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泥页岩地层井壁失稳理论研究及其进展

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第八章 井壁稳定

第八章 井壁稳定

易于发生井壁失稳的地区
高构造应力地区，如逆掩断层、 高构造应力地区，如逆掩断层、山前构造带或 大倾角地层 异常高孔隙压力 水敏性地层 裂缝性地层 低强度地区
垂直于地层层理钻进井眼较稳定 对裂缝性地层， 对裂缝性地层，提高钻井液密度不一定有助于防止 坍塌 崩落后的井眼比圆形井眼更稳定 构造运动剧烈地区有可能通过优化井眼方位来改善 稳定性； 稳定性； 减少井眼裸露时间是有益的 强抑制、严封堵、 强抑制、严封堵、合理密度是防塌钻井液设计的方 向 冷却钻井液有助于防塌
井眼稳定分析所需资料
区域地质构造；岩性剖面 测井资料（井径、声波、密度、自然伽玛等） 录井资料 钻井设计任务书、井史及完井地质报告 岩心、岩性、岩相、岩石物性分析资料 地层漏失试验及事故记录 其他部门的研究结果（地质、开发部门） 钻井过程中的其他测试资料
分析步骤
判断井眼失稳性质（化学、力学、疏松岩层、 塑性岩层） 了解构造背景、准确判定地应力特征； 分析岩性剖面，收集岩心、测井资料； 应用分析软件进行分析 将分析结果与钻进实际进行对比，进行必要的 修正； 结合钻井液特性、井眼轨迹进行预测，并提出 维护井眼稳定的措施。
力学方面的研究: 力学方面的研究: 岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、 岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、岩 石力学性质的测定、井眼围岩应力分析， 石力学性质的测定、井眼围岩应力分析，最终确定保 持井眼稳定的合理泥浆密度。 持井眼稳定的合理泥浆密度。 化学和力学耦合研究 泥浆化学和岩石力学耦合起来研究， 泥浆化学和岩石力学耦合起来研究，尽可能多地 搜集井眼情况资料（ 搜集井眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂 情况），尽可能准确地估计岩石的性能， 情况），尽可能准确地估计岩石的性能，确定起主要 ），尽可能准确地估计岩石的性能 作用的参数有哪些。 作用的参数有哪些。

井壁稳定问题(2)

井壁稳定问题(2)

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。

天长深层泥页岩井壁失稳机理及防塌对策

天长深层泥页岩井壁失稳机理及防塌对策

天长深层泥页岩井壁失稳机理及防塌对策何竹梅;贾万根;宋碧涛;杨雪山;曹敏【摘要】天长地区深层泥页岩钻井中发生井壁失稳,造成起下钻遏阻、长时间划眼、电测阻卡、填井侧钻等复杂事故,大幅增加钻探成本,影响钻井速度和电测资料的获取,延误该区深层油气藏勘探开发进程.为此,通过对已钻井资料及坍塌层组构特性分析,探讨了阜宁组泥页岩井壁失稳机理,研究提出整体抑制、分级封堵、协同增效的钻井液防塌对策.在室内研究基础上,采用聚胺、聚醚多元醇及纳米封堵剂与江苏油田常用复合金属离子聚合物钻井液体系复配,建立了强抑制强封堵聚醚醇胺钻井液体系配方.室内研究与现场应用表明,该体系能有效抑制天长地区深层阜宁组硬脆性泥页岩井壁失稳,为深层硬脆性泥页岩地层钻井施工提供了钻井液技术借鉴.【期刊名称】《复杂油气藏》【年(卷),期】2017(010)001【总页数】5页(P64-68)【关键词】天长地区;泥页岩;垮塌机理;强抑制封堵钻井液;聚醚多元醇【作者】何竹梅;贾万根;宋碧涛;杨雪山;曹敏【作者单位】中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院,江苏扬州225009;中国石化江苏油田概预算中心,江苏扬州225009;中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院,江苏扬州225009;中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院,江苏扬州225009;中国石化华东石油工程公司江苏钻井处,江苏扬州225261【正文语种】中文【中图分类】TE254.62012年以来，江苏油田在位于天长的汊涧、铜城等地区的金湖凹陷东阳次凹、铜城断裂带、杨村断裂带、西斜坡沈庄等断块上共钻井50口，垂深1 534.8～3 212.41 m(平均垂深2 587.5 m)，井深1 800～3 530 m(平均井深2 760 m)。

