罗成波 孟英峰 李 皋 刘厚彬 杨 旭 林 楠

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中国石油西部钻探工程公司巴州钻井公司

0 引言

氮气钻井钻遇致密砂岩裂缝圈闭高压导致井底岩爆是QL1井恶性井喷事故的根本原因，针对岩爆机理进行系统分析并形成正确的认识是恢复气体钻井技术良性发展的迫切需要[1]。

氮气钻井井底岩爆——氮气钻井钻遇裂缝圈闭高压（为单条裂缝），当裂缝与井底之间有一定距离时，由于裂缝与井底之间是低渗透的致密砂岩，裂缝内气体不会向井筒渗流泄压，裂缝内的压力作为一种静压力作用于致密砂岩，井底压力为环空气柱低压；当井底足够接近裂缝时，裂缝高压与井底低压形成的高压差使致密砂岩岩石墙崩裂、破碎，大量坍塌碎屑和释放的高压气体喷入井内，释放巨大能量，发生氮气钻井的岩爆现象[1-3]。

氮气钻井中这种“岩石突然爆碎并与天然气一起猛烈喷出”的现象，迄今从未在国内外气体钻井的文献、专著、工程记录中被报道过。该现象应该是第一次在钻井工程中被发现[1-3]，其与水电、交通及金属矿山等工程领域中的“岩爆”，煤矿开采中的“冲击地压”和“煤与瓦斯突出”发生的机理有相似之处，但又有很大的不同。

水电、交通及金属矿山中的岩爆是高地应力条件下地下工程开挖时，硬脆性围岩因开挖卸荷导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的一种动力失稳地质灾害[4-5]。冲击地压是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象[6]。煤与瓦斯突出是指煤矿井下采掘过程中在很短时间内从煤层内部向采掘空间突然喷出大量的煤和瓦斯混合物的现象[7-8]。

岩爆、冲击地压以及煤与瓦斯突出产生的主要原因都是局部较高的地应力与采动应力耦合导致岩体或者阻挡层破坏，致使岩体内部储存的能量或者被阻挡层封闭的瓦斯能突然释放，而氮气钻井井底岩爆的主要原因在于裂缝内的高压与井底的低压形成的高压差，使其裂缝与井底之间的岩石破坏，裂缝内高压气体携带岩爆碎屑喷入井筒，产生井底岩爆。岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出以及气体钻井井底岩爆都属于局部岩体结构非线性动力失稳力学问题。

为了给岩爆的防治提供理论基础，笔者利用常规井壁失稳的分析思路来进行井底的突发性失稳的机理分析，即计算分析井底岩石应力，选取强度准则，井底岩石应力和强度准则进行比较判断岩石是否发生破坏，并在岩爆机理的分析基础上借助Visual Basic语言和Matlab软件编程进行了岩爆动态演化过程的研究，以此来分析判断QL1井录井监测参数的异常变化。

1 井底应力场模型

氮气钻井井底岩石受井筒气柱压力和三向地应力[垂向地应力（σv）、最大水平主地应力（σH）、最小水平主地应力（σh）]共同作用，如图1-a所示。

图1 井底岩石受力及氮气钻井井底岩爆示意图

钻井过程中，井底岩石应力属于断面开挖问题，此类问题目前尚无解析解[9]。为此，将井底岩石应力场假设为内外面受均布载荷作用的空心圆球，在圆球内面受井筒气柱压力（pw）作用，外面趋于无限大，在无限远处受平均地应力的作用[10-11]，物理模型如图1-b所示。

基础理论假设：①致密砂岩是连续介质；②致密砂岩服从胡克定律；③致密砂岩为均匀各向同性介质；④致密砂岩的变形为小变形。根据弹塑性力学理论建立空间球对称问题的基本微分方程（压力为正拉力为负）[12]。

应力应变的关系式可以表示为：

式中εr、εθ分别表示井底岩石径向应变、周向应变；σr、σθ分别表示井底岩石径向应力、周向应力，MPa；u表示井壁岩石质点位移，m；E表示岩石杨氏模量，表示岩石泊松比。

