层理产状对页岩气水平井井壁稳定性的影响_赵凯
陆相页岩气水平井段井壁失稳机理及水基钻井液对策
天 然 气 工 业Natural Gas INdustry 第40卷第4期2020年 4月· 104 ·陆相页岩气水平井段井壁失稳机理及水基钻井液对策王波1,2 孙金声1,3 申峰2 李伟2 张文哲21.中国石油大学（华东）石油工程学院2.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院3.中国石油集团工程技术研究院有限公司摘要：鄂尔多斯盆地陆相页岩气井水平段井壁失稳问题，是制约该盆地延长区块中生界上三叠统延长组页岩气资源勘探开发的重大工程技术难题。
为此，采用X射线衍射分析获取页岩矿物组分特征，并分析其理化特征、比表面积及微观结构，在此基础上研发了基于纳米封堵的低自由水活度页岩水基钻井液体系（PSW-2），并现场应用于5口陆相页岩气水平井，保障了其长水平段钻进井眼的稳定性。
研究结果表明：①该区延长组页岩黏土矿物含量高，属弱膨胀、易分散、多层理裂缝地层，井壁失稳是力学、物理化学、钻井机械扰动等因素综合作用的结果；②页岩平均孔径为4.494～8.502 nm，毛细管作用明显、吸水能力较强、水化不均匀，导致页岩局部强度下降，易形成突发性垮塌；③研制的PSW-2体系API滤失量低于2.8 mL、滚动回收率为95.15%（接近于油基钻井液98.25%的回收率）、线性膨胀率低至1.38%，润湿角由干岩样的26°增大为56.5°；④该钻井液体系浸泡后抗压强度增加至95.806 MPa，接近于原岩的强度（110.70 MPa）。
结论认为，该水基钻井液体系通过微纳米成分封堵页岩孔隙、降低液相活度提高抑制性、减弱页岩毛细管自吸效应的多元协同，破解了井壁失稳的难题。
关键词：鄂尔多斯盆地；陆相页岩气；晚三叠世延长期；水平井；井壁失稳；水基钻井液；抑制性DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2020.04.013Mechanism of wellbore instability in continental shale gas horizontal sections andits water-based drilling fluid countermeasuresWANG Bo1,2, SUN Jinsheng1,3, SHEN Feng2, LI Wei2, ZHANG Wenzhe2(1. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum <East China>, Qingdao, Shandong 266580, China;2. Research In-stitute, Shaanxi Yanchang Petroleum <Group> Co. Ltd., Xi'an, Shaanxi 710075, China;3. CNPC Engineering Technology R&D Co. Ltd., Beijing 102206, China)NATUR. GAS IND. VOLUME 40, ISSUE 4, pp.104-111, 4/25/2020. (ISSN 1000-0976; In Chinese)Abstract: The wellbore instability in the horizontal sections of continental shale gas wells in the Ordos Basin is a major engineering and technical problem that restricts the exploration and development of the shale gas resources in the Yanchang Formation of Upper Triassic of Mesozoic in the Yanchang Block. To solve this problem, this paper analyzed the characteristics of mineral components in shale by means of X-ray diffraction. In addition, its physical and chemical characteristics, specific surface area and microstructure were analyzed. On this basis, a shale water-based drilling fluid system (PSW-2) of low free water activity based on