kg/m3，而上部地层的坍塌压力当量密度1338kg/m3，综合考虑环空泥浆循环压力损失、起下钻以及开泵造成的压力波动等因素，无法建立上下井段均安全的泥浆密度。泥浆密度大于1360kg/m3时地层压裂、泥浆漏失；泥浆密度小于1320kg/m3时上部井段坍塌掉块、井壁缩径、提钻遇阻。WFSD-2井取心钻进至1369.80m*扩孔下套管护壁，而扩孔钻进1330.23m上提钻具至1254.83m处遇阻，开泵循环泥浆压裂地层，井口不返浆，造成卡钻事故，爆破松扣形成30.48m落鱼，落鱼钻具组合为：Φ200mm牙轮扩孔钻头×0.22m+Φ200mm金刚石扩孔器×0.84m+Φ159mm钻铤×9.08m+Φ200mm稳定器×1.09m，*侧钻绕障。
对于这种下部地层破裂压力当量密度与上部地层坍塌压力当量密度相差很小的钻孔，只能通过下套管护壁的方式解决井壁稳定的问题。
7.3.2 断层泥膨胀应力
断层泥是断层运动时断层附近破碎的岩石在高温高压条件下经过剪切、滑动、碎裂、碾磨和黏土矿化作用而形成的，是活动断裂带的直接表现形式之一，利用断层泥中矿物组成可以推断断层形成时的温度、压力，进而推断发震机制。
野外调查和WFSD-1井岩心编录发现，龙门山断裂带的北川-映秀断裂带整体宽约120m，分布有近80条含有断层泥的次级断裂带，断层泥的厚度由几毫米到25cm不等。该断层泥的主要矿物成分为伊利石、绿泥石和石英，其力学特性表现为：
1）通过对断层泥的粒度分析显示，粒径在0.075～0.005mm之间的质量分数为32%，粒径小于0.005mm的质量分数为26%。可以推论，高温高压条件下断层泥经过了破碎和脱水过程，与断层角砾岩相比，断层泥在断层活动的过程中孔隙度降低、视密度升高，释放部分空间吸纳断层附近岩石所产生的变形，断层附近地应力降低。
2）随着时间的推移，断层泥不断从外界吸附水分，使其含水量不断增加。研究表明，断层泥的内聚力、内摩擦系数以及起始流变应力随含水量的增加而呈负指数减小。根据式（4.23）和式（4.24），断层泥破坏时所需作用在剪切面上的剪应力降低，地层坍塌压力当量密度升高。由于WFSD-2井在1270.11～1272.24m处存在较低的地层破裂压力当量密度，扩孔和全面钻进阶段泥浆密度仅为1320kg/m3，每次提下钻均发生遇阻现象，扩孔至1330.23m提钻时因遇阻导致卡钻事故。
3）随着含水量的增加，断层泥膨胀，应力升高，并逐渐达到应力平衡状态。井眼的形成打破了原地应力的平衡状态，断层泥因吸附泥浆的失水而膨胀，导致断层泥井段钻孔缩径、而断层角砾岩井段坍塌掉块，WFSD-1井、WFSD-2井和WFSD-3井均多次发生提钻过程遇阻和卡钻事故。WFSD-2井井深638.01～842.25m严重扩径，其中井深704m处最大直径达429.26mm（取心钻头外径为150mm）。图7.2为WFSD-2井钻取的具有代表性的龙门山断裂带断层泥，钻头内径95mm，断层泥的岩心直径膨胀到101mm，将半合管胀开（图7.3），内外管卡死，半合管无法从外管内取出。
图7.2 WFSD-2井断层泥
图7.3 断层泥膨胀导致半合管胀开
7.3.3 密度微调法确定地层坍塌压力和破裂压力（张培丰，2012）
由式（4.23）和式（4.24）可知，掌握所钻地层的应力状态是建立安全钻井的钻井液当量密度窗口的基础，地应力的测试方法主要有现场水力压裂试验法和室内声发射试验法。由于水力压裂试验要求关井试压直至地层或套管固结的水泥环发生破漏为止，以确定其最大的承压能力，许多人担心由此引起不良的后遗症；其次，龙门山地震断裂带地层破碎，水力压裂试验法误差较大；第三，对于龙门山地震断裂带复杂的地应力来说，不可能在一口井内多次反复采用水力压裂试验法测试地应力。室内声发射试验法往往又滞后于钻井施工。笔者推荐一种现场简易的、最直接测定地层坍塌压力和破裂压力的方法——钻井液密度微调法。
