于磊

摘要：本文基于对页岩气钻井情况的了解，分析由于工程因素、力学因素和化学因素等对页岩气钻井井壁稳定性的影响深入分析，计算出井壁坍塌压力和破裂压力产生的具体数值，以此为依据提出井壁稳定防塌优化策略，为矿产业发展奠定良好基础。

关键词：页岩气；井壁稳定；防塌技术

1.引言

我国能源结构不断优化，在页岩气勘探开采中，由于多种因素影响经常导致井壁失稳情况，从而延长钻井速度和周期，增加钻井成本，甚至会出现坍塌等事故，因此，必须要注重井壁稳定影响因素研究，推进地质资源开采的可持续健康发展。

2.页岩气钻井井壁稳定影响因素分析

2.1工程因素

页岩气是一种非常重要的天然气资源，在实际页岩气钻井过程中，可能由于诸多因素影响导致井壁失稳，从工程因素角度看，其主要包括钻井液的性能性质、對井壁的冲刷程度、产生的波动与激动压力等多项内容，主要是根据钻井液的综合性质来对井壁稳定性进行优化考虑，但是可以通过人为方式进行有效调节的，所以总体来说工程因素对井壁稳定性的影响较小，同时还可以有效规避存在的稳定性风险，对整体钻井施工安全起到一定保障作用[1]。

2.2力学因素

力学因素也是影响页岩气钻井井壁稳定性的重要内容之一，从力学角度看，地应力是影响井壁失稳的最重要因素，在此基础上导致井壁失稳的形式可分为：拉伸破坏和剪切破坏。剪切破坏主要是在未开始钻井施工前期，地应力始终保持平衡状态，当钻开井眼后，井壁底层原有的支撑力遭到破坏，并由原有钻井液压力所取代，与此同时，需要将地应力进行重新分布，如果此时井筒中钻井液密度造成破坏，会导致井眼发生直径扩张或缩小的情况，在后期需要进行大型水力压裂，才能保证井壁具有一定的稳定性和安全性特征，但是当钻井内地层参数与工程参数之间难以达到平衡状态，则表明井壁必然会出现一定破坏，从而出现井壁失稳情况；拉伸破坏通常情况下是由于井内液压过高，且已经超过了岩石的抗张强度，则会导致井壁出现裂缝，甚至会出现气体泄漏等不良情况，对工程及施工人员安全造成严重威胁。

2.3化学因素

由于页岩气属于一种重要的非常规天然气资源，且存在的地质层内，其自身具有一定的化学属性，而在钻井过程中，钻井液等外来流体难以与地层结构、性质进行高效匹配，必然会在注入阶段打破原有的化学平衡。对于泥页岩来说，水敏性粘土矿物是其主要成分，而当不同的钻井液体系对泥页岩进行作用时，得出的结果也具有较大差异，通常情况下，当井下温度和压力条件一定时，泥页岩地层与钻井液会产生相互作用：第一，液体水份化学势差异会产生一定的扩散和渗透作用；第二、二者流体的离子浓度具有较大差异，会出现离子的扩散和交换；第三，钻井与地层的液压和流压时之间会产生压力差，会在出现微小裂缝的情况下钻井液滤液流入到地层泥页岩中，从而对井壁结构产生影响，降低了井壁整体的稳定性，极易出现井壁垮塌、漏失等现象。

3.页岩气钻井井壁稳定性研究

3.1第一性原理模型构建

在以第一性原理为依据进行模型构建过程中，需要进行高精度优化得到能量最低的结构，采用弹性稳定判定方法判断其零压力时的稳定性，并计算其平衡态能量、弹性常数和应力随应变的变化规律。

α-石英晶体属六方晶系，空间群为P3121，硬度较大，在自然界中能够长期稳定存在，这也是由其微观晶体结构内部的硅—氧四面体连续成链形成坚固框架聚合物所决定的，四面体一部分因为水缺陷的取代作用被破坏，也可以粗略估测到环境水造成了石英的软化。

在三维周期性条件下，应用基于平面波赝势密度泛函理论（DFT）和局域密度近似（LDA）的第一性原理方法进行两种模型的第一性原理拉伸试验，离子核和电子间相互作用通过模守恒赝势表示；平面波的截断能量一律采用2200eV；由Monkhorst-Pack方法取α-石英及α-湿石英结构的k点为6×6×5。在几何优化过程中，设置如下收敛条件：原子平均总能的收敛值为5×10-8eV；单原子最大受力和最大位移分别为0.01eV/A和0.0005A；应力偏差不大于0.02GPa。在这样的计算条件下，结果的精度和收敛性良好。

