國外井壁穩(wěn)定分析模型研究進(jìn)展

王富偉，劉扣其，邱正松，崔明磊

(1.中國石化勝利油田 新春采油廠，山東 東營 25700;2.中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580;3.山東勝利職業(yè)學(xué)院，山東 東營 25700)

井壁失穩(wěn)一直是困擾石油工業(yè)界的大問題，在世界許多油田都普遍存在，到目前為止，井壁失穩(wěn)問題仍未得到很好的解決。據(jù)保守估計，井壁失穩(wěn)每年約給世界石油工業(yè)造成5～6億美元的損失，消耗的時間約占鉆井總時間的5% ～6%［1］。在過去的幾十年時間里，研究人員嘗試采用多方法研究井壁穩(wěn)定，基于考慮不同的影響機(jī)制，建立了不同研究模型。本文對國外主要井壁穩(wěn)定分析模型進(jìn)展進(jìn)行了回顧，并且對現(xiàn)有模型的缺陷進(jìn)行了分析，對未來的研究方向提供了一些建議。

1 5種井壁穩(wěn)定分析模型

1.1 彈性模型

絕大多數(shù)彈性模型都是基于 Bradley理論，Bradley在1979年研究了平面應(yīng)變狀態(tài)下的井眼周圍的彈性應(yīng)力分布［2－3］，并采用 Drucker－ Prager破壞準(zhǔn)則描述地層剪應(yīng)力破壞。此類模型主要考慮井眼附近地層主應(yīng)力，包括上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和鉆井液對井壁的作用力。該模型不考慮孔隙壓力，模型簡單，輸入數(shù)據(jù)少，計算簡便而被廣泛運(yùn)用到現(xiàn)場中?；贐radley理論，井壁失穩(wěn)主要是發(fā)生在井壁上，然而現(xiàn)場和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，井壁失穩(wěn)也發(fā)生在地層內(nèi)部，并不是僅僅發(fā)生在井壁上。Aadnoy和Chenevert等人在1987年分析了不同應(yīng)力狀態(tài)下斜井井壁穩(wěn)定性能，使用彈性理論研究了井眼方向?qū)瓚?yīng)力的影響［4］。1988年Hsiao使用彈性理論研究了水平井井壁穩(wěn)定性能［5］。同年，Yew和Li建立三維彈性模型用以研究斜井破壞準(zhǔn)則［6］?；诰苯菍π本街鲬?yīng)力影響研究基礎(chǔ)上，1996年，Zhou等人指出了在拉應(yīng)力狀態(tài)基礎(chǔ)上(最大主應(yīng)力為上覆巖層壓力，Sv大于SH，Sh)，斜井比直井更加穩(wěn)定，沿最小水平主應(yīng)力方向所鉆的井眼穩(wěn)定性能最好，并且最穩(wěn)定。井斜角大小主要取決于最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的比值，該比值越大，井斜角越大，井眼越穩(wěn)定如果最大主應(yīng)力為垂向應(yīng)力，井眼方向?qū)诜€(wěn)定性能的影響程度較小，當(dāng)最大主應(yīng)力是水平主應(yīng)力時，井眼的方向?qū)诜€(wěn)定性能的影響較大。當(dāng)垂直主應(yīng)力不是最大應(yīng)力時，水平井能夠最低限度降低井壁失穩(wěn)的風(fēng)險，通過有效的選擇井眼的井斜角和方位角可以提高井壁穩(wěn)定性能［7］。2003年，Russell對Tullich油田進(jìn)行了研究，該地區(qū)最大主應(yīng)力為上覆巖層壓力，并且得出了與文獻(xiàn)［7］相似的結(jié)論，他認(rèn)為所鉆井眼的方向需平行于最大水平應(yīng)力的方向，從而可以減小井壁失穩(wěn)的幾率［8］。2009年，Al－Ajmi等人在北海、印度尼西亞和阿拉伯海灣進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)時得到了相似結(jié)論，他們認(rèn)為只有在各向同性水平地應(yīng)力條件下采用直井才能有效降低井壁失穩(wěn)的幾率，對于各向異性地層，斜井或者水平井可能比直井更穩(wěn)定［9］。Karstad和Aadnoy在對井眼路徑優(yōu)化時得出了相似的結(jié)論，他們考慮了原地應(yīng)力、鉆井液對井壁的作用力、井斜角和方位角，他們認(rèn)為井眼的井斜角和方位角對鉆井液的安全密度窗口有影響［10］。Morita指出3個原地主應(yīng)力會對井眼的變形和初始破壞產(chǎn)生影響，當(dāng)初始破壞產(chǎn)生后，最大徑向壓力是控制井壁穩(wěn)定性能的唯一因素，研究表明初始階段井壁崩落和最終井眼坍塌是完全不同的，一開始的井壁的崩落只能造成小范圍的井眼失穩(wěn)，這種情況下，井眼仍然能夠保持穩(wěn)定［11］。Mclean采用線彈性井壁穩(wěn)定性分析方法評價了不同破壞準(zhǔn)則對井壁穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，采用不同的破壞準(zhǔn)則所計算出來的安全鉆井液密度窗口是不一樣的，如果破壞準(zhǔn)則考慮到中間主應(yīng)力，結(jié)果雖然過高估計了巖石的強(qiáng)度但是能較好的預(yù)測井壁穩(wěn)定性，而沒有考慮中間主應(yīng)力的破壞準(zhǔn)則在預(yù)測安全鉆井液密度時顯得比較保守［12］。

