2007石油工程专业岩石力学第八章 井壁稳定解析

地层孔隙压力预测2.1 孔隙压力的预测方法地层孔隙压力是指岩石孔隙流体所具有的压力。

作为一个地质参数，孔隙压力在油气勘探、钻井工程及油气开发中占有十分重要的地位。

就钻井工程而言，孔隙压力是实现快速、安全、经济、合理钻进的一个必不可少的重要参数，因此准确的预测孔隙压力非常重要。

地层孔隙压力评价的方法很多，我们采用了国家“863”攻关项目“海洋探查与资源开发技术”中“精确的地层压力预测和监测技术”专题的研究成果，以测井资料为基础，采用高精度的地层压力预测和检测方法，进行地层孔隙压力预测计算。

在岩性和地层水变化不大的地层剖面中，正常压实地层的特点是，随着地层深度的增加，上覆岩层载荷增加，泥页岩的压实程度增大，导致地层孔隙度减小，岩石密度增大。

泥页岩的压实程度直接反应地层孔隙压力的变化。

而在目前的测井系列中，有多种测井方法都能较好地反应地层孔隙压力。

在本研究中，选用了资料来源最广、经济方便的声波时差法。

2.1.1 声波时差法解释原理声波测井测量的是弹性波在地层中的传播时间。

声波时差主要反映岩性、压实程度和孔隙度。

除了含气层的声波时差显示高值或出现周波跳跃外，它受井径、温度及地层水矿化度变化的影响比其它测井方法小得多。

所以用它评价和计算地层孔隙压力比较有效。

对岩性已知、地层水性质变化不大的地质剖面，声波时差与孔隙度之间成正比关系。

在正常压实的地层中可导出相似公式：CH 0e Δt Δt =将上式变换可得：B AH Δt +=logt ∆─深度为H 处的地层声波时差，ft s /μ；0t ∆─深度为0处的地层声波时差，ft s /μ；A 、B 、C 为系数，其中A <0，C <0。

该式即为压实地层声波时差正常趋势线公式，从式中可以直观地看出：t ∆log 与H 成线性关系，斜率是 A (A <0 )，在半对数曲线上，正常压实地层的t ∆对数值随深度呈线性减少。

如出现异常高压，t ∆散点会明显偏离正常趋势线。

谈谈定向井井壁稳定问题从岩石力学、地球物理测井、工程录井、环空水力学和钻井液化学等方面分析定向井井壁稳定问题，以实现对钻井液性能、井身结构及其它工程参数的优化设计。

标签：定向井岩石应力；地层压力；地层破裂压力液柱压力数学模型引言导致井眼出现失稳问题的因素包括天然的原因和人为的原因。

在天然的原因方面包括：地质构造类型和原地应力，孔隙度渗透性及孔除中的流体压力等；在人为的原因方面包括：钻井液的性能，泥页岩化学作用的强弱，钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。

导致井眼失稳的最根本因素就是在形成井眼的过程中，井眼四周的应力场、化学力出现了变化，导致井壁应力集中的问题，致使井内钻液的压强不可以和底层的地应力重新建立起平衡的关系。

如果井内的钻井液液柱比坍塌的压力还要低的时候，井壁的岩石就会被破坏，这时候的塑性岩石会对井中产生塑性的流动，最后出现缩径的问题，而脆性的岩石就可能会发生坍塌的问题，导致井径的增大，如果当钻井液的液柱压力要比破裂时压力还要高的情况下，井壁内四周的岩石就会被拉伸导致出现井漏的问题。

此外，钻井液的密度最好是让井内的液柱和地层孔隙的压力能够互相平衡。

一、井壁应力分布因为上覆岩层的压力不能很好的和井轴重合，原来的水平地应力也就不能和井轴正交，所以井眼四周的岩石在切向正应力与法相正应力的共同作用之下处在三维应力的情况之下。

