钻孔围岩应力及稳定性

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γ
B
Z
在正常条件下 P =1。如果 P >1.2,则为异常 高层压。遇到异常高压层的或然率随钻进深度加大而 增加。异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区。 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区
' C
' C
井底的压力为 PD=Y1·Z十Py±∆P 十 ±
Y1--冲洗液比重; 冲洗液比重; 冲洗液比重 Py--井口液体压力 在伴随压力钻进时 ; 井口液体压力(在伴随压力钻进时 井口液体压力 在伴随压力钻进时); ∆P--由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力, 由于工艺原因而产生的井口压力波动值(洗井泵压力, 由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力 提升或下降钻具时井内压力的变化) 提升或下降钻具时井内压力的变化
一、水平井的井眼净化 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下, 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下,流速变化可能 呈现不同的流动状态: 最高流速(紊流状态) 呈现不同的流动状态:①最高流速(紊流状态)下 岩屑均匀悬浮; 流速降低, 岩屑均匀悬浮;②流速降低,环空下部大颗粒岩屑 较多,呈非均匀悬浮; 在某一流速下, 较多,呈非均匀悬浮;③在某一流速下,全部岩屑 冲击管壁,岩屑堆积于管底,形成连续的移动床; 冲击管壁,岩屑堆积于管底,形成连续的移动床; ④流速进一步降低,床层底部颗粒基本不动,而使 流速进一步降低,床层底部颗粒基本不动, 床层增厚,有效断面减小,称为固定岩屑床。 床层增厚,有效断面减小,称为固定岩屑床。
四、水平井的防漏堵漏 由于水平井钻井液循环当量密度远高于相同垂 深的直井,加之井眼净化困难, 深的直井,加之井眼净化困难,容易发生开泵蹩漏 地层;加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧, 地层;加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧,无 法封堵井眼上侧地层,为此,应增加堵漏材料加量。 法封堵井眼上侧地层,为此,应增加堵漏材料加量。 如采用桥接堵漏,堵漏材料的加量应大于150 150— 如采用桥接堵漏,堵漏材料的加量应大于150 并提高堵漏浆液的粘度和动切力, 200kg/m3,并提高堵漏浆液的粘度和动切力,增强 携带堵漏材料的能力。 携带堵漏材料的能力。
计算结果得洗井液比重的三个数值 γ 1min , γ 1max , γ 1 可能有三种情形: · 第一种情形 γ 1 min < γ 1 < γ 1 max 钻进条件正常,建议采用比重为γ1的洗井液。 第二种情形 γ 1 < γ 1min < γ 1 max 钻进条件复杂。建议洗井液比重为 γ 1 min 但是在 这种情况下洗井液可能漏失。如果采用γ1则可能井壁 坍塌。 第三种情形 γ 1 min < γ 1 max < γ 1 钻进条件非常复杂。采用平衡压力钻进可能得到 最好结果。 γ 1 = γ B ⋅ P` 即 平衡压力钻进的工艺目前仍处于试验和掌握阶段。
钻井围岩的应力和 围岩的稳定性
在埋藏条件下岩石的应力状态
地壳中岩石的应力状态是由上覆岩石的压 力和地质构造作用引起的。在没有构造运动 的情况下地壳部分岩石的应力状态对于垂直 线是对称的。这样就可以在圆柱坐标系统中, 用两个应力分量来表征应力状态。 σz =σ3 和 σ r = σ 1 = σ 2 垂直应力 由上覆岩石的压力来决定: σ z = −γ 0 ⋅ z ① 此处γ0——岩石的平均容重; z——岩石埋藏深度。
