井眼安全--井壁稳定分析

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二个水平主地应力的预测模式：
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8.2井眼围岩应力分布
2） 实用破裂压力预测模式Ⅱ
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8.1井壁失稳的原因及危害
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁(borehole wall )岩石失去了原有的支 持，取而代之的是泥浆静液压力(mud hydrostatic pressure )，在这种新条件下， 井 眼 应 力 将 产 生 重 新 分 布 ， 使 井 壁 附 近 产 生 很 高 的 应 力 集 中 (stress concentration )，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变得非 常复杂。
8.1井壁失稳的原因及危害
8.1井壁失稳的原因及危害
8.1井壁失稳的原因及危害
8.1井壁失稳的原因及危害
4、井壁稳定的研究方法 井壁稳定性(borehole stability )的研究方法目前主要有三种： 一是泥浆化学研究，二是岩石力学研究，三是化学和力学藕合起来研 究。 泥浆化学方面研究: 从泥浆化学方面研究井壁稳定，主要研究泥页岩水化膨胀的机理， 寻找抑制泥页岩水化膨胀(hydrate expansion )的化学添加剂和泥 浆体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。
对于直井、非均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力 （ pore pressure ）的情况，井壁围岩的应力状态：

井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对 井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力 状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力 学性能,使岩石强度降低;
另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便 会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将 这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同 纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当 长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国 内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来 看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理 论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角 的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力 状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐 减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱 动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、 页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的 发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相 互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。

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。

用定量风险分析进行井眼稳定性评价段炬霞编译胡湘炯审校引言传统的井眼稳定性评价一直局限于由张力与挤压力对井壁破坏而产生的井眼压力分析上。

该分析对于井眼设计和解释现场常见的井眼稳定问题很有价值。

但因该分析是建立在经典的岩石破碎力学基础上而非实际操作基础上，因而一直限制了它的现场应用。

在近似直井钻井作业中，允许井壁有一定程度的破坏，只要该破坏不影响钻井作业。

然而在大斜度井中，由于钻屑运移过程要比直井复杂的多，其允许的井壁破坏限量就大大减小。

同时由于很难获得岩石的力学数据，也大大限制了该分析方法的现场应用。

本文提出的井眼稳定性分析方法将经典的力学稳定性模型与通过定量风险分析得出的井眼不稳定性允许限量结合起来.在该方法中,临界状态函数被定义为井眼轨迹和井眼几何尺寸的函数，所谓临界状态是指发生井壁过度破裂造成卡钻事故与正常钻进的临界点。

在定量风险分析中，随机输入的数据由一个三维井眼稳定模型产生。

该数据把不确定度作为模型输入参数，如地层应力状态不确定度和岩石材料特性不确定度。

建模结果产生一钻井液密度的成功几率函数。

为验证其可行性，将该方法的随机现场应用与常规确定性井眼稳定性分析的结果进行了对比。

井眼稳定性建模建立在井眼稳定性分析方法上的定量风险分析与岩石本构模型的选择是互相独立的。

这就允许在特定岩石材料形变基础上选择模型，且该形变与载荷和材料特性好坏及定义的破坏强度有关。

在该方法中，对一给定的井眼压力，用一基于线弹性的三维模型来确定环井壁的径向破坏的临界值。

这可以用一决定井壁破坏限量的模型来耦合。

该破坏限量通过模型形变与由测井曲线实测的井眼几何尺寸之间的对比确证。

输入参数的原始最佳估算值进行初始模拟。

也可先对最不可靠的输入参数进行修正，然后重新模拟。

重复该过程直到模拟结果与现场观测结果间达到较好一致为止。

临界状态函数通过临界状态函数，把经典的井眼稳定模型预报岩石破碎和操作事故联系起来。

允许井壁破裂的临界状态函数定义为：g 1＝θc- θ (1)此处θ是与特定井眼压力对应的损坏角,θc是临界损坏角,它与引起卡钻事故时的井壁破裂所对应的井眼压力有关(参考图1)。