岩石力学课件——第八章 井壁稳定

a2 1 1 2 z v 2 H h cos 2 r 21
f Pw Pp
上式中： H 、 h 一 分为最大和最小水平主应力；
第八章
第一节
井 壁 稳 定
井壁失稳的原因及危害
在石油钻井中，井眼稳定(borehole stability )问题是世界范围内普
遍存在的问题。每年由此造成的直径经济损失达数亿美元之巨。因此 国内外许多研究机构都在致力于此项研究。
在钻井之前，深埋在地下的岩层受到上覆岩层压力（overburden
pressure） 、最大水平地应力(maximu horizontal in site stress )、最小 水 平 地 应 力 (minimum horizontal in site stress ) 和 孔 隙 压 力 (pore
添加剂和泥浆体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。
力学方面的研究: 岩石力学研究主要包括原地应力状态(in site stress state )的确定、岩石力学性质(rock mechanical character)的测定、井眼围岩应力(stresses around borehole )分析，最终确定保持井眼稳定的合理泥浆密度 (mud weight )。 化学和力学藕合研究 泥浆化学和岩石力学藕合起来研究，尽可能多地搜集井 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，确定起主要作用的参数有哪些。
（2）岩石的综合性质，岩石的强度(rock strength )和变形
(deformation )特征等、孔隙度(porosity )、含水量、粘土含量 (clay content )、组成和压实情况等。
（3）钻井液(drilling fluid )的综合性质，化学组成、连续
相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥
井漏(lost circulation )：
井眼压力大于地层破裂压力；
井塌(borehole collapse )：
井眼压力小于地层破裂压力，
同时容易发生井喷(blowout )事故。
井壁失稳问题的工程现象：
起下钻遇阻，甚至卡钻 大钩负荷加大
划眼
扭矩加大
循环时返出岩屑棱角分明
测井井径扩大


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。
第二节
分布规律。
井眼围岩应力分布
v —垂直主应力；
p p —地层中的原始孔隙压力；
pw —井眼压力；
—波松比；
当井壁有渗透时， 1 ；当井壁无渗透时， 0 。
二、斜井围岩应力分布规律
斜井(deviated borehole )时，所建
立的坐标系需要转换，再经过一系列的比 较复杂的数学运算，可以得到井壁围岩的
pressure )的共同作用，处于平衡状态。
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的
是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近
产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
3、井壁失稳的原因
通过以上分析，可以发现，影响井壁稳定的因素概括起来可分为
四大类： （1）地质力学因素，原地应力状态(in site stress state )、
地层孔隙压力(formation pore pressure ) 、原地温度、地质构造特
征(geological structural feature)等。这些因素是不可改变的，只 能准确地确定它们。
a 2 3a 4 1 H h 1 2 1 4 2 r r cos 2

1
r
1
2a 2 3a 4 1 H h 1 2 4 2 r r
sin 2
厚壁筒模型的解为：
的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
2、井壁失稳与岩石破坏类型的关系
井壁失稳(unstable borehole)时岩石的破坏类型主要有两种：
拉伸破坏(tensile failure)、剪切破坏（shear failure )。 剪切破坏又分为两种类型:
一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、测井带来问题。
要进行井壁稳定的力学分析，首要任务之一就是确定井壁围岩的应力
一、直井井壁围岩的应力分布
下图是直井井眼(vertical borehole )力学模型，在X方向无限远处 作用有最大水平主应力，在Y方向无限远处作用有最小水平主应力，在井 眼内部作用有钻井液的静液压力，地层内部作用有地层孔隙压力。 由于地层是线弹性的，遵循叠加原理，图8-1可分解为图8-2所示的两个模 型的叠加。一是厚壁筒(thick-wall cylinder )模型，一是单向受压大板
r
2
a2 1 2 r
2 a h 2 PW r
2
a2 a2 1 2 h 2 PW r r
2
r 0
当井内流体与地层流体相互渗透时，还应考虑流体渗滤的作用所 引起的附加应力场 。将以上三方面综合起来（或叠加起来），即得直 井井壁围岩应力分布：
等。
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使
1、井壁不稳定的原因
如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度
(shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍 塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse
这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲蚀作用 也可能出现井眼扩大； 另一种是延性破坏，导致缩径，发生在软泥岩、砂岩、岩盐等 地层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。 拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。 实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。如果 井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。
Mohre-Coulomb准则和Drucker-Prager准则。
对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的 情况，井壁围岩的应力状态：
r Pw
2 h Pw
z v
根据井壁上的主应力分量的相对大小不同，可能存在几种破坏 情况。在 z r 的情况下，根据Mohre-Coulomb准则有：
a2 1 3a 4 4a 2 a2 1 r 2 PW H h 1 2 H h 1 4 2 cos 2 r 2 2 r r r
1 1 2 a 2 1 2 f Pw Pp 21 r a2 1 3a 4 a2 1 2 Pw H h 1 2 H h 1 4 cos 2 r 2 2 r r 1 1 2 a 2 1 2 f Pw Pp 21 r
应力分布（略）。
Fig.6 Co-ordinate system for a deviated borehole
Transformation system
第三节 井壁的坍塌与破裂
已知井眼的应力分布规律后，根据一定的强度准则，就可以判
断井壁是否发生失稳破坏。
一、井壁坍塌
井壁坍塌时，井壁上发生的是剪切破坏，常用的破坏准则有
得非常复杂。
易于发生井壁失稳的地区
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，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； 减少井眼裸露时间是有益的 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
pressure)；
如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将
产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压
力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近
浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对 它们的物理力学性质的影响非常的大。 （4）其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身 结构参数（井深、井斜角、方位角azimuth angle ）、压力激动和 抽吸(surge and swab pressure)等。
这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变
4、井壁稳定的研究方法
井壁稳定性(borehole stability )的研究方法目前主要有
三种：一是泥浆化学研究，二是岩石力学研究，三是化学和力学 藕合起来研究。
泥浆化学方面研究:
从泥浆化学方面研究井壁稳定，主要研究泥页岩水化膨胀的 机理，寻找抑制泥页岩水化膨胀(hydrate expansion )的化学
一、井壁不稳定的危害
在我国各大油田的长期勘探开发过程中，井壁不稳定问题一直
比较突出。如环渤海湾地区主要表现为馆陶、明化镇组泥页岩地层 的水化膨胀，造成缩径卡钻事故；东营底、沙河街、孔店组泥页岩
地层的剥落掉块，造成井径扩大(out of gauge hole )、坍塌卡钻
(stuck drill pipe )、电测质量低下、固井不合格等工程事故； 一些特殊层位如：生物灰岩、裂隙性玄武岩、软弱砂岩的井塌井漏
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

2 h 0 Pc Pw tan2 1
若井眼压力低于上式的值，井壁就会发生剪切破坏（井壁坍
塌）。 随着井眼压力的提高会出现 r z 的情况，仍根据莫尔 一库仑准则，有：
2 h tan2 0 Pc Pw tan2 1
若井眼压力高于上式的值，井壁就会发生剪切破坏（井壁坍 塌）。可见剪切破坏存在一个低限和一个高限，在低限和高限之间井 壁才能保持稳定。
小孔应力集中模型。这两个模型都是经典的弹性力学问题，具有解析解。
pw
图8-1 井壁围岩的应力分析
h
h
H h H h
h
pw
h
图8-2 线弹性地层井眼周围应力分布
单向受压无限大板小孔应力集中模型的解为：
r1
a 2 4a 2 3a 4 1 H h 1 2 1 2 4 cos 2 2 r r r