以上絕大多數(shù)彈性模型都是假設(shè)地層是均質(zhì)性的，然而實(shí)際上絕大多數(shù)地層是非均質(zhì)性。Aadnoy采用彈性模型研究了地層各向異性對大斜度角井眼井壁穩(wěn)定性能的影響，他考慮了各向異性的彈性性能，定向剪切和定向抗拉強(qiáng)度，研究結(jié)果表明各向異性會導(dǎo)致井壁坍塌，且各向異性地層中井壁坍塌的方向往往與地應(yīng)力方向不同［13］。2012年Hikweon-Lee等人建立了一種新的彈性模型，該模型考慮了巖石強(qiáng)度的各向異性，并且涉及多個應(yīng)力體系之間的相互轉(zhuǎn)換，研究原地應(yīng)力，脆弱面和井眼軌道對各向異性地層井壁穩(wěn)定性能的影響，結(jié)果表明，井眼破壞的程度取決于井眼軌道和層理面的夾角［14］。

1.2 多孔彈性模型

地下巖石是充滿液體的多孔介質(zhì)，孔隙壓力主要是由于地層孔隙中的流體產(chǎn)生，當(dāng)?shù)貙颖汇@開后，孔隙壓力的分布會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致整個地層的應(yīng)力分布發(fā)生變化，過平衡、欠平衡鉆井，化學(xué)勢不平衡和溫度差異都會導(dǎo)致體系孔隙壓力的變化。多孔彈性模型主要考慮了孔隙壓力對井壁穩(wěn)定性能的影響。

多孔彈性方程主要是由Biot在1941年研究非均質(zhì)多孔固相相互作用時提出來的［15］。1963年P(guān)aslay和Cheatham假設(shè)流體從地層流入井筒時屬于穩(wěn)態(tài)流，采用多孔彈性模型研究了生產(chǎn)階段中井眼附近滲透率下降區(qū)域穩(wěn)定性，結(jié)果表明，滲透率變化區(qū)域的厚度會影響到巖石的強(qiáng)度［16］。

1988年Detournay對Biot多孔彈性理論進(jìn)行了擴(kuò)展并建立新模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖石發(fā)生壓縮破壞與時間有關(guān)，并且初始破壞發(fā)生在巖石內(nèi)部而不是井壁表面［17］。同年，F(xiàn)uh等人研究了孔隙壓力和井斜角對大斜度井眼井壁穩(wěn)定性能的影響。他們認(rèn)為僅僅依靠孔隙壓力來確定鉆井液的安全密度是不全面的［18］，需要綜合考慮井斜角、原地應(yīng)力、孔隙壓力和巖石強(qiáng)度等因素。1992年Yew和Liu采用了多孔彈性模型分析了斜井中井斜角和方位角對鉆井液密度窗口的影響，研究表明，井眼破壞與孔隙壓力有關(guān)，井斜角越大，鉆井液安全密度窗口越小［19］。2001年Awal等人基于多孔彈性理論基礎(chǔ)提出了新的研究模型［20］，該模型可以通過優(yōu)化井眼軌道從而提高井眼穩(wěn)定性能，理想井眼軌道可以是垂直、傾斜或者水平，這主要取決于該區(qū)域構(gòu)造是否活潑，該地區(qū)是否為正常壓實(shí)。