井深3 000 m以上的较深井3口，其中有2口井在阜宁组地层钻井中发生了泥页岩井壁垮塌，造成起下钻阻卡、划眼、憋泵、井垮、井漏、再划眼的恶性循环。

2013年钻探的成X2井完钻井深3 279 m，因井下垮塌，被迫填井侧钻两次，报废进尺3 128 m，损失时间约115 d；2015年钻探的天X100井完钻井深3 230 m，也因钻遇阜宁组泥页岩垮塌，造成填井侧钻2次，报废进尺1 897 m，损失时间约36.6 d，复杂时效高达42.79%。

软泥岩井壁失稳原因与技术对策

软泥岩井壁失稳原因与技术对策

软泥岩井壁失稳原因与技术对策<网络与相关文献资料整理>一、软泥岩的特点与钻井液技术对策软泥岩属于层理裂隙不发育的岩体，地层组构特征：粘土矿物以伊蒙无序间层为主；大多属于第三系或白垩系地层，成岩程度低，呈块状，处于早成岩期；分散性强，回收率大多小于20%；阳离子交换容量高，15-30mmol/100g土；泥岩易膨胀，膨胀率高达20-30%；绝大部分地层属于正常压力梯度，极个别地区此类地层出现异常压力梯度；岩石可钻性级别低，小于1级～3级。

钻遇软泥岩地层的潜在井下复杂情况为：造浆性强，地层自造浆密度高，切力大，含砂量高；钻井过程中易缩径，起钻遇卡拔活塞，灌不进钻井液，处理不当易发生卡钻、井塌、下钻遇阻、划眼、蹩泵、井漏；阻卡井段固定，以700m～1500m井段最为严重。

典型区块为我国东部油田明化镇组泥岩。

软泥岩中井壁不稳定发生原因：泥岩中伊蒙无序间层吸水膨胀、分散、缩径；高渗透砂岩形成厚泥饼；钻速高，环空钻屑浓度过高。

软泥岩中的钻井液技术对策：采用强包被的聚丙烯酸盐聚合物、两性离子聚合物、阳离子聚合物、正电胶阳离子聚合物、正电胶等类型钻井液；对于直径等于或小于f244mm的井眼，应采用低密度、低粘、低切钻井液，提高返速，使环空钻井液处于紊流；对于直径等于或大于f311mm的井眼，在保证钻屑携带前题下，应尽可能降低粘切，提高钻井液的抑制性与返速，降低滤失量，改善泥饼质量；控制环空钻屑浓度；搞好固控。

应用实例：BZ25-1油田。

前期28口井钻井中使用的小阳离子钻井液(JFC)存在的主要问题为：机械钻速低、伴有憋泵抬钻具现象，并且钻井液的流变性难以调控，维护困难。

后期钻井过程中采用抑制性更强的聚合醇钻井液(PEM)，虽然聚合醇钻井液的抑制性和机械钻速提高了，但是井壁稳定和起下钻遇阻问题却更为突出，钻井时效反而降低，具体表现为以下几个方面：(1)明化镇组大段活性软泥岩地层钻进过程中憋钻、卡钻严重，倒划眼困难，甚至出现倒划眼时间超过钻井时间。