nano plugging was developed. And it was applied on site at five horizontal wells in continental shale gas reservoirs to ensure the wellbore stability of their long horizontal sections. And the following research results were obtained. First, the Yanchang Formation shale in this area has a high content of clay mineral, and it is a fractured formation of weak expansion, easy dispersion and multiple bedding, so the wellbore instability here is the result of the comprehensive action of mechanical factors, physical and chemical factors, drilling mechanical disturbance, etc. Second, the shale has average pore diameter is 4.494-8.502 nm and is characterized by obvious capillary action, strong water absorption capacity and uneven hydration, which result in the decrease of local shale strength, so sudden collapse tends to happen easily. Third, the API loss of PSW-2 system is less than 2.8 mL, the rolling recovery rate is 95.15% (close to the recovery rate of oil-based drilling fluid 98.25%), the linear expansion rate is as low as 1.38%, and the wetting angle increases from 26° of dry rock samples to 56.5°. Fourth, the compressive strength of the system after immersion increases to 95.806 MPa, which is close to the original rock strength (110.70 MPa). It is concluded that this water-based drilling fluid system can effectively ensure wellbore stability by blocking the pores of shale with micro nano com-ponents, reducing the activity of liquid phase to increase the inhibition, and weakening the multi-element collaboration of the capillary imbibition effect of shale.Keywords:Ordos Basin; Continental shale gas; Upper Triassic Yanchang Formation; Horizontal well; Wellbore instability; Water-based drilling fluid; Inhibition基金项目：国家科技重大专项“陆相页岩气水平井高效低成本钻完井技术”（编号：2017ZX05039-003）。
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析威远地区是四川盆地页岩气资源非常丰富的地区之一，页岩气水平钻井井壁稳定性是页岩气开发中一个重要的问题。
本文将对威远地区页岩气水平钻井井壁稳定的影响因素进行分析，以期为页岩气开发提供参考。
一、地质条件威远地区处于四川盆地西北缘，地处成都、绵阳、广元三市的交汇处，其地质构造以隆起为主。
该地区的页岩气储层主要分布在下侏罗统和中侏罗统地层，页岩气储层岩性为泥页岩和页岩，孔隙度较小，渗透率较低。
受地质构造和构造运动的影响，地下应力复杂，存在较大的地应力梯度，这是影响井壁稳定性的主要地质因素之一。