1998年Cui等人研究表明如果井壁表面是不滲透的，采用彈性理論和多孔彈性理論得到的結(jié)果是一樣的，他們對飽和非均質(zhì)地層斜井破壞情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)井壁坍塌和破裂與時間、井斜角、原地應(yīng)力、初始孔隙壓力、鉆井液壓力和巖石參數(shù)有關(guān)。由于孔隙壓力能夠?qū)诜€(wěn)定也有影響，所以使用多孔彈性模型相比于單純的彈性模型所得到的鉆井液的安全密度窗口較寬。他認(rèn)為如果最大應(yīng)力方向?yàn)樗椒较?，井斜角較大的井眼會更加穩(wěn)定［21］，而該結(jié)論與文獻(xiàn)［20］的研究結(jié)論剛好相反，Yew和Liu認(rèn)為鉆井液密度窗口隨著井斜角的增大而變窄，他們認(rèn)為井壁失穩(wěn)具有時間性，而這一結(jié)論和現(xiàn)場實(shí)際情況是吻合的。2000年Rahman等人指出由于鉆井液入侵地層而導(dǎo)致井眼附近地層孔隙壓力變大，井眼失穩(wěn)與時間有關(guān)，研究時考慮了孔隙壓力的傳遞，結(jié)果表明隨著時間推移，鉆井液安全密度窗口變窄，起初安全的鉆井液密度一段時間后會導(dǎo)致井眼坍塌等問題［22］。2006年Hodge等人研究了欠平衡鉆井條件下井眼附近巖石性能隨時間的變化情況，結(jié)果表明在欠平衡狀態(tài)條件下各向異性地層的水平應(yīng)力對井眼性能影響較大［23］。

絕大多數(shù)現(xiàn)有多孔彈性模型認(rèn)為巖石的彈性性能是不變的，而事實(shí)上地層是復(fù)雜的，巖石的彈性性能會隨著應(yīng)力的變化而變化。2002年Salamy和Frinbeiner提出了一個新的多孔彈性模型來研究裸眼完井條件下水平井眼的穩(wěn)定性能，實(shí)驗(yàn)研究了油藏枯竭和壓力下降對井壁穩(wěn)定性能影響，研究表明對于強(qiáng)度較弱的巖石地層(C0＜2000 psi)，水平井眼在起初階段不穩(wěn)定，且隨著油藏的枯竭和壓力的降低穩(wěn)定性能下降，強(qiáng)度較大的巖石地層中(C0～7250 psi)，井眼會在壓力極低的情況下變得不穩(wěn)定［24］。

巖石通常具有天然裂縫和層狀結(jié)構(gòu)。2006年Yamamoto采用三維多孔彈性模型來研究具有不同強(qiáng)度和滲透率地層中井壁穩(wěn)定性能，數(shù)值模擬結(jié)果顯示當(dāng)斷層為正斷層時，泥頁巖井壁穩(wěn)定性能會隨著井斜角的增大而變差。用來平衡地層壓力的高密度鉆井液會滲透到地層中并最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)［25］。

1.3 溫度－多孔彈性模型

鉆井液從地面流經(jīng)井筒再上返到地面是一個先升溫再降溫的過程，在循環(huán)過程中地層溫度與地層溫度還有一定差異。在井底時，鉆井液的溫度要低于地層的溫度，環(huán)空上返到達(dá)某一深度時，鉆井液溫度要大于地層溫度，所以井眼附近的地層經(jīng)歷著升溫和冷卻過程。加熱或者冷卻地層不僅會導(dǎo)致地層的巖石骨架和孔隙中的流體會發(fā)生膨脹或者收縮，還會導(dǎo)致地層流體的流動，從而改變了孔隙壓力的分布情況。由于地層和孔隙流體體積發(fā)生變化，孔隙壓力重新分布，井眼周圍的應(yīng)力狀態(tài)會也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。

1954年 Lubinski引入了井筒周圍熱應(yīng)力方程［26］。1989年 Kurashige在 Rice和 Cleary提出的多孔彈性模型的基礎(chǔ)上考慮了溫度的影響效果［27］。1993年Ong和Roegiers在廣義平面彈性應(yīng)變模型的基礎(chǔ)上建立了三維井壁穩(wěn)定模型，廣義平面線彈性應(yīng)變可以用來確定各向異性對水平井眼坍塌的影響，該模型考慮了流體的流動、溫度差異產(chǎn)生的應(yīng)力、原地應(yīng)力、鉆井液壓力，但是沒有考慮時間的影響，他們在研究中提出了非耦合的解決方案，研究表明，地層各向異性，較高原地應(yīng)力差以及過度冷卻都會對井眼的穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響［28］。1997年Bai和Abousoleiman指出需要綜合考慮溫度和其他因素才能較好控制井壁穩(wěn)定，他們認(rèn)為部分或者完全錯誤的解決方案會導(dǎo)致預(yù)測井壁穩(wěn)定的結(jié)果完全不同［29］。