3.2晶体结构优化与力学稳定性

在局域密度近似条件下，对模型进行结构优化，计算所得晶格常数平衡态体积与之前实验值和文献吻合度较高，Lin等人受计算条件所限而利用伯奇-莫纳汉状态方程来确定平衡态体积存在一定的误差，本项目计算结果如表1所示，由于LDA在计算中常低估晶格常数，所求的纯α石英模型的晶格常数与理论值（=b=4.916A。，c=5.405A。）相比仅小1.8%以内，符合度很高，数据相对可靠。从对比平衡态体积，水化作用导致石英的晶胞结构发生了不可忽视的畸变。

α-石英作为六方晶系晶体，具有六个独立的弹性常数，考虑到方程复杂度，因此不选择从伯恩机械稳定性条件来验证其力学稳定性。

3.3弹性与延脆性分析

通过实验和热弹性理论模拟，能够有效揭示出岩石的弹性模量和吸水量呈现良好的负相关性，同时也进一步证实了岩心吸水后会产生线膨胀应力，并随含水量增大而增大，使得岩石强度等力学参数减小，井壁稳定性下降。固体的弹性性质反映固体本身应对外力的形变承受与恢复程度，进而可推算出几种常见的模量和泊松比的值，相比较而言更能表明页岩其井壁表面的石英晶体更容易发生形变，由脆性逐渐向韧性方向转变。

在进行破裂压力计算时，还需要对物性及岩石微观结构、理化特征等进行分析，从物性角度看，在钻井过程中的液压直接作用在井壁上，当遇到孔隙度和渗透率较低的页岩地层时，会导致孔隙压力和地应力场发生一定变化，在一定程度上会削弱地层有效强度，致使井壁出现失稳现象；从井壁岩石微观结构特征方面看，主要是硬脆性页岩反映较为明显，能够充分反映出遇水后发生的水化反映能力。通常情况下，硬脆性泥页岩中会普遍存在裂缝，但是可能由于多种因素影响导致整体结构出现掉块、坍塌等不良情况，甚至会出现矿井坍塌情况[2]。

4.页岩气钻井井壁稳定防塌优化策略

4.1合理控制钻井液密度

在页岩气钻井过程中，想要保证井壁具有较强的稳定性，需要对钻井液密度进行合理控制，避免由于密度过大增加对地层的压力，从而出现裂缝，同时还要防止钻井液密度过小造成压力过度释放，以致于出现井壁裂缝扩大、崩裂甚至坍塌等情况。对于硬脆性泥页岩来说，如果发生井壁裂缝持续扩大且掉块现象，可以通过人为提高钻井液密度的方式来有效防止井壁坍塌。在此基础上，还要根据实际页岩地层情况进行针对性的方案制订，避免由于方案与实际不符导致出现钻井液密度过高或过低，不利于进行储层保护，同时还会对气测录井产生一定干扰。除此之外，还要对钻井液体系进行优选，一般来说油基钻井液的应用在很大程度上能夠克服井壁失稳，但是存在使用成本高、环保压力大等特点，因此在进行钻井液体系选择时，除了要考虑成本和环保问题，还需要对页岩层面强度的影响程度进行充分考虑。除此之外，还要减少由于工程因素对井壁产生的失稳现象，主要是对钻井液的各项性能以及井壁摩擦和碰撞等进行考虑，其中还包括井眼的裸露时间，最佳解决方式是采用旋转钻井导向工具，并切实做好前期分析工作，才能有效避免页岩地层与钻井液接触时间过长，能够有效的在提高钻井质量和效率的同时缩短钻井周期[3]。

4.2优化井身结构及钻井参数

想要提高页岩气井壁稳定性，必须要在原有基础上对井身结构进行优化，同时还要根据实际情况对钻井参数进行适当调整，能够有效缓解整体钻井结构带来的压力。以转化后三开结构为例，一开代表的是页岩表层套管封隔新近系，主要具有易塌、易漏等特点，且胶结程度较低，能够减少上部地层的裸露时间；二开指的是技术套管封隔三叠系，具有良好的隔离作用，同时还能起到一定的承上启下作用；三开是采用的生产套管深入到井中进行具体运作，并利用多项技术组合对井深质量进行有效控制，同时还要保证钻井参数的真实性和准确性，将其控制在可控范围内，比如：井倾斜角控制在4°以内、井直径扩大率<10%等，能够大幅度的降低井壁坍塌压力，保证其具有良好的稳定性和安全性[4]。除此之外，还要以井深结构和钻井参数为依据，对页岩井壁失稳力学模型进行有效构建，以孔隙弹塑性力学为基础，对井壁稳定性和结构进行计算，通常情况下会采用层理性地层模型来进行开采模拟，但不适用在存在较多裂缝的页岩地层，同时还需要对钻井液的扩散、离子转移等因素对地层孔隙压力产生的影响进行考虑，比较适用于力学化学耦合模型的应用。

