引言

钻调整井是油田进入开发中后期实现稳产、提高采收率的重要措施^[1]。工程实践表明：调整井钻井过程中井壁失稳频发^[2-3]，极易发生井喷、井漏、井壁坍塌等井下事故和复杂情况^[4-5]。在地质力学角度，其原因是调整井的地质力学环境相对开采初期相比已发生显著变化，主要表现为：(1)受长期开采及注水、注聚等工程作业的影响，原始地层压力系统发生变化，产生局部高压或局部低压，导致横向上地层孔隙压力复杂多变^[6-7]。(2)受地层孔隙压力变化及钻井卸荷、压裂等工程作业的影响，调整井的地应力环境受到不同程度的扰动。(3)地层孔隙压力的变化也对地层岩石的力学特性产生显著影响，同时，注入水、酸液等油井工作液的侵入将不同程度地弱化地层的岩石强度^[8-10]。因此，认识地质力学因素变化对井壁失稳的影响，科学、合理、准确地评价调整井的井壁稳定性，对提高调整井的钻井效益、推进油气开发进程具有重要意义^[11-13]。

除了储层岩石与入井工作液的相互化学作用外，地层孔隙压力改变是导致调整井储层岩石强度、地应力变化的主要因素，是影响调整井油气藏中后期钻井井壁稳定状态的最根本因素。

本文实验分析与理论研究相结合，探讨了地层孔隙压力变化对岩石强度、地应力以及地层坍塌压力的影响，为安全、快速的调整井钻井工程设计提供参考及指导。

1 孔隙压力对岩石强度影响实验分析

由地层孔隙压力变化导致的地层岩石强度改变是导致调整井井眼相对容易失稳的重要因素之一。对取自中国西部某油田的井下砂岩进行不同孔隙压力作用下的三轴压缩测试，研究孔隙压力变化对岩石力学强度的影响。

1.1 岩样制备、筛选及实验流程

从井下全直径岩芯上钻取15块直径为25 mm，长度为50 mm的圆柱形试样，并对端面进行打磨，保证其平整。

为了消除由于岩芯试样之间结构、物性不同导致的力学强度特性差异对实验结果的影响，确保实验的可靠性，对实验岩样进行孔隙度、渗透率、密度及声波测试，并依据孔隙度、渗透率、密度及波速等物理量相近的原则，从已制备的15块岩样中，筛选出孔隙度、渗透率、密度以及声波波速相近的5块岩芯试样进行实验测试分析。

在相同围压条件，对筛选得到的可对比岩芯试样进行不同孔隙压力下的三轴压缩测试。实验流程为：(1)对岩芯试样进行烘干、抽真空、饱和处理；(2)围压加载至50 MPa，孔隙压力加载至46 MPa；(3)岩芯孔隙压力降至预定值(分别为46、40、30、20、10、5 MPa)，稳定30 min；(4)轴向加载，开始三轴压缩测试。

1.2 孔隙压力对岩石力学特性的影响

不同孔隙压力作用下，三轴压缩试验得到轴向应力－应变曲线如图 1所示。

依据实验结果，得到相同围压条件下岩石抗压强度、弹性模量及泊松比随孔隙压力的变化关系。

(1) 图 2为依据实验结果得到岩石压缩条件下峰值强度与孔隙压力的关系。随孔隙压力减小，岩石峰值强度总体均呈增大趋势；孔隙压力由5 MPa增至46 MPa，抗压强度由87.97 MPa降低至39.96 MPa，降低幅度达55.1%。

(2) 图 3为岩石弹性模量随孔隙压力的变化。与抗压强度相同，弹性模量随孔隙压力增大也呈降低趋势。孔隙压力由5 MPa增至46 MPa，弹性模量则由11 260.7 MPa降低至6 012.4 MPa，降低幅度达46.4%。

(3) 泊松比随孔隙压力的变化如图 4所示。泊松比随孔隙压力的减小整体呈减小的趋势；相反，随孔隙压力的增大岩石的泊松比增大。

综上，三轴压缩条件下孔隙压力对岩石变形及抗压强度影响显著，岩石抗压强度、弹性模量与孔隙压力呈负相关，而泊松比与孔隙压力呈正相关。

依据实验结果，所分析砂岩的三轴抗压强度、弹性模量及泊松比与孔隙压力的关系如式(1)~式(3)所示，由此可知，油气开采导致地层孔隙压力降低将增强岩石的强度；相反，注水、注聚引起储层压力升高将弱化岩石的力学强度。