1998年Li等人采用Kurashige模型考慮多孔彈性介質(zhì)中溫度，孔隙壓力，井眼周圍的應(yīng)力分布對井壁穩(wěn)定性能的影響，在熱力學(xué)方程中不考慮孔隙流動，這種模型只適用于低滲透性地層，研究過程中，他們考慮了加熱和冷卻對地層剪切破壞的影響以及熱應(yīng)力隨時間的變化情況，他們認(rèn)為加熱效應(yīng)會增加井壁剝落和剪切破壞的幾率，而冷卻卻能提高井壁穩(wěn)定性能(單單就剪切破壞和剝落而言)，基于這種理論他們得出在高溫高壓條件下可以通過冷卻井眼來達(dá)到穩(wěn)定井壁的結(jié)論［30］。Choi and Tan采用數(shù)值模擬方法研究由于溫度和流體擴(kuò)散所造成的應(yīng)力和孔隙壓力隨時間變化情況，結(jié)果表明鉆井液和地層的溫度會導(dǎo)致井眼周圍的孔隙壓力和有效應(yīng)力發(fā)生較大改變，地?zé)崽荻群蜔醾鲗?dǎo)和流體的擴(kuò)散對井壁穩(wěn)定產(chǎn)生影響，冷卻地層會增加井壁的穩(wěn)定性而加熱地層會導(dǎo)致井壁失穩(wěn)［31］。

以上模型都是僅僅考慮熱傳導(dǎo)，這些模型僅僅適用于低滲透性地層，對于高滲透性地層，還得考慮熱對流的影響。2003年Wang和Dusseault提出了新的溫度－多孔彈性理論，該模型考慮了熱傳導(dǎo)和熱對流的耦合作用，并用來計算井眼周圍線彈性多孔介質(zhì)表面的切應(yīng)力［32］。他們假定井眼壓力不變并假設(shè)了溫度的邊界條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)井壁破壞可以發(fā)生在地層內(nèi)部。2005年Farahani等人研究了熱對流對高滲透性地層的影響［33］，得出了不等溫條件下孔隙壓力和溫度耦合方程，溫度會導(dǎo)致鉆井液安全密度窗口變窄，冷卻地層會減小井眼坍塌的風(fēng)險，溫度變化會導(dǎo)致井眼發(fā)生拉伸破壞。Chen和Ewy研究了溫度對滲透邊界和非滲透邊界的影響，研究表明溫度的變化對高滲透地層的孔隙壓力是沒有影響的，因?yàn)榭紫读黧w在高滲地層中的流動是自由的，而在低滲地層中流動受阻，從而在低滲透地層中存在孔隙壓力存儲效應(yīng)［34，35］。

1.4 化學(xué)多孔彈性理論

目前為止所鉆遇的地層中75%的地層是頁巖，且絕大多數(shù)井壁失穩(wěn)都是發(fā)生在泥頁巖地層。隨著人們對環(huán)境保護(hù)要求的提高，油基鉆井液的使用開始受到限制，相反，水基鉆井液的使用越來越廣。水基鉆井液會導(dǎo)致泥頁巖地層井壁不穩(wěn)定。

C.H.Yew和M.E.chenevert于1989年發(fā)表了第一篇將力－化耦合進(jìn)行定量分析的文獻(xiàn)［36］。他們假設(shè)泥頁巖為各向同性，將水向泥頁巖中的運(yùn)動比擬成熱擴(kuò)散，再由熱擴(kuò)散模型來模擬吸附水?dāng)U散，結(jié)合質(zhì)量守恒方程，得到吸水量方程。再將泥頁巖的力學(xué)性質(zhì)與其總含水量相關(guān)聯(lián)，即彈性模量E不是常數(shù)，而是含水量的函數(shù)，其相關(guān)系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測定。而泊松比與吸水量基本沒有關(guān)系。

