有限元法研究南海M油田鉆井過程井壁穩(wěn)定性

劉雪芬，閆玲玲

（1.隴東學院能源工程學院，甘肅慶陽 745000；2.巴音郭楞職業(yè)技術學院，新疆庫爾勒 841000）

鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是一個普遍性難題，特別是在新地區(qū)的勘探井、深井和超深井中，常常由于無法掌握井下地層的組成與特性，鉆井、鉆井液技術與地層不匹配，造成井眼嚴重失穩(wěn)，從而導致卡鉆、劃眼，泥包鉆頭等各種復雜事故，甚至使油井報廢。

國內外大量學者研究了井壁失穩(wěn)發(fā)生的條件及井壁失穩(wěn)機理，如地層各向異性、井身類型[1]、井眼軌道和層理面的夾角[2]、巖石類型及其力學參數(shù)[3，4]。不少學者指出應深入研究泥頁巖力學與化學耦合對井壁失穩(wěn)的影響[5]，巖石層理產(chǎn)狀和水化損傷對井壁穩(wěn)定性都有顯著的影響，都會導致坍塌壓力升高，加劇井壁的不穩(wěn)定性[6]。學者將ANSYS有限元軟件應用到井壁穩(wěn)定分析，指出對某鉆孔使用清水鉆進就可以滿足井壁穩(wěn)定的需要[7]，并得出了實際應用中的鉆井液密度值[8]，且地層各向異性程度越高，井周應力值越大，由此也會影響井壁穩(wěn)定性[9]。

論文以南海M油田明化鎮(zhèn)組地層為研究對象，從巖石力學的觀點研究鉆井過程中的井壁穩(wěn)定，采用DP破壞準則，利用已測室內試驗得到的巖石力學參數(shù)，在ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件基礎上建立井壁模型，分析井周應力-變形規(guī)律，揭示鉆井過程井壁位移和應力分布，為防止井壁失穩(wěn)提供依據(jù)和指導。

1 研究區(qū)概況

南海M油田為一具有復雜斷層的半背斜斷塊油氣藏，海區(qū)表層水溫29.0℃～17.0℃，近底層（1 500 m深度）水溫3.5℃～2.0℃，所鉆遇的地層自上而下分別鉆遇明化鎮(zhèn)組（明上段、明下段）、館陶組。明化鎮(zhèn)組埋深600 m～1 030 m，主要為軟泥巖和疏松砂巖；館陶組埋深1 030 m～1 300 m，主要為細到粗砂巖顆粒，有泥質夾層。巖石力學試驗表明，明化鎮(zhèn)組彈性模量較低，泊松比相對較高，且明化鎮(zhèn)組和館陶組的黏聚力都很低（0.5 MPa～2 MPa），內摩擦角也較低（31°）。明化鎮(zhèn)組單軸強度＜7 MPa，館陶組單軸強度＜9.5 MPa，整體強度較低，在鉆井和開發(fā)中可能出現(xiàn)井壁沖蝕、坍塌、縮徑、出砂等問題。對明化鎮(zhèn)組巖心開展了現(xiàn)用泥漿體系浸泡對地層強度的影響研究，測試其強度參數(shù)（見表1）。

2 ANSYS井壁穩(wěn)定性模擬

2.1 物理模型建立

假設：（1）巖石為理想彈塑性材料；（2）不考慮鉆井液與巖石的物理化學變化；（3）不考慮溫度對巖石力學性質的影響；（4）不考慮巖石的裂縫影響；（5）不考慮井眼軌跡的影響；（6）不考慮巖石中黏土礦物的影響。井壁簡化模型（見圖1）。

圖1 物理模型

2.2 有限元模型建立過程

論文采用DP模型描述鉆孔圍巖材料。DP材料使用Drucker-Prager屈服準則。數(shù)據(jù)采自M-2井數(shù)據(jù)：地層巖石彈性模量：21.6 GPa，泊松比：0.17，內聚力：1.84 MPa，內摩擦角：67.4°，鉆井液密度 1.4 g/cm3，井眼直徑300 mm，膨脹角在巖石屈服過程中對鉆孔圍巖的變化沒有很大的影響，在計算時假膨脹角等于零[10]。取井眼周圍約10倍井眼直徑范圍進行分析（即300 cm）[11]。明上段、明下段、館陶組的深度所對應的地應力值（見表2）。