半球形井底岩石的应力满足应力平衡方程式：

半球形井底岩石首先在井底面处发生塑性屈服，塑性区半径随着地应力和井底压力的变化而变化。满足摩尔—库仑屈服准则的塑性区半径为c。

1）塑性区径向应力（σr）和周向应力（σθ）为：

式中A表示积分常数。

2）弹性区应力分布。弹性区应力可以从应力平衡方程和弹性应力应变方程综合推导得出：

式中B表示积分常数。

基于弹塑性分界面应力的连续性可以确定积分常数A和B，即

式中pw表示环空井底压力，MPa；φ表示内摩擦角，（°）；co表示内聚力，MPa；Rw表示半球半径，m；r表示距半球球心的距离，m。

无穷远处平均地应力是垂向地应力（σv）、最大水平主地应力（σH）、最小水平主地应力（σh）共同作用的结果。

2 基质及裂缝面有效应力和破坏准则

由于致密砂岩基质和裂缝弹性参数的差异较大，会导致基质和裂缝变形量的较大差异，进而导致基质和裂缝面有效应力的较大差异，因此，基质和裂缝面的有效应力须分别表征[13]。

2.1 有效应力及有效应力系数

Biot理论是建立在Terzaghi有效应力理论的基础之上定义了有效应力，即

式中σ′表示有效应力，MPa；σ表示总应力，MPa；α表示有效应力系数；pp表示孔隙压力，MPa。

由Biot理论公式可以看出，有效应力系数主要用于权衡地层孔隙压力对岩石有效应力的影响程度，是控制地层岩石变形及流体渗流的内在因素。笔者采用有效应力系数与孔隙度相等的方法表征[14]。

2.2 致密砂岩基质及裂缝面有效应力系数

QL1井位于四川盆地西部白马庙构造，以须家河组为目的层。选取该区块事故发生井段即是沙溪庙组致密砂岩岩心进行渗透率和孔隙度及力学实验，测试结果如表1所示。

表1 实验岩心基本参数表

从表1可知，岩心的平均孔隙度为4.52%，平均有效应力系数为0.045，因此下文计算致密砂岩的有效应力所选取的有效应力系数为0.045。

Bernabe[15]通过理论推导和试验研究提出了材料破坏前后的有效应力表达方程，对于裂缝单元，可以近似认为α=1。

2.3 致密砂岩基质及裂缝面有效应力

由于致密砂岩基质的平均有效应力系数为0.045，趋近于0，裂缝的上下面有效应力系数为1。

1）塑性破坏区（应力松弛区）致密砂岩基质有效应力

2）弹性区致密砂岩基质有效应力

3）弹性区圈闭高压裂缝面有效应力

2.4 致密砂岩基质及裂缝面破坏准则

由于研究对象为裂缝面与井底之间的致密砂岩基质，物理模型可简化为图1-b。裂缝上表面为致密砂岩基质的一部分，略去裂缝下面及下部致密砂岩基质。因此，研究对象为致密砂岩基质，可采用一般孔隙介质的强度准则。

1）基质剪切破坏准则

2）裂缝面剪切破坏准则

式中fc表示压缩破坏系数，fc＞0，则岩石发生压缩剪切破坏，若fc＜0，则岩石不产生压缩剪切破坏。

3）基质拉伸破坏准则

4）裂缝面拉伸破坏准则

式中ft表示拉伸破坏系数，ft＞0，则岩石不发生拉伸破坏，若ft＜0，则岩石产生拉伸破坏。

裂缝面和基质的有效应力的不同导致破坏准则中周向应力和径向应力的差异，由于裂缝面也是基质的一部分，因此，裂缝面和基质的内聚力、内摩擦角和抗拉强度相同。fc和ft统称为井壁稳定系数。

3 QL1井底岩爆机理及动态演化过程

QL1井使用Ø311.2 mm空气锤钻头钻进，氮气注入量为 120 m3/min，钻压 30 kN，转速 35 r/min。事故前氮气钻井中含氧量控制在5%以下，立管压力2 MPa左右，钻时为4～5 min/m，悬重、扭矩、排砂等均正常，计算井底压力0.36 MPa。事故井深2 144.23 m，沙溪庙组。沙溪庙组属于典型的致密砂岩干气气藏，气藏深度介于2 000～2 650 m，已钻井证明地层孔隙压力系数为1.3～1.4，裂缝圈闭高压为30 MPa，环空井底压力为0.36 MPa，因此，裂缝圈闭和井底的压差为29.64 MPa。上覆地层压力为48 MPa，水平最大、最小主应力分别为51 MPa、46 MPa，因此 σ=48.3 MPa。内聚力及内摩擦角的取值见表1，抗拉强度为3 MPa。运用Matlab软件进行井底致密砂岩基质及裂缝面应力的求解，根据强度准则判定基质和裂缝面的破坏及破坏区的延伸。