三、钻井液性能钻井液在水平钻井中起着非常重要的作用，其性能直接影响到井壁的稳定性。
在威远地区页岩气水平钻井中，由于地层的特殊性，通常会选择高密度、高黏度的钻井液，以增加井壁支撑力和稳定性。
还需要加入一定的井壁保护剂和抑制剂，以减小井壁的侵蚀和破坏，提高井壁的稳定性。
四、施工工艺水平钻井的施工工艺对井壁稳定性也有很大的影响。
在威远地区进行页岩气水平钻井时，需要选择合适的钻具和施工工艺，以减小地下应力的影响和地质构造的影响，提高井壁的稳定性。
还需要对井眼进行定向和轨迹控制，以保证钻井的顺利进行和井壁的稳定性。
五、温度和压力在页岩气水平钻井中，地层的温度和压力也是影响井壁稳定性的重要因素。
在威远地区，由于地层深度较大，地温和地压较高，这就对钻井液的性能和钻具的选择提出了更高的要求。
还需要加强对井眼周围地层的分析和评价，以确定井壁稳定的技术措施和支撑材料。
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定的影响因素包括地质条件、井筒结构、钻井液性能、施工工艺和温度压力等多个方面。
针对这些影响因素，需要选择合适的技术措施和支撑材料，以保证页岩气水平钻井的顺利进行和井壁的稳定性。
希望本文的分析能为威远地区页岩气开发提供一定的参考和指导。
层理产状对页岩气水平井井壁稳定性的影响
第Байду номын сангаас３期
２ ０ １ ３年 １ 月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖ ｏ １ ． １ ３ Ｎ ｏ ． ３ Ｊ ａ ｎ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ １ —１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ５ ８ ０ — ０ ４
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
采， 普通 油气 已难 以满 足 工 业 发 展 的 需 求 ， 页 岩气 作 为典 型 的非 常规 能 源 已 引起 人 们 越 来 越 多 的关 注 Ｊ 。据 美 国能源 情 报 署 （ Ｅ Ｉ Ａ） 估 计 ， 全 球 页 岩 气 风 险地 质储 量 高 达 ６ ２ ３万 亿 立 方米 ， 可采 储 量 达 １ ６ ３万亿立 方 米 ， 具 有 广 阔 的开 发 潜 力 。页 岩 气 勘 探开发 需要 大规模 钻 井 作业 ， 随 之而 来 的 是水 平 钻
之一 ｌ ６ ’ ７ ］ 。
根据 四川盆 地龙 马溪 组 所取 得 的 岩心 ， 进 行 室 内强 度实 验 ， 实 验装 置 为美 国 ＭＴ Ｓ 一 ８ １ ６型 岩石 强 度 试 验机 。为研究 层 理 面对 页 岩强 度 的影 响 ， 在 试 样
取 芯过程 中 ， 岩 芯轴 线 和层 理 面 法 向之 间按一 定 角 度 钻取 ， 角度依 次为 ０ 。 、 １ ５ 。 、 ３ ０ 。 、 ４ ５ 。 、 ６ ０ 。 、 ７ ５ 。 、 ９ ０ 。 ， 共 测定 了七块 岩 芯 的单 轴抗 压 强 度 。结 果表 明 ： 页
井 的井 壁失 稳 问题 。
层理性泥页岩大斜度井井壁稳定性研究
＠ ２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
石 油 技 术
层 理 性 泥 页岩 大 斜 度 井 井 壁 稳 定 性 研 究
赵 凯 邓金根 蔚 宝华 谭 强 袁俊亮
（ 中国石 油大学 （ 北京 ） 石油工程教育部重点实验室， 北京 １ ０ ２ ２ ４ ９ ）
井壁 稳 定 研 究 首 先 要 求 解 井 眼 周 围 的应 力 分 布， 然后选 择 合适 的 破 坏 准则 判 断 井 壁 岩 石是 否发
Ｊ— Ｌ ｓ ｉ
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（ ｌ ＋ ３ Ｒ ４ — ４ Ｒ ２ ） ｃ ｏ ｓ ２ ０ ＋ （ Ｔ ｘ ｙ （ ， ＋ ３ 了 Ｒ ４ 一 ２ ） ｓ ｉ ｎ ｚ
ｌ ＝ 一 等 Ｐ ＋ （ ＋ 等 ） 一 × ｌ （ ＋ 等 ） ｃ 。 ｓ ２ 一 （ ＋ ３ ＿ Ｒ ４ ＿ — ４ Ｒ ２ ） ｓ ｉ
摘
要
层理性泥 页岩 的井壁失稳是制 约深部 油气钻井 成功 的关键 问题 之一。 由于强度 的各 向异 性， 钻 进大斜度 井 时更容
易发 生严 重的井壁 失稳 问题。根据多孔介质弹性力 学理 论 ， 建立 了大斜度 井井周 应力状 态 ， 采 用双 重坐标 转换， 得 到 了井周 集 中应力在层理 面上的分布。层理弱面和岩石基体均采用莫 尔一 库仑 破坏准 则， 建 立 了层理 性泥页岩大斜度 井井壁 稳定 分析 方法 ， 综合考虑 了层理面产状 、 井斜方位和地应力等 因素 的影 响。研 究结果表 明 ， 对特 定产状 的层理面 而言， 井斜 角和方位角