页岩气钻井井壁失稳机理试验与理论模型探索

页岩气钻井井壁失稳机理试验与理论模型探索

摘
要 目前 ， 威 远一 长 宁构造 页岩 气钻 井最 引人 关注 的工程难 点之一是井壁 失稳 问题 ， 而作 为主要产 气层 的龙马溪页岩地 层
更是频繁发生严重的井壁坍塌事故。基于室 内实验分析 了多个地方龙马溪 页岩 露头 的矿 物组分 、 微 观特征 等性质 ， 并结合层 状 弱面体理论一 带 弱面 的 Ｍｏ ｈ ｒ — Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ准 则一 对比分析 了层理弱面对两类 页岩露 头强度 的影响。在 此基础 上， 还 简单讨论 了页岩倾角为 ０时 ， 层理对 页岩直 井和水平 井的井壁稳定 性的影响及 井眼破坏 形式。
类油 基钻 井液 ， 页岩 井 壁 坍 塌机 理 研 究 转 移 到 页岩 本身微 观 特 征 和 层 理 构 造 上来 Ｊ ， 认 为微 裂 缝 、 层
理弱 面 以及 层 理 问渗 透 是 引起 页岩 气 井 井 壁 稳 定
菱铁矿薄层 、 条带或透镜体 ， 反映总体处在还原一 弱
还原 环境 。 。 。
昭通李家湾 、 四川长 宁双河镇 等地均有 出露 ， 岩性
上 有所 差异 ， 为 巨厚 龙 马溪 页岩 主力 产 层 不 同 亚层 段 出露 位置 。
第一作 简 介 ： 任
。
铭（ １ ９ ８ ８ 一） ， 男 。硕 ｆ ＝ 。研 究方 向 ： 油 气 井丁
Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ３ ５ ７ ２ ４１ ２ ７ ０＠ ｑ ｑ． ｃ ｏ ｎ。 ｒ
⑥
２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
石 油 技 术
页 岩气 钻 井 井 壁 失稳 机 理 试 验 与理论模 型探 索
任 铭 ’ 汪海阁 邹灵战 冯晓炜 李 洪

关于页岩气井井壁失稳机理及其油基钻井液技术探究

关于页岩气井井壁失稳机理及其油基钻井液技术探究

2020年06月多安全措施，更有效降低了该单元发生爆炸的危险性，如：连续进行排液，设置连续监测在线仪表，在DCS 上设置报警，每年进行装置加温吹除等。

（1）工艺控制补偿系数的确定有9项内容。

“紧急停车装置”：工艺单元出现异常时只能报警，系数为0.99，若能停车，系数取0.96；“计算机控制”：设置了在线计算机以帮助操作者，但不直接控制关键设备时，系数为0.97；“操作规程”：正确操作指南、完整的操作规程保证正常生产，系数为0.98；“其他工艺过程危险分析”：就是选用其他的一些危险分析工具进行评价，分馏塔爆炸采用故障类型和影响分析（FMEA ）,得到的补偿系数为0.94。

其余几方面和装置空分单元实际工艺情况不相符，补偿系数取值为1.0。

计算工艺控制补偿系数C 1=C 1a ×C 1b ×C 1c ……C 1i ，参见表3。

表3工艺控制补偿系数（C 1）序号123456789项目应急电源（0.98）冷却装置（0.97～0.99）抑爆装置（0.84～0.98）紧急停车装置（0.96～0.99）计算机控制（0.93～0.99）惰性气体保护系统（0.94～0.96）操作规程（0.91～0.98）化学活泼物质的评价（0.91～0.98）其他工艺过程危险分析（0.91～0.98）工艺控制补偿系数（C 1）取值1110.990.9710.9810.940.884（2）危险数值隔离补偿系数的确定有4项内容。

“排放系统”：设置排放设施，能够通过排放处理危险介质，系数为0.91。

“远距离控制阀”、“备用卸料装置”、“连锁装置”这三方面和装置空分单元实际工艺情况不相符，补偿系数取值为1.0。

计算工艺控制补偿系数C 2=C 2a ×C 2b ×C 2c ×C 2d ，参见表4。

表4危险物质隔离补偿系数（C 2）序号1234项目远距离控制阀（0.96～0.98）备用卸料装置（0.96～0.98）排放系统（0.91～0.97）联锁装置（0.98）危险物质隔离补偿系数（C 2）取值110.9110.91（3）防火设施补偿系数的确定有9项内容。