不仅正压力作用在井轴垂直平面井壁四周的岩石，剪应力也作用在井轴垂直平面与岩石之上，它们都严重的影响着井壁岩石的形态，对井壁岩石有破坏作用。

二、井壁岩石破坏准则当前许多人为拉伸断裂的机制操纵着地层的压裂情况，也就是说，如果当一个有效的主应力的大小能够与岩石拉伸的强度值相同时就会发生底层破裂的情况。

三、岩石强度参数的确定为了能够对全井段进行连续预测，仅凭室内岩心试验是不够的。

而要充分利用相关的间接资料，其中最完整的莫过于测井资料。

因此，将测井资料的处理与岩心试验结合起来，确定所需要的地层参数。

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。

第八章井壁稳定性研究第一章概论第二章井壁稳定性研究的基本原理第一章概论•井壁稳定研究的意义•井壁失稳的表现形式•影响井壁稳定的基本因素•井壁稳定的研究现状•井壁稳定研究的主要内容一、井壁稳定研究的意义1、提高钻井成功率2、确保井眼按设计要求，按时、保质地完成¾钻穿和钻达设计要求的所有目的层，钻达到设计井深和层位¾按时完成钻井完井任务¾井身质量好，满足各种测试要求¾钻井成本合理3、有助于取全、取准所要求的各种资料；4、减小和防止油层损害，以利于发现和评价油气层•基本概念¾原地应力¾有效应力•力学本构方程•井周应力分布•主应力•井壁稳定性判别模型•“安全”泥浆密度范围•井壁稳定性分析的参数获取•井壁稳定性分析软件介绍二、力学本构方程•力的平衡方程•几何方程•应力-应变关系三、井周应力分布•地层均质、各向同性和线－弹性；•当远场孔隙压力恒定。

•当r=r w 时，得到井壁应力：其中：r w ：井半径P wf ：泥浆柱压力r ：径向距离/)(2/0/242)(2/242)(2)(//=+−==−−−=−−−−+==∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞rw rz yZxZrw z rw r xyy x ZZ rw Z wf xyyxyxrw wfrw r Cos Sin Sin Cos P Sin Cos P τθτθτττθµτθσσµσσθτθσσσσσσθθθβσβσσβσβσβσασ2221222212)(Cos Sin Sin Sin Cos Cos H H yv H H x +=++=∞∞ασβσβσασ222212)(Cos Sin Cos Sin v H H zz++=∞)()()(12222112H H yZ v H H xzH H xyCos Sin Sin Sin Cos Sin Cos Cos Sin Cos σσββατσβσβσαατσσββατ−=−+=−=∞∞∞五、井壁稳定性判别模型•Mohr-coulomb准则•Druck-Prager准则•非线性Pariseau准则•Hoek－Brown准则由井壁3个主应力分量的有效应力表达式，可以得到以下3种可能的关系：（I ）e 3σ<e 1σ<e2σ（II)e 1σ<e 3σ<e 2σ（III) e 3σ<e 2σ<e1σ对应的Mohr -Coulomb 表达式：e 2σ=C 0+ e 3σtg φe 1σ=C 0+ e 3σtg φe 2σ=C 0+ e 1σtg φ六、钻井合理泥浆密度的确定1、裸眼井段的三个压力剖面——地层破裂压力P破——地层压力P地——地层坍塌压力P坍2、裸眼井段钻井的安全压力（泥浆密度）窗口：P泥——泥浆柱压力若：P泥＞P破则：井漏P泥＜P地则：井喷P泥＜P坍则：井塌安全压力（密度）窗口：ΔPP 破＞P 泥＞P 地(P 地＞P 坍)P 破＞P 泥＞P 坍(P 坍＞P 地)ΔP —安全压力窗口¾ΔP愈大,则钻井愈易¾ΔP愈小,则钻井愈难¾若ΔP =P破-P地（P地＞P坍）则较易¾若ΔP =P破-P坍（P坍＞P地）则较难¾PP坍由地层的原地应力、地层岩体的力学破、性质、强度、地层倾角、井斜、方位……因素所确定。

钻井过程中井壁稳定分析与对策钻井过程中井壁稳定分析与对策当前，我国油田开发力度加大，逐步向深层、深海区块延伸，水平井、大位移井等特殊井身结构钻井应用增多，井壁坍塌等井下事故也相应增加，极易在钻井中出现井壁缩径、坍塌、地层压裂等情况，坍塌机理比较复杂，很难预防，影响钻井井下安全和钻井持续性。