页岩气储层岩石力学特性及井壁稳定性分析
页岩气储层岩石力学特性及井壁稳定性分析页岩气是一种非常有前景的能源资源，其储层岩石力学特性和井壁稳定性对于开发和生产页岩气十分重要。
本文将详细分析页岩气储层岩石力学特性和井壁稳定性，并探讨其影响因素和解决方法。
1. 页岩气储层岩石力学特性页岩气储层岩石具有以下几个主要的力学特性：1.1 低渗透性：由于页岩中孔隙度低、连通性差，储层渗透率低，导致气体难以流通和开采。
1.2 脆性：页岩岩石易于破裂和碎裂，在压力作用下容易萌生裂缝，但裂缝的扩展能力有限，对气体渗透性的改善作用有限。
1.3 维持力弱：页岩岩石强度较低，常常呈现脆性破裂，难以在高温高压环境下维持稳定。
1.4 孔隙结构复杂：页岩储层的孔隙结构相对于传统储层来说较复杂，主要包括纳米孔隙和裂缝孔隙，这对储层渗流特性和岩石力学性质产生影响。
2. 井壁稳定性分析井壁稳定性是指井壁在钻井和生产过程中不发生塌陷、裂缝和滑移等现象的能力。
页岩气储层的井壁稳定性主要受到以下几个因素的影响：2.1 初始地应力：页岩气储层通常位于深部地层，初始地应力较高。
高差异性地应力使得井壁容易发生塌陷和滑移。
2.2 井壁液压：钻井液和地层流体与井壁之间的相互作用会改变井壁的力学性质，进而影响井壁稳定性。
2.3 复杂的页岩岩石力学特性：页岩岩石具有复杂的力学特性，对井壁稳定性的影响也较大。
岩石破碎、断裂和固结都会导致井壁的变形和破坏。
2.4 井壁支撑能力：井壁支撑材料的选择和加固对于井壁稳定性至关重要。
针对这些影响因素，可以采取以下措施来提高页岩气储层的井壁稳定性：1. 优化钻井液：选择适当的液相比重、粘度和有效抑制剂，减小与地层的相容性差异，降低井壁液压引起的问题。
2. 加强井壁支撑：选择适当的井壁支撑材料，如钢夹心井壁、钢网井壁等，提高井壁的强度和稳定性。
3. 预防井壁塌陷：通过合理的斜井设计、优化固井技术和有效的井壁支撑材料，减少井壁塌陷的风险。
4. 精确控制钻井参数：合理控制钻井参数，如钻井液性质、钻进速度和饱和度等，减少对井壁的损害。
页岩气藏水平井拟稳态产能研究及影响因素分析
页岩气藏水平井拟稳态产能研究及影响因素分析周培尧;郭文;喻鹏;崔金榜;张广海【摘要】页岩气是赋存于富有基质泥页岩及夹层中,以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气.页岩气储量巨大,开发前景被业内广为看好,但其低孔低渗特性使得开发难度高于常规气藏.水平井分段压裂技术开发页岩气已成为世界趋势,但由于页岩气在页岩基质和人工裂缝中呈赋存状态,且独有的渗流特性,压裂在储层内部形成的复杂裂缝网络,使其产能分析较为复杂.以常规压裂机理为基础,利用水平井特定生产指数,考虑页岩气朗格缪尔解吸附作用,建立水平井体积压裂拟稳态产能模型,完整推导了拟稳态流下页岩水平井裂缝产能公式,并对影响产能的因素作出具体分析.对于我国页岩气开发中的适应性问题及页岩压裂特点的裂缝扩展和产能预测具有重要的理论指导意义.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2014(033)010【总页数】5页(P10-14)【关键词】页岩气;拟稳态;压裂水平井;模拟计算【作者】周培尧;郭文;喻鹏;崔金榜;张广海【作者单位】西安石油大学CNPC油藏改造重点实验室,陕西西安710065;西安石油大学CNPC油藏改造重点实验室,陕西西安710065;中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司,山西长治046000;中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司,山西长治046000;中国石油集团渤海钻探工程有限公司,天津300457【正文语种】中文【中图分类】TE319页岩气作为一种典型的非常规天然气资源，在全球范围内广泛分布，初步探明总资源量达到636.283×1012m3，接近致密砂岩气和煤层气的探明资源量之和，开发前景巨大[1-2]。
据中石油勘探开发研究院廊坊分院2008 年预测数据显示，我国页岩气资源量为30 万亿m3，这在很大程度上能够有效地缓解我国能源紧缺的局面[3]。
但页岩气藏不同于常规气藏，其具有低孔隙度、低渗透率、吸附气与游离气并存、气水界面模糊、气层厚度大，具有隔夹层及异常压力等特点，极大增加了页岩气的开发难度，因此页岩气藏必须经过水力压裂才能获得较高的产能。
气体钻水平井井壁稳定性分析新方法