1993年Hale等人研究了頁巖中水相含量的改變對井壁周圍力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力分布的影響，結(jié)果表明頁巖中的水含量是影響頁巖穩(wěn)定性能的主要因素［37］。1999年Lal指出鉆井液與泥頁巖的反應(yīng)主要包括毛細(xì)管作用、滲透作用、水動力、膨脹、流體滲入、壓力擴(kuò)散以及流體與頁巖的物理化學(xué)作用［38］。2003年VanOort分析了頁巖地層和鉆井液的物理化學(xué)作用，指出水動力流動、滲透、離子和壓力擴(kuò)散是影響頁巖穩(wěn)定性的主要因素，可以通過控制鉆井液與頁巖的反應(yīng)從而提高頁巖地層的井壁穩(wěn)定性能［39］。

頁巖可以被看作是非理想半透膜，水分子可以自由穿透而一些離子不能自由穿過滲透膜，這導(dǎo)致半透膜兩邊的離子濃度不相等從而產(chǎn)生滲透壓。2001年Yu等人在研究頁巖中水分子和離子移動時建立了新的模型，通過建立化學(xué)式，液壓，電勢方程式來確定水，離子和電流的流動，使用不同的邊界條件得到壓力和濃度的耦合方程進(jìn)而計算孔隙壓力傳遞和離子濃度［40］。2003年Yu等人來研究泥頁巖井壁穩(wěn)定性能時進(jìn)一步拓寬了自己之前的研究結(jié)論，在分析泥頁巖穩(wěn)定時他們考慮了化學(xué)產(chǎn)生的應(yīng)力，結(jié)果表明鉆井液和泥頁巖地層發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)對控制泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定非常重要［41］。

2003年Ghassemi和Diek提出了線性化學(xué)多孔彈性模型來研究各向同性頁巖地層中井眼附近地層應(yīng)力和孔隙壓力分布，結(jié)果表明滲透壓可以穩(wěn)定井壁，增加鉆井液的礦化度可以提高井眼穩(wěn)定性能。由于溶質(zhì)和溶液運(yùn)移是與時間有關(guān)的，頁巖中井壁穩(wěn)定是與時間有關(guān)的［42］。同年Rahman等人采用化學(xué)多孔彈性模型來研究頁巖穩(wěn)定性隨時間的變化關(guān)系，結(jié)果表明鉆井液安全密度窗口會隨著孔隙壓力的增加而降低(主要是由于化學(xué)滲透形成的)。低滲透地層對化學(xué)滲透更加敏感［43］。2007年Nguyen等人研究了阿拉伯海灣NahrUmr泥頁巖層井壁穩(wěn)定性能隨時間的變化關(guān)系，該地區(qū)的頁巖主要是由一些宏觀的層理面以及較小的天然裂縫所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，由于鉆井液與頁巖地層的水活度存在差異，他們考慮了滲透壓差，采用雙孔隙度/雙滲透率的方法來研究，由于低滲透頁巖中存在天然裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以液體的流通通道滲透率較大。采用雙重多孔化學(xué)彈性模型所算出的安全密度窗口要比傳統(tǒng)的模型算出的要更加保守［44］。

1.5 化學(xué)－溫度－多孔彈性模型

溫度和化學(xué)都會對井眼周圍地層的孔隙壓力分布產(chǎn)生重要影響，并且溫度的變化會改變化學(xué)勢的大小，所以在研究泥頁巖井壁穩(wěn)定時需將溫度和化學(xué)因素進(jìn)行耦合。

Yu等人在2001年提出了與時間有關(guān)的化學(xué)－溫度－多孔彈性模型來研究化學(xué)和溫度對井壁穩(wěn)定性能的影響，該模型考慮了熱應(yīng)力以及由于水和溶質(zhì)流進(jìn)或者流出地層而造成的溫度和孔隙壓力的變化，他們將地層應(yīng)力和溫度、孔隙壓力變化產(chǎn)生的附加力進(jìn)行耦合，指出由于化學(xué)和溫度的影響，鉆井液的密度隨時間而變化，最初能安全的鉆井液密度不能保證長時間后仍然安全。同年Chen等人也指出在鉆井初期，溫度是控制孔隙壓力的主要因素，他們發(fā)現(xiàn)溫度在頁巖中的擴(kuò)散要比水力和化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散更快，井壁失穩(wěn)先發(fā)生在地層中而不是通常認(rèn)為的井壁上［45］。

2002年Ghassemi和Diek研究表明溫度滲透對地層中孔隙壓力的影響很大，當(dāng)使用的鉆井液活度較低時，冷卻地層并不能保證井眼附近孔隙壓力會降低，除了通過增加鉆井液的密度，改變鉆井液的水活度也是一種有效控制井壁穩(wěn)定的方法［46］。2003年Freij－Ayoub等人研究表明可以使用較低溫度和水活度的鉆井液來減小孔隙壓力從而穩(wěn)定井壁［47］，這與Ghassemi等人的研究結(jié)論是相同的。