泥页岩地层井壁失稳的一种新机理


布的影 响 。
因此 ， 研究综合考虑渗流、 温度、 孔隙压力等因 素的影 响下井周应力分 布规律 ， 计算分析渗 流、 温 度、 孔隙压力等因素对钻井过 程中安全泥浆密度范 围的影 响规 律是 十分 必要 。 ２ 泥页岩地层孔隙压力的计算模式及其附加应力
场 ２ １ 物理化 学渗流 作 用下 的井 周孔 隙压 力计 算 ．
Ｍ ． Ｙ ｕ［］ Ａ ． Ｇ ｈａ ｓ ｍ ｉ７１３ Ｍ ６、 ｓ ｅ ３８、 Ｌ
．
近期 的研 究［］ ］ 明 ， 然 泥页 岩地 层渗 透 率 １［ 表 １ 虽 很 低 ， 在 泥浆 液 柱 压力 与 地 层 压力 的压 差作 用 及 但 钻 井 液 中溶 质 和地 层 水 中溶 质 的浓 度 差作 用 下 ， 钻 井液中的水不断向地层渗流扩散 ， 引起地层孔 隙压 力 的不断 变 化 ， 在井 周 地 层 引起 附加 应 力场 改 变 并 井 周地 层有效 应 力分 布规 律 。 依 据 渗 流力 学 原 理 ， 力和 化 学 电势梯 度 引起 水 的溶质 和水 的流 动 同时改变 孔 隙压 力 。在本 研 究 中 孔 隙压 力 剖 面 是 由水 和 溶 质 两 者 的耦 合 流 动 控 制 的。 耦合情况下 ， 孔隙压力的计算方程由下述方程控 制：
地层流体之间由于水动力压差值和化学势差值作用 下， 流体 进 出地 层 引 起 有效 应 力 在 井 眼周 围重 新 分
摘 要 ： 泥 页岩地 层 井壁 稳定 分 析 中 ， 泥 页 岩视 为孔 隙介质 ， 究 了孔 隙压 力 变化 规律 及 井 周 在 将 研 有 效应 力状 态 ， 据 多孔 热 弹性 理论 ， 出泥 页岩 地层 耦合 温压 影响 下直 井周 有 效应 力计 算模 式， 合 根 给 结

涠西南油田泥页岩井壁坍塌预测方法研究的开题报告

涠西南油田泥页岩井壁坍塌预测方法研究的开题报告题目：涠西南油田泥页岩井壁坍塌预测方法研究一、选题背景及意义随着石油工业的发展，页岩油和页岩气成为热门的勘探开发对象。

涠西南油田是我国西北地区重要的油气田，其中泥页岩层厚度大、地质条件复杂，对井壁稳定性和钻井安全提出了较高的要求。

因此，开展涠西南油田泥页岩井壁坍塌预测方法的研究具有重要的理论和实践意义。

二、研究内容和研究方法1. 研究内容（1）涠西南油田泥页岩井壁坍塌的特点和成因分析；（2）泥页岩井壁稳定性评价指标体系的构建；（3）基于机器学习和数值模拟的泥页岩井壁坍塌预测方法研究；（4）现场实验验证和分析。

2. 研究方法（1）文献资料法、野外调查法和试验分析法；（2）以机器学习和数值模拟为基础，综合应用产生学、模糊数学、人工神经网络等方法建立泥页岩井壁坍塌预测模型；（3）在现场进行实验验证并分析。

三、预期研究成果1. 构建涠西南油田泥页岩井壁稳定性评价指标体系，提出科学合理的井壁稳定性评价方法；2. 提出一种基于机器学习和数值模拟的泥页岩井壁坍塌预测方法，可以为钻井工作提供科学依据；3. 通过现场实验验证和分析，对研究成果进行验证和总结。