气体钻水平井井壁稳定性分析新方法朱澄清;肖国益;李皋;朱化蜀【摘要】与常规钻井液钻井相比,气体钻井技术在提高机械钻速、保护油气层等方面有着无可比拟的优势,其中井壁稳定是气体钻井过程中最为突出的问题.目前对于气体钻水平井没有一套合理的井壁稳定分析方法,给现场钻井带来很多困难.在直井井壁稳定分析理论模型的基础上,通过应力转换,确定水平井段围岩应力,结合测井数据去水化校正,建立气体钻水平井井壁稳定计算模型,形成了一套完整的气体钻水平井壁稳定分析方法.将该方法应用于川西地区气体钻水平井井壁稳定分析,理论分析与工程实际结果吻合,验证了该方法的可行性.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(014)003【总页数】5页(P94-98)【关键词】气体钻水平井;井壁稳定;应力转换;去水化校正【作者】朱澄清;肖国益;李皋;朱化蜀【作者单位】中国石油化工股份有限公司西南油气分公司,成都610016;中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院,德阳618000;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500;中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院,德阳618000【正文语种】中文【中图分类】TE243目前气体钻水平井技术在我国应用较广。
由于气体取代了常规钻井液作为循环介质，循环产生的井底压力很小，对于井壁的支撑作用非常小，井壁变得更加不稳定，容易发生垮塌失稳。
不同于常规液体钻井，气体钻井不会对近井壁岩石应力分布和岩石强度产生影响，岩石表现为原始岩石力学参数。
现有气体钻水平井井壁稳定分析未能考虑水平井眼条件下井壁应力的真实分布，没有根据测井数据得到气体钻井下的真实岩石力学参数，因此不能对现场水平井段稳定进行有效准确的分析，为气体钻进带来安全隐患。
本文从力学角度出发，通过应力转换，确定了井壁应力分析和判断准则，结合测井数据气体钻井去水化校正方法，建立了水平井段在气体循环条件下的坍塌压力计算模型，形成了一套与现场紧密结合的气体条件下水平段钻进井壁稳定分析新方法。
层理性页岩水平井井壁稳定性分析
层理性页岩水平井井壁稳定性分析马天寿;陈平【摘要】基于孔隙弹性力学和单结构面强度理论,建立层理性页岩水平井井壁稳定力学分析模型,分析层理面产状(走向、倾角)、井眼轨迹(井眼方位)和层理面强度弱化对水平井井壁稳定的影响.研究结果表明:页岩层理面产状和层理面强度弱化是导致水平井井壁坍塌失稳的主要因素;层理面倾角为0°～30°时,沿着任何方位钻水平井的井壁稳定性都比较差,而层理面倾角为30°～90°时,沿特定方位钻水平井的井壁稳定性却比较好的,这便为井眼钻进方位的优化设计提供重要依据;层理面强度弱化的影响可以比层理面产状的影响更大,不同产状下坍塌压力差异可达0.45 g/cm3,而层理面强度弱化导致的井壁坍塌压力可增加约0.54 g/cm3;钻井液在渗透作用下沿层理面侵入地层,导致层理面黏聚力和内摩擦角降低,使井壁岩石更容易沿层理产生滑移,从而加剧井壁坍塌失稳的风险.最后,采用该模型在四川东南部威远构造第一口页岩气水平井W201-H1井进行了验证,井壁坍塌压力分析结果与实际情况吻合良好.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(046)004【总页数】9页(P1375-1383)【关键词】页岩气;水平井;层理;井壁稳定;弱面;坍塌压力【作者】马天寿;陈平【作者单位】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;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【正文语种】中文【中图分类】TE21井壁不稳定问题是钻井工程中的世界性技术难题，也是安全高效钻井的核心问题之一[1]。
钻开地层形成井眼后，钻井液柱压力取代了所钻岩层提供的支撑，破坏了地层原有应力平衡，引起井眼周围岩石的应力重新分布。
如果重新分布的应力超过岩石所能承受的最大载荷(不管是抗拉强度还是抗压强度)，将会导致井壁失稳。
同时，钻井液滤液侵入地层，引起地层孔隙压力增加、岩石强度降低，将进一步加剧井壁的不稳定。
渝东南彭水页岩气水平井钻井技术
渝东南彭水页岩气水平井钻井技术【摘要】渝东南彭水区块页岩气水平井钻井存在存在地层胶结致密、可钻性差、地层倾角变化大、井眼轨迹控制难度大、大段泥页岩井壁稳定问题突出等技术难点，通过开展钻头优选、轨迹控制、强抑制钻井液等技术应用，现场取得良好效果，为该区块下一步水平井施工提速提供了可靠的依据。
【关键词】钻头轨迹控制井壁稳定水平井页岩气钻井彭水1 前言彭水区块地处重庆市东南部以及贵州省北部，面积6837.087km3。