3.1 应力的动态演化

随着氮气钻井正常钻进，裂缝圈闭逐渐进入井底扰动应力区，从图2-a可知，在弹性区，离井底距离越近，基质和裂缝面的周向应力和径向应力的差值越来越大。当破坏区持续扩大至联通低压井筒时，井底致密砂岩岩石基质及破坏区的径向应力、周向应力如图2-b所示，由于破坏区继续扩大，破坏区充满了高压气体，周向有效应力及径向有效应力出现了应力降落，且径向应力接近－20 MPa。

3.2 裂缝面和基质破坏系数动态演化

从图3可知，随着井底靠近裂缝圈闭，在井底扰动应力区内，逐渐增大的周向应力和径向应力差值会增加裂缝面发生压缩破坏和径向拉伸破坏的可能性，裂缝越靠近井底，压缩破坏系数越来越大，拉伸破坏系数越来越小，井底表面压缩破坏系数大于零是由于井底表面应力集中导致井底表面产生塑性破坏区。

图2 井底应力动态演化图

图3 井底扰动应力区井壁稳定系数图

当井底距离裂缝圈闭距离为0.23 m时，裂缝圈闭进入井底强扰动应力区，基质和裂缝面的周向应力和径向应力的差值进一步增大。致密砂岩基质及裂缝面的压缩破坏系数及拉伸破坏系数（统称井壁稳定系数）如图3所示，此时裂缝面的压缩破坏系数等于零，裂缝面开始产生压缩剪切破坏，没有发生拉伸破坏。

随裂缝面开始产生压缩剪切破坏时且破坏区开始向井筒延伸扩大，周向有效应力及径向有效应力出现应力降落，径向发生拉伸破坏，破坏模式从压缩剪切破坏演化为压缩剪切与拉伸复合破坏模式，在压缩剪切与拉伸复合破坏共同作用下，破坏区持续延伸联通井筒，岩爆发生（图4）。

图4 井底联通破坏区井壁稳定系数图

3.3 岩爆的动态演化分析

井底岩爆动态演化过程的研究，可以看出在不同的演化节点破坏区具体的物理形态，而且裂缝的倾角不同，则破坏区域的演化规律也有差别。笔者选取15°倾角的裂缝分析。

运用Visual Basic语言进行动态演化过程的二维编程，然后导出数据，在Matlab软件中作云图。图5为动态演化过程的整个编程思路。

从图6可知径向应力和周向应力及动态破坏区的动态演化过程。图6中，蓝色表示压缩剪切破坏，绿色表示剪切拉伸复合破坏。

图5 动态演化破坏过程的程序计算图

3.4 QL1井岩爆及岩爆发生后录井数据分析

QL1井岩爆发生及发生后录井数据及分析如图7所示。

从图7可知，悬重及钻压的录井曲线表明，在发生井底岩爆之前，悬重参数、钻压参数没有明显的异常，直至裂缝面产生初始破坏直至破坏瞬间扩展延伸至井底，裂缝内的高压天然气携带被破碎的岩屑喷入井内，同时在钻头处形成堵塞，裂缝内高压气体的压力通过岩爆碎屑形成的砂堵对钻具产生巨大的上顶力，上顶钻具，图7中3：27：18时间点所示，悬重瞬间下降，钻压降至零。

4 结论

图6 破坏区动态演化过程图

图7 事故过程的综合录井数据分析图[2]

1）氮气钻井井底岩爆过程即是井底逐渐接近裂缝圈闭高压，裂缝面周向应力和径向应力差值逐渐增大，裂缝面产生压缩破坏以及压缩和拉伸复合破坏模式，直至破坏区连通井筒，高压气体携带大量碎屑喷入井内，释放大量能量，上顶压缩钻具，产生岩爆。

2）井底岩爆机理分析以及动态演化过程研究可以系统解释QL1井录井监测参数的异常变化。