三、水平井的摩阻控制 钻水平井时,井斜角从0 90° 钻水平井时,井斜角从0°增至 90°,钻具在 重力作用下,总是靠向井壁, 重力作用下,总是靠向井壁,钻具与井壁的接触面 积比直井大幅度增加, 积比直井大幅度增加,因而起下钻具的摩擦阻力和 旋转钻具的扭矩将随井斜角的增大和方位角的变化 而增加。其卡钻可能性比直井要大得多。 而增加。其卡钻可能性比直井要大得多。所以钻井 液的润滑性就成为摩阻控制的关键。 液的润滑性就成为摩阻控制的关键。
吸附质对吸附剂的物理一化学亲和性越大,吸 附质降低吸附剂的表面能越厉害,则吸附过程中 在表面层上吸附质的浓度将越高。降低吸附剂表 降低吸附剂表 面能的物质称为表面活性剂。 面能的物质称为表面活性剂。 液体,特别是加入表面活性剂的水,侵入孔 隙时,除了降低固体表面的自由能以外,还产生 楔裂作用和减少固体变形时的内摩擦。其结果导 致强度降低。这种现象称为列宾捷尔效应。 钻井与岩层之间正压力降的存在近来被认为是 水侵入岩石的主要驱动力。目前,渗透现象,作 为膨胀、强度降低和泥质岩石垮塌的驱动力之一, 越来越多地吸引着研究人员的注意力。
五、水平井钻井液性能 密度。 1、密度。 钻井液密度应高于裸眼井段地层孔 隙压力和坍塌压力,低于地层破裂压力。 隙压力和坍塌压力,低于地层破裂压力。水平井段 达到一定长度时, 达到一定长度时,钻井液循环当量密度升高接近地 层破裂压力, 层破裂压力,为此还必须防止提下钻时抽吸和激动 压力而诱发事故。 压力而诱发事故。
由此可知, 由此可知,环空返速是影响井眼净化主要因素 之一。对水平井来说,环空返速有一个最佳范围。 之一。对水平井来说,环空返速有一个最佳范围。 过低影响净化,过高则冲蚀井壁,井径扩大, 过低影响净化,过高则冲蚀井壁,井径扩大,使环 空返速下降,降低净化效果。国内外大量实践证实, 空返速下降,降低净化效果。国内外大量实践证实, 当井斜角30--90° 当井斜角30--90°时,临界环空返速以0.79 30--90 临界环空返速以0.79— 0.79 1.10m/s为宜 为宜。 1.10m/s为宜。 另外,应选用合理流型和流变参数。 另外,应选用合理流型和流变参数。井斜角小 45° 层流能获得最佳的井眼清洗效果, 于45°,层流能获得最佳的井眼清洗效果,并尽可 能提高动切力和动塑比;大斜度井段中, 能提高动切力和动塑比;大斜度井段中,使用紊流 的清除效果更高。 的清除效果更高。 适当增加钻井液密度, 适当增加钻井液密度,也可改善清洗效果
2、流变参数。 水平井钻进中,突出的问题是 流变参数。 水平井钻进中, 钻屑悬浮和井眼净化, 钻屑悬浮和井眼净化,钻井液参数和环空流型是关 键。 提高低剪率下的粘度, 提高低剪率下的粘度,才能有效地提高悬浮能 力和防止岩屑床的形成, 力和防止岩屑床的形成,一般要求初切最好大于 3Pa;层流钻进时塑性粘度应大于15mPa.s,动塑比 3Pa;层流钻进时塑性粘度应大于15mPa.s,动塑比 15mPa.s, 可控制在0.4 0.4—1 动切力最好大于10Pa 10Pa; 可控制在0.4 1,动切力最好大于10Pa;水平段紊 流钻进应降低表观粘度。 流钻进应降低表观粘度。 滤失性。降低滤失量,特别是HTHP HTHP滤失量 3、滤失性。降低滤失量,特别是HTHP滤失量 需低于15ml;泥饼应薄、 需低于15ml;泥饼应薄、韧、可压缩、渗透度低。 15ml 可压缩、渗透度低。
关于水平井问题
水平井钻井液技术
水平井是指井斜角达到90° 水平井是指井斜角达到90°左右并延伸一定距 90 离的井。其钻井工艺与直井有较大区别。即必须从 离的井。其钻井工艺与直井有较大区别。 钻井液角度要考虑井眼净化、井壁稳定、摩阻控制、 钻井液角度要考虑井眼净化、井壁稳定、摩阻控制、 防漏堵漏、保护储层等技术难题。 防漏堵漏、保护储层等技术难题。
被施加垂直压力的岩石在径向是会产生变形的。从 εr=0的条件,按照广义虎克公式我们得到:
σ
r
= =
µ
1 − µ
σ µ
z
② ③

λ
µ
1 −
此处λ——侧压系数。 将①式的值代入②式,我们得到计算岩石中,径 向弹性应力的H.A.金尼克公式:
σ r = −λ ⋅ γ 0 ⋅ z

由于地壳中的松弛现象,应力逐渐拉平σr σz 而λ 1。 在许多文献中表明,在许多情况下可采 取λ=1, σr=σz。这意味着岩石处于均匀的各向压缩 状态。
地壳中的自然应力称为地压 地压。 地压 地压的垂直分量PZ=γ0*Z 称为大地静压或地压 , 而水平分量λPZ则称为侧压。 多孔的岩石总是饱含液体或气体。孔隙液体的压 力称为层压 层压。在正常条件下层压PC的数值大致等于水 层压 的静压力,即 PC ≈γB Z 因此,为了表征钻进时的水文地质条件,采用相对 层压比 PC' ,比较方便。P C' = p c
二、水平井的井壁稳定 水平井的失稳因素和防治措施与前述基本相同, 水平井的失稳因素和防治措施与前述基本相同, 主要应考虑井斜角和方位角对井壁坍塌压力和破裂 压力的影响。 压力的影响。因此钻水平井时稳定井壁的技术措施 包括: 包括: 选用合理的钻井液密度。为保持井壁稳定, 1、选用合理的钻井液密度。为保持井壁稳定, 钻井液当量密度必须大于地层坍塌压设计。在正断层附近钻水平 优化井身剖面设计。 应尽可能向最小地应力方向钻进; 井,应尽可能向最小地应力方向钻进;在平推断层 附近钻水平井应沿最大水平地应力方向钻进; 附近钻水平井应沿最大水平地应力方向钻进;而在 逆断层附近钻水平井则应向最大地应力方向钻进。 逆断层附近钻水平井则应向最大地应力方向钻进。 优选钻井液类型和合理的环空返速。 3、优选钻井液类型和合理的环空返速。在相 同地层条件下, 同地层条件下,所选钻井液的抑制性和封堵性应比 直井的强;为确保大斜度井段的井眼净化, 直井的强;为确保大斜度井段的井眼净化,通常采 用紊流循环,但应防止冲蚀井壁, 用紊流循环,但应防止冲蚀井壁,故应优选合理的 环空返速。 环空返速。
润滑性。泥饼摩擦系数应尽可能低于0.06 0.06, 4、润滑性。泥饼摩擦系数应尽可能低于0.06, 还应降低钻井液润滑系数。 还应降低钻井液润滑系数。 5、固相控制。使用四级净化设备,严格控制 固相控制。使用四级净化设备, 含砂量低于0.1 0.1%。 含砂量低于0.1%。 6、井壁稳定性。钻井液必须能有效地稳定井 井壁稳定性。 提高其抑制性和封堵性, 壁,提高其抑制性和封堵性,尽最大可能减少钻井 液对地层坍塌压力的影响。 液对地层坍塌压力的影响。
岩石中液体压力本身方面的变化, 岩石中液体压力本身方面的变化,也引起 岩石应力状态的改变。 岩石应力状态的改变。 由此可见, 由此可见,钻井周围岩石处于复杂应力状 并且压应力占优势。 态,并且压应力占优势。随着深度的增加岩 石中的平均应力增大。 石中的平均应力增大。
洗井液比重的选择
调节洗井液比重是调节井内压力的主要 方法。岩石丧失稳定性和岩石水力断裂的 危险性不是决定选择井内必须压力的唯一 因素。对于饱含层间流体的岩层,建立正 常的反压力是很重要的。 建立正常反压力的条件如下: γ1=γB [Pc `+(0.1~0.2) ], 此处γB——水的比重; Pc`——相对的岩层压力。
The end
c
介质对井壁岩石变形和破坏的影响
岩石在自然埋藏条件下,以至当它被钻井揭露时都 要受到液体介质的作用。 在介质作用下固体变形和破坏过程的变化,基本上 是由在固体一介质界面上发生的物理一化学现象所决定 的。这些物理一化学现象包括润湿、吸附和溶解。 根据被液体润湿的程度,所有固体分为亲水的和憎 水的两类。亲水体被水润湿较好,被碳氢化合物润湿较 差,而憎水体则相反。在钻井过程中几乎所有被破碎的 岩石都是亲水体,能良好地被水润湿。 吸附应理解为在固体表面发生的气体或溶液物质的 密集。被吸附的物质称为吸附质,而在其表面产生吸附 作用的物质称为吸剂。
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