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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 。
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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