泥浆循环过程中，作用在井壁上的外压力为泥浆柱静压力与环空压力降之和，即：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
式中：Pb为井底压力；Pm为泥浆液柱静压力；Pa为环空流动压力降。
式（7.3）可以采用当量密度的表达式：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
式中：ρb为井底压力当量密度；ρm为泥浆密度；ρa为环空动压当量密度。
由式（4.23）和式（4.24）可知，当井底压力当量密度大于地层坍塌压力当量密度ρc时，地层不会坍塌或缩径；当井底压力当量密度小于地层破裂压力当量密度ρf时，地层不会压裂。
由式（7.4）可知，可以通过调整泥浆密度或环空动压当量密度来控制井底压力的大小。环空动压当量密度的调整是通过调节泥浆的排量和泥浆流变参数来实现，由于其调节的复杂性和可调范围狭窄，一般不采用调整环空动压当量密度的方法，而是采用调整泥浆密度的方法。但是，环空动压当量密度这一压力附加量可以很方便地通过开泵和停泵而施加或消失，即在开泵的条件下，井底压力当量密度由式（7.4）计算；停泵的条件下，井底压力当量密度的表达式为：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
如图7.4所示，假定泥浆密度为ρa1（A点），循环时井底压力当量密度为（ρb1=ρa1+ρa）地层坍塌或缩径，那么停泵时，将泥浆密度提高一个环空动压当量密度值ρa的大小量，泥浆静止时井底压力当量密度同样为（ρa2=ρa1+ρa），地层也会坍塌或缩径。因此，可以把环空动压当量密度值ρa的大小作为泥浆密度的微调量，逐级提高泥浆密度。当泥浆循环时不发生地层坍塌或缩径，此时井底压力当量密度值（ρa3+ρa，B点）即为地层坍塌压力当量密度ρc；继续逐级提高泥浆密度，直至泥浆循环时出现地层破裂显示，该井底压力当量密度值（ρb5=ρa5+ρa，C点）即为地层破裂压力当量密度ρf。
图7.4 钻井液密度微调试验原理
环空动压当量密度值ρa的大小可以通过相关公式计算。一般来说，环空动压当量密度为：泥浆密度低于1200kg/m3的轻泥浆，ρa为20～40kg/m3；泥浆密度高于1500kg/m3的重泥浆，ρa为40～60kg/m3；黏度高的重泥浆或环空返速大于1.0m/s时，ρa可能超过100kg/m3，黏度低的轻泥浆或环空返速低于0.5m/s时，ρa可能低于10kg/m3。
由图7.4确定，井壁稳定的条件为：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
考虑到提钻加速期钻具抽吸状态下井底压力当量密度（最小值）大于或等于地层坍塌压力当量密度、下钻加速期或开泵以及泥浆循环状态下井底压力当量密度（最大值）小于或等于地层破裂压力当量密度，则井壁稳定的泥浆密度范围：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
式（7.7）、（7.8）、（7.9）、（7.10）中：ρ1为提钻加速期环空压力降当量密度；ρ2为下钻加速期或开泵瞬间环空压力降当量密度，等于ρ21和ρ22间的较大值；va为泥浆上返速度，；D为钻井液环空流动通道，D=Dh-Dp，Dh为钻孔直径，Dp为钻杆外径；D0为当量钻杆内径，当带内管提下钻时，过水断面的当量直径；f为范宁摩擦因数，其值取决于钻井液流变模式和流动状态，当流态为层流时，雷诺数Re≥2100，；当流态为紊流时，雷诺数Re＜2100，；vm为提钻加速期或下钻加速期泥浆最大上返速度，，其中，Kf为泥浆的黏性系数，无因次，可近似取Kf=0.45；vp为提钻加速期或下钻加速期泥浆平均上返速度；ap为提钻或下钻加速度。