2006年Zhang等人研究了井眼的形態(tài)(井斜角和方位角)、巖石的性質(zhì)(地層強(qiáng)度、楊氏模量、膜效率和滲透率)、溫度和鉆井液的性能(鉆井液的密度和化學(xué)物質(zhì)濃度)對井壁穩(wěn)定性能的影響，研究表明，頁巖地層的滲透率對井壁穩(wěn)定性能的影響較大，低滲透地層相對于高滲透地層存在的井壁失穩(wěn)的幾率要高。井底條件下，地層的膨脹系數(shù)是影響井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)。鉀離子可以較好的增強(qiáng)PierreI和Arco頁巖的強(qiáng)度，相同溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，氯化鈣能增強(qiáng)PierreI頁巖的強(qiáng)度而氯化鈉能增強(qiáng)Arco頁巖強(qiáng)度，說明溶質(zhì)的類型也起著相當(dāng)大的作用，冷卻地層會通過防止抗壓破壞而穩(wěn)定井壁，但是同時會增加拉伸破壞的幾率［48］。

2009年Zhou等人采用有限元法建立了線性和非線性的化學(xué)－溫度－多孔彈性模型，研究表明冷卻地層，使用高溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液會有效降低地層孔隙壓力，徑向和切向應(yīng)力。這表明可以通過優(yōu)化鉆井液溫度以及鉆井液體系中化學(xué)物質(zhì)濃度從而保持井壁穩(wěn)定［49］。同年Ghassemi等人在不可逆熱力學(xué)基礎(chǔ)上對溫度和化學(xué)勢進(jìn)行耦合從而提出了新模型，該模型研究井壁周圍頁巖發(fā)生膨脹時的應(yīng)力和孔隙壓力分布，結(jié)果表明鉆井液中溶質(zhì)的濃度大于地層中的濃度會增加井眼周圍的有效徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力［50］。

2 現(xiàn)有模型的缺點(diǎn)及展望

縱觀井壁穩(wěn)定的研究歷史，其整體的研究思路是從純力學(xué)研究，到鉆井液化學(xué)研究，到力學(xué)與化學(xué)耦合研究，再到力學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)耦合研究。但是現(xiàn)有的理論模型都存在著不同程度的缺陷。就單純的彈性模型而言，其僅僅是從純力學(xué)的角度進(jìn)行了思考并沒有考慮孔隙流體的影響。而后來發(fā)展的多場耦合理論模型主要可分為基于能量守衡原理建立耦合方程和應(yīng)力疊加法建立耦合方程兩種。它們的缺陷主要是:基于能量守衡原理建立耦合方程很難確定化學(xué)能和泥頁巖變形之間的關(guān)系而采用應(yīng)力疊加的方法的缺點(diǎn)是力學(xué)意義不嚴(yán)格，只有把泥頁巖視為了完全剛性材料的條件下才可使用［51］，國內(nèi)外通常將建立的模型進(jìn)行簡化，以致有些方程失去了真正耦合的意義，而且由于泥頁巖多場耦合的復(fù)雜性，耦合模型中的很多參數(shù)也很難在實(shí)驗(yàn)室測定，這也影響了耦合模型的實(shí)用性。

由于泥頁巖井壁失穩(wěn)主要是受力學(xué)，化學(xué)，溫度，水動力等多因素影響，未來分析井壁穩(wěn)定時，需要考慮到多因素耦合，需要不斷加深理論方面的研究，更新實(shí)驗(yàn)方法，比如采用真三軸測量地層的實(shí)際地層力學(xué)參數(shù)，考慮地層各向異性對地層力學(xué)參數(shù)的影響，采用分子模擬了解鉆井液，地層流體在地層中的運(yùn)動和相互作用，結(jié)合地震勘測和數(shù)值模擬等方法了解地層物理特性，實(shí)驗(yàn)室測量時需要盡可能模擬巖石在井下的受力環(huán)境，定量建立多場耦合模型時，需要詳細(xì)考慮各種限制因素，盡可能提高模型的準(zhǔn)確性，建立模型參數(shù)與測井曲線間的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)隨鉆井壁穩(wěn)定監(jiān)測，了解鉆井動態(tài)條件下的井壁穩(wěn)定情況，最大限度減少井壁失穩(wěn)造成的損失。

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