$S_{\rm{c}} = -0.923~5{p_{\rm{P}}}+97.723；\hskip .6cmR^2 = 0.709~7$

(1)

$E = -104.44 p_{\rm{P}}+12 171；\hskip .6cmR^2 = 0.800~6$

(2)

$\nu = 0.004~5{p_{\rm{P}}}+0.188~8；\hskip .6cm{R^2} = 0.593~7$

(3)

式中：$p_{\rm{P}}$—孔隙压力，MPa；

$S_{\rm{c}}$、$E$—不同孔隙压力作用的抗压强度、弹性模量，MPa；

$v$—不同孔隙压力作用下的泊松比，无因次。

1.3 孔隙压力对砂岩强度的影响机制分析

依据岩石力学相关理论，可将地层孔隙压力影响岩石强度主要归因于3个方面：

首先，依据有效应力原理与摩尔强度理论，在总应力一定条件下，孔隙压力的变化将改变岩石的有效应力，进而影响岩石的力学强度。由于特定岩性强度包络线一定，孔隙压力的增大，有效围压将减小($\sigma_3\to{\sigma_{31}}$)，从而导致应力摩尔圆向左移，岩石抗压强度减小($\sigma_{1}\to{\sigma_{11}}$)，如图 5所示。

另一方面，在孔隙压力作用下，孔隙流体的水力尖劈效应将加剧岩石内部微裂隙的扩展、延伸，并促使其贯穿形成破坏面，加剧岩石的宏观破坏失稳，从而降低岩石强度；且孔隙压力越高、尖劈效应越强，岩石抗压强度的降低幅度越大。

此外，对结构面发育的地层，孔隙压力作用下流体侵入结构面，将产生润滑作用，显著降低岩石结构面的抗剪性能；且孔隙压力越高，润滑作用越显著，对结构面抗剪性能削弱幅度越大。

因此，由于上述三种效应的叠加，丼周地层孔隙压力的升高将会显著弱化地层岩石的力学强度；而地层孔隙压力的降低则将利于增强地层的岩石力学强度。

2 地层孔隙压力对地层坍塌压力的影响

井壁坍塌失稳是井周应力集中程度强于地层岩石强度的结果。对调整井而言，地层孔隙压力变化导致的地应力、岩石强度改变将对井壁稳定性产生显著影响^[14-15]。

2.1 孔隙压力对井壁稳定影响的评价理论

孔隙压力对井壁稳定性的影响可通过地层坍塌压力的变化来表示，如式(4)

$\Delta{p_{\rm{c}}} = F\left ( \Delta{p_{\rm{P}}}, \Delta{\sigma_{\rm{i}}}, \Delta{S_{\rm{c}}} \right )$

(4)

即，孔隙压力变化导致的坍塌压力改变量($\Delta{p_{\rm{c}}}$)取决于孔隙压力变化量($\Delta{p_{\rm{P}}}$)、井周应力变化量($\Delta{\sigma_{\rm{i}}}$)及岩石强度变化量($\Delta{S_{\rm{c}}}$)。

从井壁稳定分析的角度，地层孔隙压力对井周应力的影响主要表现为对井周地层有效应力以及井周渗流应力的影响。

对直井而言，丼周应力通常由柱坐标系下的径向应力、周向应力以及轴向应力表示。其中，井周渗流应力分布可表示如下^[16]

$\left\{\begin{array}{*{20}{l}} \sigma_{\rm{r}}^{\rm{p}}=\dfrac{\alpha(1 - 2v)}{1 - v}\dfrac{1}{r^2}\mathop\int\limits_{r_{\rm{w}}}^{r} {\Delta p\left(r\right)r{\rm{d}}r - \phi\left(t\right)\Delta p\left(r\right)} \\ \sigma _\theta ^{\textrm{p}} = \dfrac{{\alpha (1 - 2v)}}{{1 - v}}\left[{\dfrac{1}{{{r^2}}}\mathop \smallint \limits_{r_{\textrm{w}}}^r \Delta {p\left( r \right)r\textrm{d}r-\Delta p\left( r \right)} } \right] - \phi \left( t \right)\Delta p\left( r \right)\\ \sigma _z^{\textrm{p}} = \dfrac{{\alpha (1 - 2v)}}{{1 - v}}\Delta p\left( r \right) - \phi \left( t \right)\Delta p\left( r \right) \end{array}\right.$

