談?wù)劧ㄏ蚓诜€(wěn)定問題

陳濤

摘要：從巖石力學(xué)、地球物理測井、工程錄井、環(huán)空水力學(xué)和鉆井液化學(xué)等方面分析定向井井壁穩(wěn)定問題，以實現(xiàn)對鉆井液性能、井身結(jié)構(gòu)及其它工程參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：定向井巖石應(yīng)力；地層壓力；地層破裂壓力液柱壓力數(shù)學(xué)模型

引言

導(dǎo)致井眼出現(xiàn)失穩(wěn)問題的因素包括天然的原因和人為的原因。在天然的原因方面包括：地質(zhì)構(gòu)造類型和原地應(yīng)力，孔隙度滲透性及孔除中的流體壓力等；在人為的原因方面包括：鉆井液的性能，泥頁巖化學(xué)作用的強弱，鉆柱對井壁的摩擦和碰撞等。導(dǎo)致井眼失穩(wěn)的最根本因素就是在形成井眼的過程中，井眼四周的應(yīng)力場、化學(xué)力出現(xiàn)了變化，導(dǎo)致井壁應(yīng)力集中的問題，致使井內(nèi)鉆液的壓強不可以和底層的地應(yīng)力重新建立起平衡的關(guān)系。如果井內(nèi)的鉆井液液柱比坍塌的壓力還要低的時候，井壁的巖石就會被破壞，這時候的塑性巖石會對井中產(chǎn)生塑性的流動，最后出現(xiàn)縮徑的問題，而脆性的巖石就可能會發(fā)生坍塌的問題，導(dǎo)致井徑的增大，如果當(dāng)鉆井液的液柱壓力要比破裂時壓力還要高的情況下，井壁內(nèi)四周的巖石就會被拉伸導(dǎo)致出現(xiàn)井漏的問題。此外，鉆井液的密度最好是讓井內(nèi)的液柱和地層孔隙的壓力能夠互相平衡。

一、井壁應(yīng)力分布

因為上覆巖層的壓力不能很好的和井軸重合，原來的水平地應(yīng)力也就不能和井軸正交，所以井眼四周的巖石在切向正應(yīng)力與法相正應(yīng)力的共同作用之下處在三維應(yīng)力的情況之下。不僅正壓力作用在井軸垂直平面井壁四周的巖石，剪應(yīng)力也作用在井軸垂直平面與巖石之上，它們都嚴(yán)重的影響著井壁巖石的形態(tài)，對井壁巖石有破壞作用。

二、井壁巖石破壞準(zhǔn)則

當(dāng)前許多人為拉伸斷裂的機制操縱著地層的壓裂情況，也就是說，如果當(dāng)一個有效的主應(yīng)力的大小能夠與巖石拉伸的強度值相同時就會發(fā)生底層破裂的情況。

三、巖石強度參數(shù)的確定

為了能夠?qū)θ芜M(jìn)行連續(xù)預(yù)測，僅憑室內(nèi)巖心試驗是不夠的。而要充分利用相關(guān)的間接資料，其中最完整的莫過于測井資料。因此，將測井資料的處理與巖心試驗結(jié)合起來，確定所需要的地層參數(shù)。同時，還利用巴西試驗和水壓致裂法求取特定處的抗拉強度。

四、坍塌壓力破裂壓力和孔隙壓力的確定

在給定的井斜角、原地應(yīng)力條件下，首先把原地應(yīng)力場轉(zhuǎn)換成井眼坐標(biāo)系下的應(yīng)力場，然后計算井壁巖石的應(yīng)力，并求出其主應(yīng)力值。再把求得的主應(yīng)力值代入相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則中去，計算保持井眼穩(wěn)定的坍塌壓力和破裂壓力。對于定向井，井壁上各主應(yīng)力值本身既是井眼壓力的函數(shù)，又與井周角0有關(guān)，因而不能像垂直井那樣得到井壁破壞壓力的解析式，而只能采用數(shù)值迭代法求解。對于孔隙壓力，將聲波時差法（尤其是經(jīng)驗系數(shù)法）與其它方法（如dc指數(shù)法等）相結(jié)合來評價地層孔院壓力剖面。

五、定向井環(huán)空中波動壓力

鉆井過程中，由于管柱在鉆井液中的運動引起井內(nèi)壓力的瞬態(tài)波動，此壓力與井眼內(nèi)靜液柱壓力一起構(gòu)成了穩(wěn)定井眼的實際壓力。但該壓力隨鉆井液性能、起下鉆速度、井眼形狀鉆具組合井眼深度等而發(fā)生變化稱之為波動壓力，該壓力對穩(wěn)定井眼系統(tǒng)具有重要的意義。因此，建立了定向井同心環(huán)空、偏心環(huán)空中牛頓流體、非牛頓流體的穩(wěn)態(tài)波動壓力模型，并研究了波動壓力系數(shù)的變化規(guī)律。