主要钻探目的是为了探索彭水区块上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩含气性；了解目的层段的岩性、岩相发育情况及变化规律；获取目的层段有关评价页岩气的各项地质参数。
由于该区块地层胶结致密、可钻性差；地层倾角不断变化，井眼轨迹控制难度大，水平段长，井下磨阻大，大段泥页岩井壁稳定问题突出，是渝东南彭水区块页岩气水平井钻井面临的难题。
通过该区块的彭页hf-1井及彭页hf-2井2口水平井的钻井实践，开展钻头优选、轨迹控制、强抑制钻井液等技术应用，现场取得良好效果，提高了钻井速度，降低了开发成本，为该区块下一步水平井提速提供了可靠的依据。
2 施工难点分析（1）地层倾角大。
小河坝组和龙马溪组地层倾角大，层理发育，各向异性强，定向及扭方位难度大，地层漂移不定，无规律可循，钻井工程设计中井斜、位移、全角变化率要求严格，即使井斜很小，位移仍有可能超标，井身质量控制难度大。
（2）地层可钻性差。
小河坝组和龙马溪组的灰色泥岩、粉砂质泥岩与灰绿色泥质粉砂岩、粉砂岩互层，底部是浅灰色细砂岩，灰绿色粉砂岩；龙马溪组顶部为灰色含粉砂泥岩；上部为灰色泥岩，中部为深灰色-灰黑色页岩、粉砂质页岩、下部为灰黑色-黑色碳质页岩，可钻性极值达7-8左右，可钻性差。
（3）钻头选型难度大。
本区块邻井少，测井资料不全，钻头选型无依据可寻。
钻头剖面、切削齿分布及大小、钻头流道设计、钻头刀冀的数量匹配等因素直接影响机械钻速。
（4）井壁易失稳。
龙马溪组页岩受构造应力作用，裂缝发育，断层交错，地层易坍塌，井壁失稳严重影响安全钻井。
页岩气水平井高产层段判识方法及其应用——以四川盆地威远页岩气示范区下志留统龙马溪组为例
页岩气水平井高产层段判识方法及其应用——以四川盆地威远页岩气示范区下志留统龙马溪组为例石强;陈鹏;王秀芹;刘凤新【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2017(037)001【摘要】在页岩气勘探开发过程中,准确界定目的层中高产层段,对页岩气的效益开发具有十分重要的意义.为此针对四川盆地威远页岩气示范区高产层难以判定、导致水平井产气量差异巨大的问题,建立了水平井高产层段测井判识方法.首先以导眼井中游离气含气饱和度计算为基础,确定游离气富集的高含气饱和度层段,再以导眼井标志层测井组合特征建立小层划分标准,根据钻井旋回的连续性及沉积地层不可逆性原则,创建了“极值方波旋回对比”小层对比方法,准确界定了各水平井钻遇的地质小层.并利用同一井组各水平井钻遇不同小层厚度、实际压裂级数与产气量相关分析方法进行了方法验证.在此基础上对威远地区页岩气高产层段进行了判识,明确指出威远地区页岩气高产层段是下志留统龙马溪组底部的1套中高伽马值(超低去铀伽马)硅质页岩段,其厚度介于1.5～6.0 m,页岩气赋存方式以游离态为主.相关研究成果对该区块页岩气中高产层段的准确判识、界定并及时掌握其分布规律提供了技术支撑.【总页数】6页(P60-65)【作者】石强;陈鹏;王秀芹;刘凤新【作者单位】中国石油勘探开发研究院廊坊分院;中国石油勘探开发研究院廊坊分院;中国石油勘探开发研究院廊坊分院;中国石油勘探开发研究院廊坊分院【正文语种】中文【相关文献】1.利用地球物理综合预测方法识别页岩气储层甜点——以四川盆地长宁区块下志留统龙马溪组为例 [J], 陈胜;张连群;常鑫;赵文智;欧阳永林;曾庆才;杨青;侯华星;盖少华;包世海;李新豫2.基于测井资料识别页岩气储层的方法优选——以四川盆地长宁区块下志留统龙马溪组为例 [J], 刘璐;范翔宇;桑琴;赵鹏斐;梁永昌;崔荣龙3.四川盆地长宁-威远页岩气示范区下志留统龙马溪组泥页岩吸附特征及影响因素分析 [J], 李笑天;潘仁芳;鄢杰;李夏露;李晓薇;胡斌4.基于游离气为核心的页岩气层类型划分方法——以川南地区下志留统龙马溪组海相页岩气层为例 [J], 石强;蒋春碧;陈鹏;陈云天;王秀芹;刘凤新5.四川盆地东南缘页岩气富集模式——以丁山地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩为例 [J], 倪楷;王明筏;李响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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地层被钻开前， 井眼所处的地层在原始地应力 下保持平衡， 相应的井周岩石初始应力状态为 ：
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术
与
工
程
13 卷
图3
定向井坍塌风险分布图的衍变过程