(5)

式中：$\rm{\sigma}_{\rm{r}}^{\rm{p}}$、$\rm{\sigma}_{\rm{\theta}}^{\rm{p}}$、$\rm{\sigma}_{\rm{z}}^{\rm{p}}$—井周径向、周向、垂向渗流应力，MPa；

$\phi\left(t\right)$—孔隙度，%；

$\Delta p\left(r\right)$—井周孔隙压力，MPa。

依据有效应力理论，地层孔隙压力改变对地应力的影响可由式(6)表示，即地层孔隙压力增大将导致地层有效应力的降低，进而影响井壁的稳定性。地层有效应力的降低幅度不仅取决于地层压力压力的增大量，还与地层岩石的孔弹性系数$\rm{a}$密切相关。

$\sigma_{\textrm{ie}} = \sigma_{\textrm{i}} - \textrm{a}{p_{\rm{P}}}$

(6)

式中：$\sigma_{\rm{i}}$，$\sigma_{\rm{ie}}$—主应力分量及对应的有效应力分量，MPa；

$a$—孔弹性系数，无因次，取值为0~1。

综合式(1)~式(6)，进而依据式(7)所示的Mohr-Coulomb破坏判断准则，分析地层孔隙压力变化对调整井井壁坍塌失稳的影响^[17-18]。

$\sigma_{\rm{1e}} = \left(\sigma_{\rm{3e}}+2C\right)\cdot{\rm{ct}}{\rm{g}^{\rm{2}}}\left(0.5\pi - 0.5\phi\right)$

(7)

式中：$\phi$-岩石内摩擦角，($^\circ$)；

$C$-岩石内聚力，MPa。

2.2 孔隙压力对坍塌压力的影响分析

中国西部某井储层埋深、地层压力以及地应力大小如表 1所示。

利用式(1)~式(5)得到该调整井区的地层坍塌压力当量密度随地层孔隙压力的变化如图 6所示。

从图 6可以看出，地层坍塌压力与地层孔隙压力呈现正相关，随着地层孔隙压力降低地层坍塌压力呈降低趋势。分析条件下，地层孔隙压力降低0.60 MPa，对应的地层坍塌压力当量密度则降低了0.464 g/cm$^{3}$；同理，地层坍塌压力升高，地层坍塌压力也将随之增大。

综上，随油气开采作业实施，地层孔隙压力降低，将导致地层坍塌压力的降低，有利于保持井壁稳定。因此，对于地层压力已发生衰减的井区，相对初始状态，井眼具有相对较好的稳定性；在此类井区实施加密井、调整井的钻井作业可采用相对较小的钻井液密度，从而有助于最大程度提升钻井速度、缩短钻井周期；而对注水、注聚等工程作业诱发地层孔隙压力增大的井区，相对原始状态，井眼稳定性较差，从尽可能降低井下复杂状况、保障安全钻进的角度，后期加密井、调整井需采用相对初始地层条件更高的钻井液密度实施钻井。

3 结论

(1) 地层孔隙压力变化不仅改变有效地应力的大小，还对地层的岩石力学强度产生显著影响。实验研究表明：岩石的抗压强度、弹性模量与地层孔隙压力呈负相关，随地层孔隙压力增大，地层有效围压降低，岩石的抗压强度、弹性模量整体呈线性递减趋势。

(2) 地层孔隙压力变化导致的地层有效应力、岩石力学强度的改变，将影响井壁的稳定状态。具体表现为：地层孔隙压力升高将导致井壁稳定性变差，地层坍塌压力增大；相反，地层孔隙压力降低，地层坍塌压力减小。

(3) 注水、注聚等工程作业导致地层孔隙压力增大，将加剧波及井区新钻调整井、加密井的井壁失稳；而在一定限度内，油气开采诱导的地层压力降低将降低地层的坍塌压力，有利于波及井区内的井眼保持稳定。