六、巖石力學(xué)和鉆井液化學(xué)進(jìn)行耦合研究

泥頁巖是一種水敏性粘土礦物，其與鉆井液的相互作用是必然的，不過不同的巖石與不同的鉆井液作用的程度不一樣。但是力學(xué)和化學(xué)的關(guān)聯(lián)的鉆研就是計算出包括這種化學(xué)作用產(chǎn)生的井壁四周的巖應(yīng)力，然后依據(jù)強度的條件來確定出井的四周或者是四周的巖坍塌的壓力。鉆井液對泥頁巖水化導(dǎo)致井壁圍巖的侵水區(qū)域的出現(xiàn)。在侵水區(qū)域中，巖石的含水量、彈性的模量與強度的參數(shù)是不斷的改變的，由于圍巖成為不斷改變的非均的質(zhì)體，導(dǎo)致耦合的分析非常的復(fù)雜。在這個方面建立出水化效應(yīng)的地應(yīng)力的耦合模型，給出井眼穩(wěn)定的水化效應(yīng)。

根據(jù)上述理論模型，編制了定向井井眼穩(wěn)定軟件，框圖如圖所示。

結(jié)論

針對上覆巖層壓力為中間主應(yīng)力和最大主應(yīng)力兩種情況，進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)識如下：

1.角度對井壁破壞的影響

井斜角對破裂壓力和坍塌壓力值的影響。當(dāng)上覆的壓力作為中間主應(yīng)力的環(huán)境之下，當(dāng)方位角的數(shù)值一定不變時，隨著井斜的角度不斷的擴大，坍塌臨界壓力值會不斷的減小。說明在這種條件下，井斜角越大鉆井越安全，當(dāng)上覆壓力成為最大的主應(yīng)力時，破裂臨界壓力值一般趨于減小，坍塌臨界壓力值增大。這種條件下，井斜角越小鉆井越安全。在上覆壓力為中間主應(yīng)力條件下，方位角對臨界井眼壓力的影響隨井斜角的增大而變大。當(dāng)方位角增大時，破裂和坍塌臨界壓力都有增大趨勢。在上覆壓力為最大主應(yīng)力條件下，隨方位角增大坍塌臨界壓力略有減小，而破裂臨界壓力較明顯地增大。說明在這種條件下，方位角越大鉆井越安全。

2.井壁滲透性對井眼臨界壓力值的影響。

井壁的滲透性對坍塌臨界壓力的計算值影響不大，而對破裂臨界壓力值影響較大?？紤]滲透井壁計算出的破裂和坍塌臨界壓力比非滲透井壁的破裂和坍塌臨界壓力略低。

3.地應(yīng)力狀態(tài)對井眼臨界壓力的影響。

在不同的地應(yīng)力條件下，破裂臨界壓力和坍塌臨界壓力隨井斜角或方位角增大的變化趨勢不同，而且其差別非常明顯。這說明在確定安全鉆井的鉆井液密度時，必須準(zhǔn)確了解地層應(yīng)力狀態(tài)。

4.波動壓力對井壁的影響

對波動壓力的研究表明管柱的偏心減小了波動壓力的數(shù)值，環(huán)空間隙的減?。ɑ蜚@柱直徑與井眼直徑之比的增加）將導(dǎo)致波動壓力的增加；對冪率流體隨稠度系數(shù)和流態(tài)指數(shù)的增加，波動壓力將增加；對于賓漢流體隨塑性粘度的增大，波動壓力將增加。由于大斜度井的井壁坍塌壓力和破裂壓力均與井眼的井斜角和方位角有關(guān)，因此對大斜度井來說，即使在同一區(qū)塊也沒有統(tǒng)一的坍塌壓力和破裂壓力剖面，而應(yīng)該根據(jù)實際的井眼條件或者設(shè)計的井身剖面進(jìn)行具體計算。

【結(jié)束語】

建立坍塌的壓力剖面、孔隙的壓力剖面與波動壓力所導(dǎo)致的附加的鉆井液的密度可以為設(shè)計正確的井身的結(jié)構(gòu)，確定套管的下深，控制和避免出現(xiàn)噴、漏、塌等安全性事故的問題與科學(xué)的為鉆井液的密度提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐志強.基于井壁崩落的定向井坍塌壓力計算模型[D].西南石油大學(xué)，2015.

[2]尹虎，唐志強，黃曉川.定向井井壁崩落與鉆進(jìn)方向優(yōu)化分析[J].鉆采工藝，2014，37（03）：31-33+7.