的强度准则， 可求得页岩地层定向井坍塌压力 。 本研究 选 取 计 算 参 数 如 下： 岩 石 内 摩 擦 角 为 33° ， 泊松比 0. 25 ， 上覆岩层压力 47 MPa， 水平最大 地应力 40 MPa， 水平最小地应力 37 MPa； 水平最小 地应力方位与层理面倾向一致都为 N60° E ， 层理面 15° 、 30° 、 45° 、 60° 、 75° 、 90° 七种情况。 倾角取 0° 、 根据以上模型， 可计算随层理面倾角逐渐增大 过程中， 定向井井壁失稳风险分布图的衍变过程 。 在此基础上， 选取井斜角为 90° 时七种不同倾角下 的数据， 可分析水平井随层理面倾角逐渐增大的过 程中， 井壁失稳风险的变化规律。
页岩气主要赋存于低孔特低渗、 富含有机质的 暗色泥页岩或高碳泥页岩层系中， 在海相、 海陆过 渡相及陆相具有分布
［1 ］
性质硬脆， 容易发生井漏、 垮塌等问题 角，
［5 ］
。
以四川盆地威远构造所钻的某页岩气水平井 为例， 该井完井周期 74 d， 但后期通井处理复杂问题 处理过程中返出大量暗色页岩掉块 ， 掉 耗时达 38 d， 块呈片状， 具有明显的层理面。 井壁坍塌不仅仅会影响到钻井时效， 更重要的 影响压裂作业的安全 是井壁坍塌会降低固井质量， 性。因此， 有必要针对页岩气井水平段展开井壁失 稳风险分布规律的研究。
式（ 4 ） 中， σH 、 σh 、 σ V 分别为水平最大、 水平最小和 上覆岩层地应力 （ MPa ） ； L 为地应力坐标系和井眼 坐标系之间的转换矩阵， 是井斜角 υ、 方位角与水平 最大地应力方位之间夹角 ω 的函数。 井眼钻开后， 井眼位置处的岩石被钻井液所替 此时井壁上的应力边界条件与井眼轴向上的位 代， 移边界条件如式 （ 5 ） 、 式 （ 6 ） 所示； 在线性小变形情 岩石应变位移关系的几何方程如式（ 7 ） 所示： 况下， σr = Pw uz = 0 ε ij = 1 （ u j + u j， i） 2 i， （ 5） （ 6） （ 7）
面倾角较低时安全区较小， 基本是垂直于层理面钻 进较安全； 当倾角中等大小时， 安全钻井的方位和 只 井斜有所扩大； 当倾角达到 90° 成为竖直层理时， 有沿水平最大地应力方位钻进的小斜度井较安全 。 总体来看， 蓝色的安全区面积先扩大后缩小。 取以 得到水平井坍塌压力随方位 上七个图的外径数据， 角与层理面倾角的变化规律如图 4 所示。
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力随倾角的增加先升高后迅速降低， 在竖直层理地 层中钻进最安全， 如图 5 所示。
塌压力随层理面倾角的增加， 先升高后迅速降低； 沿层理面走向钻进时， 坍塌压力保持恒定值， 不随 倾角增加而发生变化。
参
1 戴春雷， 付晓飞， 陈
考
文
献
哲． 浅析松辽盆地北部青山口组页岩气资
2010 ； 12 （ 17 ） ： 4134 —4139 源潜力． 科学技术与工程， 2 邹才能， 董大忠， 王社教等． 中国页岩气形成机理、 地质特征及资 2010 ； 37 （ 6 ） ： 641 —651 源潜力． 石油勘探与开发， 3 EIA． Shale gas in the United States： recent developments and outlook． http： / / www． eia． gov / reports， 2011 ： 4 4 Bustin R M． Barnett Shale Play Going Strong． AAPG Explorer， 2005 ； 26 （ 5 ） ： 4 —6 崔思华， 班凡生， 袁光杰． 页岩气钻完井技术现状及难点分析 ． 天 2011 ； 31 （ 4 ） ： 1 —4 然气工业， 金 衍， 陈 勉， 柳贡慧， 等． 弱面地层斜井井壁稳定性分析． 石
4
结果分析
当页岩层理面倾向固定为 N60°E 时， 随着层理
面倾角逐渐增大， 定向井井壁失稳风险分布图逐渐 从 衍变的过程如图 3 所示。 图 3 由七个小图构成， 15° 、 30° 、 左到右， 从上到下依次是层理面倾角为 0° 、 45° 、 60° 、 75° 、 90° 的地层。 每个小图表示不同井斜 角和方位角下定向井坍塌风险分布规律 ， 蓝色对应 的坍塌压力低， 红色对应的坍塌压力高。 井斜角由 圆心（ 直井） 依次增大到外径（ 水平井 ） ， 方位角沿圆 周方向依次为 N0°E 到 N360°E 。 计算结果表明： 随着层理面倾角逐渐增加， 安 全钻井方位及角度均发生了较大的变化 。 在层理
第 13 卷 第 3 期 2013 年 1 月 1671 — 1815 （ 2013 ） 03-0580-04
科
学
技
术
与
工
程
Science Technology and Engineering
Vol. 13 No. 3 Jan． 2013 2013 Sci. Tech. Engrg.