因此，有必要对井壁稳定性进行分析，有针对性的提出提升井壁稳定性的对策措施。

1 钻井过程中井壁稳定性1.1钻井井壁稳定性较差和坍塌地层特征在钻井中，钻遇泥页岩、砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等都可能发生井壁坍塌，但90%以上的坍塌发生在泥页岩地层，缩径一般在盐膏层、浅层泥岩和渗透性较高的砂岩发生。

坍塌可能在各种岩性和粘土矿物含量地层中发生，但坍塌严重地层大多具有以下特征：发育有层理清晰的裂缝或破碎性较强的岩性地层；泥页岩特别是孔隙压力异常地层；地应力较强、倾角大易发生井斜地层；厚度较大泥页岩地层；高含水砂岩、泥岩地层等。

1.2井壁稳定性影响因素井壁稳定性较差原因是钻井液和钻具在地层中作用，压力超过井壁岩层承受强度，以及钻井液与井壁地层岩石矿物发生物理化学作用，加大坍塌压力、降低破裂压力等引起井壁失稳。

一是力学因素。

地层钻开前岩层受上覆压力、水平地应力和孔隙压力作用，压力均衡，钻开后钻井液对井壁压力替代了钻开岩层对井壁岩层的支撑，破坏了压力平衡状态，使周围地应力需要重新分布，在地应力超过井壁周围岩层承受强度后会发生剪切破坏，脆性地层会发生井壁坍塌，塑性地层会发生塑性变形（缩径）。

钻井中井壁被剪切破坏临界井眼压力称为坍塌压力，该状态下钻井液密度为坍塌压力当量钻井液密度。

地应力因素上，井壁坍塌以最小地应力为方向，坍塌压力随地应力及地应力非均匀系数增大而增大。

地层强度因素，地层坍塌压力与井壁周边地层的强度系数和内摩擦角呈反比。

孔隙压力因素，地层坍塌和破裂压力与孔隙压力呈正比，但破裂压力增速比坍塌压力小，随着孔隙压力加大，钻井液密度安全范围逐步变小。

浅析石油钻井任意井眼的井壁稳定性发布时间：2022-12-06T08:14:47.895Z 来源：《科学与技术》2022年第15期第8月作者：应磊[导读] 石油资源为我国社会建设和经济发展提供了可靠的能源支持应磊胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司山东东营 257000摘要：石油资源为我国社会建设和经济发展提供了可靠的能源支持，随着石油资源应用领域的不断增多，石油资源出现了严重短缺的情况。

在这种情况下，就需要加强对石油资源的开采，而石油钻井技术的持续发展有效地提升了石油资源开采的效率，特别是加强石油钻井不同井眼井壁稳定性技术的不断发展、提高，对于石油钻井技术整体水平的良性发展有着重要的影响，同时也关系到石油钻井施工井下安全和生产时效的提升。

关键词：石油钻井；任意井眼；井壁；稳定性随着我国工业化进程的不断加快，对石油资源的需要量不断的增多，石油钻井施工受到了更多的重视，石油钻井施工会受到地质环形、岩性变化、特殊地层等多种因素的影响，钻井施工的难度不断加大，不利于石油钻井工程项目整体施工质量的提升。

基于此，应进一步对石油钻井任意井壁的稳定性进行深入的研究，对现有的钻井施工技术进行合理的升级和优化，从而提升石油钻井技术水平，为石油钻井安全和提速提效提供可靠的技术保障。

一、完善石油钻井任意井眼井壁稳定性的要点分析（一）根据钻井顺序，严格执行钻井技术操作要点对于石油钻井工程来说，在钻井施工开展前应制定统一的钻井规划，确保全国各个区域石油钻井工作的顺利有效开展，特别是需要对石油钻井工作实施的顺序进行统一规定。

石油钻井施工人员应对钻井结构的调整和石油整体布局情况进行详细的掌握，并制定完善的施工方案，对石油钻井各项工作的高效开展提供有效的监督和指导。

同时还需要对石油钻井工作进行科学合理的部署，对石油钻井施工技术人员的专业能力和操作水平等进行详细的规范，从根本上提升石油钻井不同井眼井壁的稳定性。

另外，石油企业应对突出重点石油密集区域进行科学的选择，对石油钻井布局实施合理的调控和指导，深入发掘全国范围内具有潜力的石油资源，利用专业的石油钻井施工技术，提升石油资源开采的质量和效率。