4.3加强力学特性与地应力研究

4.3.1力学特性研究

在页岩气钻井过程中，需要在深化页岩原岩的基础上，加强其与不同钻井液体系接触后的力学特性研究。对于页岩来说，其主要由于自身层理发育情况，以及地下形成环境等影响，促使其力学特征不具备均匀性和稳定性。在进行力学特性试验研究期间，通常情况下会采用单轴或三轴的岩石力学试验系统，通过压缩的方式测算出岩石的强度参数，才能以此为依据对其变形破坏特性进一步分析。

力学特性与层理面法向和岩轴向夹角具有较大关系，相应的不同参数的岩心力学特征也不同，尤其是在页岩钻井过程中，必须首先要明确页岩的层理走向，以及其与井筒轴向之间的关系，才能保证力学试验开展的具有精准性、针对性特征。从目前情况看，沿层理面的剪切滑移是页岩地层井壁失稳的主要原因和机理，因此必须要重视层理面剪切强度，可采用直剪仪对层理面的抗剪切强度进行测试，保证测试数值的准确性和真实性。除此之外，还需要考虑到钻井液对页岩力学特性的影响，对于硬脆性页岩来说，水基钻井液会弱化页岩自身强度，而想要对弱化程度进行有效研究，可采用对比分析法来将页岩原岩与钻井液接触后的页岩进行强度测试，同时还要进行多次试验，才能保证结果的准确性。页岩强度的弱化还需要对时间因素进行考虑，在实际钻井过程中，在时间条件一定的情况下，通过与钻井速度的有机结合，能够对钻井液弱化后的页岩强度进行实时预测，同时还需要对弱化后的力学特性进行测试评价，满足实际应用需求。

4.3.2地应力研究

对于地应力来说，其是影响页岩气钻井井壁稳定性的重要因素，因此想要保证钻井井壁始终保持稳定状态，必须要切实做好加强页岩地层地应力的研究工作，从目前情况看，通常情况下页岩气钻井都较为倾向于沿着最小地应力方向开始施工，有利于对裂缝进行压裂扩散，促使其与井筒始终保持垂直相交或交错状态。从我国土地结构方面看，页岩气地质结构具有地层倾角大、构造应力强等特点，因此需要在前期地质调查及钻井过程中，利用先进技术和设备向井下岩心积极开展地应力测试，与此同时，还要与接下来的小型压裂试验进行有机结合，才能从根本上实现对地应力的测试与校正，以相关地震材料为依据进一步对地应力分布进行深入研究，才能保证研究结果的精准程度，由于钻井数量的不断增多，还需要根据实际情况对地应力场进行优化调整，为接下来的钻井工作提供便利条件。除此之外，现阶段对于地应力的研究大多数都是基于同一属性的地理层面，但是由于页岩地层自身具有特殊属性，同时其又属于横观各向同性体，所以需要采用不同层理产状下的地层应力计算模型来代替均质模型，进一步强化钻井液与地应力之间的关系，才能有效避免井壁坍塌。

结论

综上所述，加强对页岩气钻井井壁稳定影响因素的分析，是钻井施工安全的重要保障，因此，必须要根据实际情况对地应力场进行综合探究，不断完善优化井壁稳定性分析的数值方法和计算技术，才能保证井壁稳定力学模型构建合理，保障页岩气钻井施工安全。

参考文献：

[1]杨光伟.威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析[J].国外测井技术， 2020， 41（05）： 49-52+2.

[2]南旭.关于页岩气井井壁失稳机理及其油基钻井液技术探究[J].化工管理， 2020（17）： 96-97.

[3]李剑.页岩气钻井中随钻测井技术的应用[J].化工管理，2020（01）：220-221.

[4]袁青松，汪超.中牟页岩气区块泥页岩井壁稳定影响因素分析及技术对策[J].探矿工程（岩土钻掘工程）， 2018， 45（11）： 12-18.