层理产状对页岩气水平井井壁 稳定性的影响
图2
地应力坐标系和井眼坐标系间的转换关系
σH σ = L 0 0
0 σh 0
0 T 0 L σV cosυsinω cosω sinυcosω － sinω 0 cosω
（ 3）
图1
页岩地层单轴抗压强度各向异性图
［8 ， 9 ］ 研究中 依 据 R. T. McLamore 等建立的黏聚
3
坍塌压力计算模型
水平井井壁稳定性问题为定向井井壁稳定性
问题的特例， 研究定向井井壁稳定性问题， 应从井 周应力状态出发， 并结合适当的强度准则计算坍塌 压力。根据页岩强度的各向异性， 将页岩气储层视 为横观各向同性线弹性体， 井周围岩的变形符合平 取垂直于井眼轴线平面内的一层岩体 面应变规律， 为研究对 象， 井眼钻开后井周地层的受力平衡方 程为： σ ij， j + fi = 0 有效应力理论
式 （ 2 ） 中， σ ij 为井周岩石所受的应力分量， 根据 Biot
＇ f i 为井周岩石所受体积力。 为 σ ij = σ ij － αP p δ ij ，
P w 为泥浆液柱压力（ MPa ） ； 式中， σr 为径向总应力， u z 为井周岩石轴向位移，ε ij 为井周岩石应变分量； u i， j 为位移分量； D 为井眼坐标系下的弹性矩阵； D ≡ 为 q 为变换矩阵。 层理面局部坐标系下的弹性矩阵， — —式（ 9 ） 共同构成了给定液柱压力下 式（ 2 ） — 的定向井井周应力状态计算模型， 结合式 （ 1 ） 给出
2
岩石力学特性
页岩气储层岩性以暗色页岩为主，பைடு நூலகம்其外观具有
1
页岩气钻井复杂情况
目前， 我国页岩气勘探开发尚处于起步阶段，
近似平行的层理面。 受层理面的影响， 页岩的力学 特性与均质地层有较大差别。 层理面胶结程度较 是页岩地层中的薄弱面， 往往会先于本体破坏， 弱， 故弱面 的 存 在 是 影 响 页 岩 井 壁 稳 定 的 主 要 原 因 之一
2012 年 9 月 11 日 第一作者简介： 赵 国家自然科学基金（ 51174219 ） 005 ） 资助 国家科技重大专项（ 2011ZX05009凯（ 1987 —） ， 博士研究生， 研究方向： 页岩气井 mail： zkaiup@ 126． com。 壁稳定性。E-
根据四川盆地龙马溪组所取得的岩心， 进行室 816 型岩石强度 内强度实验， 实验装置为美国 MTS试验机。为研究层理面对页岩强度的影响， 在试样 岩芯轴线和层理面法向之间按一定角 取芯过程中， 15° 、 30° 、 45° 、 60° 、 75° 、 90° ， 度钻取， 角度依次为 0° 、 共测定了七块岩芯的单轴抗压强度。 结果表明： 页
赵 凯
1
袁俊亮
1
邓金根
1
谭
强
1
蔚宝华
1
肖
坤
1
王名春
2
（ 中国石油大学（ 北京） 油气资源与探测国家重点实验室1 ， 北京 102249 ； 中海油研究总院2 ， 北京 100027 ）
摘
要
根据四川盆地某页岩气田所取岩芯进行的强度实验， 发现页岩呈现出显著的强度各向异性， 沿层理面的剪切滑移是
井壁失稳的主要机理。结合岩石力学实验结果， 分析层理产状对井周应力状态的影响， 得出井壁失稳风险分布图的演变过 进一步分析了水平段坍塌风险随层理产状的变化规律 。 研究发现， 沿层理面倾向钻进的水平井， 坍塌压力随层理面倾角 程， 的增加先升高后迅速降低； 沿层理面走向钻进的水平井则会不随着层理面倾角增大而发生变化 。 研究结论可以为页岩气钻 完井设计提供参考。 关键词 页岩气 水平井 TE243 ； 层理面产状 文献标志码 A 井壁稳定性 中图法分类号
图 4 水平井井壁失稳风险随井眼方位与层理面倾角变化规律
结果表明： 当层理面倾向为 N60°E ， 即与水平最 小地应力方位一致时， 沿层理面走向钻进的水平井 （ 方位 N150°E ） ， 坍塌压力不随倾角的增加而变化； 沿层理面倾向钻进的水平井 （ 方位 N60°E ） ， 坍塌压
3期
赵
等： 层理产状对页岩气水平井井壁稳定性的影响 凯，
图5
水平井坍塌压力随方位角与层理面倾角变化规律
5
5
结论
（ 1 ） 层理面的存在使页岩地层具有显著的强度
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1999 ； 23 （ 4 ） ： 33 —35 油大学学报： 自然科学版， 7 Cook J M． Beddingrelated borehole instability in highanOkland D， gle wells． SPE 47285 ， 1998 8 Jaeger J C，Cook N G W． 岩石力学基础． 中国科学院工程力学研 1981 ： 80 —84 究所， 译． 北京： 科学出版社， 9 McLamore R T． A strength criterion for anisotropic rocks based upon experimental observations． SPE 1721 ， 1967 10 FJ / ER E FJ， HolT R M， Horsrud P， et al． Petroleum Related Rock Mechanics， 2nd edition． Elsevier， 2008 ： 30 —33