表1 M油田明化鎮(zhèn)組泥漿浸泡強度試驗測試

表2 不同層位地應力分布

根據(jù)井眼的對稱性，采用井眼的四分之一平面模型。根據(jù)巖石力學的觀點，距離巖體硐室半徑6.5倍以外的地方幾乎不會發(fā)生應力重新分布的現(xiàn)象，故模型井眼半徑取R，結構邊長取10R，所取結構尺寸基本可消去邊界效應對結果的影響。

3 有限元計算結果與分析

為了得到較好的結果又節(jié)約計算機的內存，在對井壁模型進行單元劃分的時候，井壁周圍的單元劃分的細，在靠近邊界及邊界上的范圍單元劃分的粗。在模型的X負方向施加最大水平主應力，在Y負方向施加最小水平主應力，在X、Y方向施加約束，在井壁處施加液柱壓力。

3.1 位移分析

3.1.1 不同井深下的位移分析 研究表明，鉆井至800 m時，井眼位移11.342 mm；鉆至1 100 m時，井眼位移11.876 mm；鉆至1 400 m時，井眼位移16.718 mm。從800 m～1 400 m井眼發(fā)生位移逐漸增大。通過有限元技術分析計算，同一裸眼井段鉆井液密度不變時，井眼發(fā)生位移隨井深增大而增大。由于從800 m～1 400 m主要是明化鎮(zhèn)組和館陶組。所以，M油田在鉆進過程中，在明化鎮(zhèn)組和館陶組地層容易發(fā)生起下鉆遇阻、遇卡，造成井壁失穩(wěn)。

3.1.2 不同水化作用時間下的位移分析 浸泡0 h時，井眼發(fā)生位移13.143 mm；浸泡12 h時，井眼發(fā)生位移16.414 mm；浸泡40 h時，井眼發(fā)生位移27.297 mm。隨著浸泡時間的增加，井眼發(fā)生的位移隨之增加，從而導致井壁失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。井眼被鉆開后，鉆井液與泥巖地層接觸，黏土顆粒吸水膨脹，這會破壞泥巖地層原有顆粒的膠結狀態(tài)，導致巖石強度降低，彈性模量降低，泊松比升高，內摩擦角減小和內聚力減少。

3.2 應力分析

鉆井至800 m時，井周應力10.542 MPa～17.714 MPa；鉆至1 100 m時，井周應力13.544 MPa～25.887 MPa；鉆至1 400 m時，井周應力在17.585 MPa～31.013 MPa。不同井深的應力分布，都存在最小水平主應力方向井壁所受應力最大、最大水平主應力方向所受的應力最小，且距井眼一定距離后，地層所受的有效應力基本不變。所以，井壁更易在最小主應力方向發(fā)生破壞。

可見，當泥頁巖地層與鉆井液接觸時，自由水進入泥頁巖地層，將改變地層原有的力學性質，引起泥頁巖地層的水化膨脹，改變井眼周圍地層應力分布；同時也會引起地層巖石強度降低，兩種作用的共同結果將導致泥頁巖地層井壁的坍塌。

4 結論和建議

（1）隨著井深的增大，井徑和有效應力變化都相對增大，相比之下，館陶組的井徑位移大于明化鎮(zhèn)組，因此該油田的館陶組比明化鎮(zhèn)組更容易發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，鉆井過程中應采取有效措施防止井壁失穩(wěn)的發(fā)生。隨著鉆井液浸泡時間的增加，井眼位移明顯增大，導致井眼變形，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）井周在最小水平主應力方向存在應力集中現(xiàn)象，最易發(fā)生失效破壞引發(fā)井壁穩(wěn)定問題。此外，隨著井深的增加，井徑在最大水平主應力方向的變化比在最小水平主應力方向的變化大，最終致使井眼呈橢圓狀，導致起下鉆遇阻、遇卡。

（3）鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是巖石力學與化學耦合的結果，當泥頁巖地層與鉆井液接觸時，自由水進入泥頁巖地層不僅會使泥頁巖地層發(fā)生水化作用，也將改變地層原有的力學性質，引起地層巖石強度降低，兩種作用的耦合將導致泥頁巖地層井壁的坍塌。

（4）本文僅從巖石力學機理的角度分析了井壁的穩(wěn)定性，建議研究化學及與化學耦合作用影響下的井壁穩(wěn)定。此外，地下巖石一般都處于各向異性，巖石弱面對巖石破壞也有影響，因此建議研究時考慮各向異性的影響。

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