四、进度安排和可行性分析1. 进度安排2021年12月-2022年3月：文献资料搜集和泥页岩井壁坍塌特点和成因分析；2022年4月-2022年8月：泥页岩井壁稳定性评价指标体系的构建；2022年9月-2023年3月：基于机器学习和数值模拟的泥页岩井壁坍塌预测方法研究；2023年4月-2023年8月：现场实验验证和分析；2023年9月-2023年12月：论文撰写和答辩。

2. 可行性分析本研究选题具有实际应用价值，数据来源充足，研究方法成熟可行。

同时，本研究考虑到实验操作可能存在的困难和意外情况，保证实验的安全和可行性。

井周应力与井壁失稳-PPT文档

β x1
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东营组地层斜井井壁稳定性分析
最大水平地应力方位： 井壁坍塌风险最高
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失稳 结束
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稳定
无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关
6
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
2 4 2 H REvaluation 3R 4R H only. r (1 2 ) (1 4 2 )cos2 2 2 .NET r r 3.5 Client r eated with Aspose.Slides for Profile 5.2.0 2 4 R 3 R Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. H (1 2 ) H (1 4 )cos2 2 2 r r H 3R4 2R2 r (1 4 2 )sin2 2 r r
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直井井眼周围地层应力状态
井壁应力状态：
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BZ25-1油田软泥页岩井壁稳定机理及其应用

BZ25-1油田软泥页岩井壁稳定机理及其应用摘要：本文研究了BZ25-1油田软泥页岩井壁的稳定机理及其应用，通过分析软泥页岩的性质和特点，探究了软泥页岩在钻井过程中的变形和稳定问题。

同时，对于软泥页岩的工程应用进行了研究，包括钻井液体系设计、井壁支护措施等。

最后，通过实际应用案例论证了BZ25-1油田软泥页岩井壁稳定方案的可行性和有效性。

关键词：软泥页岩，井壁稳定，工程应用Introduction随着深部油气资源的逐渐开发，软泥页岩油气藏的勘探和开采逐渐受到人们的关注。

由于软泥页岩的特殊性质，其钻井过程中的井壁稳定问题一直是油气勘探和开采的难点之一。

因此，研究软泥页岩井壁的稳定机理及其应用有着重要的实际意义。

本文以BZ25-1油田为例，通过分析软泥页岩的物理、机械和岩石学特征，探究软泥页岩在钻井过程中的变形和稳定规律。

同时，对于软泥页岩的工程应用进行了研究，包括钻井液体系设计、井壁支护措施和实际应用案例等。

Soft Mud Shale软泥页岩是由细粘土和粉状矿物质组成的沉积岩石，在地质构造、埋深和孔隙结构等方面具有很高的异质性。

在钻井过程中，软泥页岩的变形和稳定问题主要受到以下因素的影响：一、钻头对软泥页岩的切削作用导致了岩屑的生成，增加了钻井液的循环阻力和强度损失。

二、井壁对软泥页岩的限制作用导致了周围地层的变形和应力分布，急剧增加了井眼稳定的难度。

三、钻井液的化学和物理特性对于软泥页岩的影响较大，比如流变性能、酸度和沉积物质的选择等，这些因素都可能影响到软泥页岩井壁的稳定性。

井壁稳定机理井壁稳定的实质是在维持油气勘探和开采的同时，尽可能避免地层的破坏和岩屑的产生。

因此，井壁稳定机理主要是通过以下三方面措施来实现的：一、通过控制钻井液的物理和化学性质，减少对软泥页岩的侵蚀和损伤，从而减少钻井中的岩屑产生。

二、通过改善井壁结构和增加支撑强度，减少井眼的变形和应力分布，从而提高井壁的稳定性。

三、钻进过程中及时监测井壁的变化和应力分布，进行井壁支撑和补强，以避免与地层破坏和失稳的问题。

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目前层理性泥页岩地层井壁稳定性研究还局限 于某些特例 ,需要进一步对各种影响因素综合研究 , 形成综合考虑地应力 、孔隙压力 、地层走向 、倾向 、倾 角 、层理面发育程度 、井眼轨迹 、钻井液与泥页岩之 间物理化学作用等因素的井壁稳定计算分析方法 。
·18·
钻 采 工 艺
DR ILL ING & PRODUCTION TECHNOLOGY
据这一领域的研究现状及问题的实质 ,将深井泥页岩地层的井壁稳定性研究分为基于连续介质理论的均匀地层井 壁稳定性研究 、层理性地层井壁稳定性研究 、裂隙性地层井壁稳定性研究以及井壁稳定性物理化学机理研究等方 面 ,并对各理论研究的进展情况进行了总结 。指出 :以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理论和 计算方法基本成熟 ,而具有显著“结构性 (层理 、裂缝 ) ”的泥页岩地层井壁失稳问题仍是目前研究的重点和难点 。 需要从结构性地层的变形破坏特性 、钻井液在结构性地层的渗流特征以及渗流对结构性地层的力学特性的影响规 律等基础研究出发 ,开展泥页岩地层井壁稳定性综合研究是今后的发展方向 。
第 30卷 第 3期 Vol. 30 No. 3
钻 采 工 艺
DR ILL ING & PRODUCTION TECHNOLOGY
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由于线弹性模型过于保守 ,基于线弹性模型确 定的安全钻井液密度往往偏高 ,因此研究者试图采 用更接近岩石力学性质的模型研究井壁失稳问题 。 目前采用的模型主要有非线性弹性模型和弹塑性模 型两类 。
Shailesh M anik Ekbote[ 18 ] ( 2002)在其博士论文 中将热和流体与泥页岩地层之间的化学作用耦合进 各向异性孔隙弹性模型 ,并对井眼轴线垂直于地层 层理面的情况下井壁稳定性进行了研究 。
上述研究的基本思路 是 : 将层 理性地 层视 为 “等效连续介质 ”,建立各向异性的弹性模型 ,按照 弹性模型计算井周应力 ,然后依据弱面 (或各向异 性 )破坏准则判断给定泥岩密度下的井壁是否稳 定 。其缺陷是忽略了层理面非线性等因素的影响 , 不能反映钻井过程中由于钻井液渗流等作用引起的 层理面非线性 。为此 ,有学者采用离散元法研究层 理性泥页岩的井壁稳定性问题 。如 K. Yamamoto等 人 [ 19 ] ( 2002)利用二维离散元法研究了层理性地层 中水平井井壁稳定性问题 ,通过数值模拟指出 ,安全 钻井液密度的上限必须严格控制 ,以防止沿层理面 的破坏发生 ,另外 ,层理性泥页岩地层井眼轨迹的优 化与均质地层井眼轨迹的优化方案不同 ,须考虑层 理面因素的影响 。
自 Hubbert和 W illis[ 1 ] ( 1957 )将井周地层视为 连续的各向同性线弹性体 ,并首次给出了井周应力 的计算方法后 ,国内外对井壁失稳的力学机理进行
了大量的研究 。基本上形成了一套以孔隙弹塑性力 学为基础的井壁稳定性计算分析方法 。
Fairhurst[ 2 ] (1968) 应用线弹性模型 ,推导了斜 井 、水平井的井周应力分布规律 。B radley[ 3 ] ( 1979 ) 在 Fairhurst工作的基础上进一步研究了井眼周围应 力计算方法 ,并应用德鲁克 - 普拉格破坏准则评价 岩石剪切破坏 ,他认为地层都存在微裂隙 ,不能承受 拉伸载荷 ,地层的抗拉强度为零 ,并以此为破坏准 则 ,评价地层的拉伸破坏 。利用这两个准则 , B radley 首次分析了应力引起的井壁漏失和井壁坍塌破坏 。
A adony[ 14 ] (1987)考虑岩石各向异性对斜井井 壁稳定性的影响 ,发展了一种半解析模型 ,并利用 Cheneve rt教授的 试 验 数 据 对 各 向 异 性 对 井 壁 稳 定 性的影响进行了分析 ,但该模型只能计算井壁上的 应力 ,另外 ,在模型中没有考虑孔隙压力的影响 。
See Hong Ong和 J - C. Roegiers[ 15 ] ( 1996)进一 步改进了 Aadony的模型 ,给出了各向异性地层中 ,
F. J. Santarelli和 V. M aury在研究高温高压井 井壁稳定性问题时 ,都指出在应力分析中必须考虑 热效应 [ 6 ] 。 Tang L. 和 Luo P. ( 1998 )也指出由于循 环钻井液引起的热效应 ,改变了井眼附近的应力重 新 分 布 [ 7 ] 。 Yarlong W ang 和 M. B. Dusseault[ 8 ] (2003)应用孔隙热弹性理论进一步研究了热 、流体 和多孔介质耦合作用下井周应力分布规律以及井壁 稳定性 。
一 、井壁稳定性力学研究进展
井壁稳定性力学研究就是首先确定地应力 ,然 后采用符合实际的本构模型来计算井眼周围的应力 分布 ,再根据某种强度准则确定出理论坍塌压力 ,即 确定保持井壁稳定所需的钻井液密度的安全范围 。 根据研究方法的不同分为基于连续介质理论的均质 地层和具有层理 、裂隙特点的结构性地层 。 1. 均质地层
引入 Terzaghi有效应力理论后 , J - C. Roegiers 等人 [ 4 ] ( 1998)以及 Yew 和 L i等人 [ 5 ] ( 1992) ,将地 层视为孔隙弹性介质 ,在 B radley研究成果的基础 上 ,考虑流体进出地层等因素的影响 ,进一步研究了 井壁稳定性问题 。
关键词 :泥页岩地层 ; 井壁稳定 ; 理论研究 ; 工程应用 ; 进展 中图分类号 : TE 21 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 768X (2007) 03 - 0016 - 05
泥页岩地层井壁失稳是影响钻井速度及钻井成 本的主要原因 。有正式文献记载的井眼稳定性研究 始于 1940年 ,研究的几个主要领域包括井眼稳定性 机理研究 、现场实例与现场处理研究及有关井眼稳 定性的参数获取方法研究等 。根据研究方法的不同 将其分为力学上的井壁失稳机理研究和物理化学上 的井壁失稳机理研究两大内容 。并将井壁稳定性力 学研究分为基于连续介质理论的均质地层 、层理性 地层和裂隙性地层井壁稳定性研究 ,有显著“结构 性 (层理 、裂缝 ) ”的钻井液岩地层井壁失稳问题是 目前研究的发展方向 。
对于软泥岩地层井眼弹塑性缩颈问题 , Fenner 等人采用理想的弹塑性模型求解了均匀地应力 、各 向同性地层中的井眼周围围岩变形问题 。 Kastner 等人 [ 11 ]用 Mohr - Coulomb 准则求解了非均匀水平 地应力情况下 ,各向同性地层的井眼围岩塑性变形 规律 。
上述井壁稳定性分析的力学模型都是建立在地 层均匀各向同性假设基础上的 ,这对于解决相对均 质地层的井壁稳定性问题起到了相当大的促进作 用 ,也是进一步解决结构性地层井壁稳定问题的基 础 。这类均质地层的井壁失稳问题可以通过提高钻 井液密度的办法进行有效解决 。 2. 层理性地层
P. J. M clellan 等 人 [ 21 ] ( 1996 ) 研 究 了 加 拿 大 Northeastern B ritish Colum bia 山前构造倾斜的裂缝 性泥页岩地层钻进斜井的井壁稳定性问题 。通过现 场及室内的大量研究工作指出 :钻井液及其滤液沿 微裂缝和层理面的渗流使泥页岩地层强度逐步降低 是引起井下复杂的根本原因 。通过研究给出如下主 要建议和结论 : ①单靠钻井液密度不能解决层理裂 缝性泥页岩地层井壁失稳问题 ,实际上 ,在层理裂缝 性地层中使用过高的钻井液密度 ,将导致孔隙压力 升高 ,井眼周围有效应力降低 ,产生更大范围的破 坏 ; ②在评估维持井壁稳定的安全钻井液密度窗口 时应考虑抽吸压力和激动压力的影响 ; ③在钻井液 中加入封堵剂有助于减少漏失及维持井壁稳定 ; ④ 一般来说 ,井斜角越大 ,井壁失稳的风险越大 ,但对 于层理裂缝性地层 ,降低井眼轴线和层理面法向之 间的夹角有利于井壁稳定 ; ⑤优化水力参数以保证 钻屑和坍塌物能被及时地带出井眼 ,因为在某些情 况下井壁坍塌是不可避免的 ,将坍塌物及时带出井 眼可以减少井下复杂时间 ; ⑥通过提高钻速减少泥 页岩地层的裸露时间 ,对井壁稳定有利 。
2007年 5月
May 2007
3. 裂隙性地层 具有显著结构性的另一类地层是裂缝性地层 。
Elf A quitaite 公 司 的 地 质 学 家 M aury 和 Sauzy[ 20 ] ( 1994 )在研究 法 国南 部 的 气 田 套 管 破 损 机 理 时 发 现 ,在钻井过程中当钻井液液柱压力足以使地层中 和井眼交叉的天然裂缝重新张开时 ,沿裂缝面分布 的应力释放 ,将产生一个较小的但具有潜在危害的 井眼错动 ,即沿裂缝面的剪切位移 ,是裂缝性地层井 壁失稳的主要原因 。
A bousleim an等人 [ 16 ] (1998)将层理性泥页岩地 层视为横观各向同性的孔隙弹性材料 ,在忽略钻井 液滤液对地层力学性质的影响情况下 ,给出了考虑 钻井液渗流情况下 ,水平井眼周围地层应力状态的 孔隙弹性解 。
A nthony J. L. C rook等人 [ 17 ] ( 2002)在试验的基 础上 ,通过对 Cam Clay模型进行扩展 ,建立层理性 泥页岩地层的三维正交各向异性弹塑性本构模型 , 并推导给出了应力 —应变之间增量形式的本构方 程 。虽然暂时未能将其理论应用于井壁稳定性的实 际计算分析 ,但他们在理论上对层理性泥页岩地层 的本构模型进行了有益的探讨 。
层理性地层是典型的各向异性地层 ,不仅力学 性质存在各向异性 ,强度上的各向异性也十分突出 。 依据 Ong (1994)的统计 [ 12 ] ,仅有 10%的地层表现出 了各向同性 , 30%岩石弹性模量各向异性比大于 115。
早在 1965年 ,M. E. Chenevert[ 13 ]教授就通过试 验研究了层理方位对岩石力学特性的影响 ,结果表 明 ,平行层理面取心测定的弹性模量高于垂直于层 理面方向取心测定的弹性模量 ,当岩心轴线与层理 面的夹角在 20°～30°之间时 ,岩心强度与垂直层理 面取心测定的强度相比降低了 40% ,平行层理面的 抗拉强度与垂直层理面的抗拉强度相比要低 - 12 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ,编号 50434050。 作者简介 : 蔚宝华 (1973 - ) ,中国石油大学 (北京 )博士 ,主要从事油气井岩石力学和井壁稳定研究工作 。地址 : ( 102249 )北京昌平 ,电 话 : 010 - 89733911 - 17, E - mail: wangzhizhong69@126. com