不同条件下井壁稳定实验研究

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第八章-井壁稳定

1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
a r2 2P w 1 2 H h 1 a r2 2 1 2 H h 1 3 r a 4 4 c2 os
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
z v 2 H h a r 2 c2 o s 1 2 1 1 2 f P w P p
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；
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整个井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
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 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，来改变井眼附近的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
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：

井壁稳定问题(2)

井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性能,使岩石强度降低;
另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。

井壁稳定性研究-西南石油大学

3、有助于取全、取准所要求的各种资料； 4、减小和防止油层损害，以利于发现和评价油气层 5、优化完井方案（完井方式、射孔方案）
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
二、井壁失稳的表现形式
井壁不稳定
剪切破坏
漏失
张性破裂
缩径、扩径
盐岩蠕变泥岩水化膨胀
井眼周围岩石所受载荷不平衡引起
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
则井壁稳定性系数：
[ 1 ] K [ c ]
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
由井壁3个主应力分量的有效应力表达式，可以得到以下3种可能的关系：
（I） 3 e < 1e < 2 e （II) 1e < 3 e < 2 e
（III) 3 e < 2 e < 1e
二、井壁失稳的表现形式
形成井眼垮塌
min
形成张性裂缝
max

pw
max
min
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
三、影响井壁稳定的基本因素
影响井壁稳定的因素客观因素岩石强度地层岩性组成岩石地质环境岩石结构特征地应力地质构造特征工艺措施主观因素钻井液钻井液密度
2 x y x rw ( )(1 2 ) ( 2 r 4 3rw - xy (1 4 ) Sin 2 Pwf r
y)Cos 2 r
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
三、井周应力分布
y H 1 Sin 2 H 2 Cos 2
zz Sin 2 ( H 1C os 2 H 2 Sin 2 ) v C os 2

井壁稳定性预测方法及应用之研究

1 评价方法在实践中对井壁稳定的影响因素相对较多，单纯的依靠室内的实验以及经验知觉推理的方式是无法获得精准的信息的，对此必须要对钻井区域进行系统的分析，了解对井壁失稳影响的各种因素问题，综合钻井过程中出现的各种问题与现场的实际资料信息，基于地区的实验测定数据为主要的信息基础，通过模糊综合的评判方式，对此钻井井壁的稳定性进行系统的、综合的分析，这样才可以避免通过经验判别的方式对其进行分析的弊端与不足，可以在根本上提升整个井壁的稳定性评价的科学性以及精准性。

2 模糊综合评价方式存在问题及解决方法模糊综合评价法是在上个世纪产生的一红可以处理经典数学中无法解决的迷糊问题，在不同的领域中均有较为广泛的应用，但是其还是存在一定的不足，在计算过程中人为因素会对直接对权重产生不良的影响，对此在实践中必须要对其进行系统的分析。

（1）权重。

在模糊综合分析方式中，所谓的权重就是根据工作人员自身经验累计已确定的一种对环境中各种因素进行评价的方式与手段，在一些问题相对较为复杂、实际影响因素种类相对较为繁多的时候，会导致权重出现分配不科学以及不合理的问题，这种状况直接影响了整体的评价结果与精准性，因此在实践中必须对权重的进行科学合理的确定、精准的判断，利用约束规划相关模型利用拉格朗日函数推导全新的权重方式。

在实践中，如果矩阵A判断为具有完全一致性，通过对其整体一致性的矩阵判断性质可以以了解：第一，在矩阵A中的任一指定行与不同行之间的对应元素中的比值为常数；第二，在任意指定的i行以及第j列中可以得到a ik/ a jk=a ij；第三，基于一致性，的判断矩阵中，又获得a ij=ωi/ωj。

因此，在判断矩阵A=（a ij n）Xn，的满足一致性的时候，则：ωi=a ijωj，其中i就是判断矩阵A中的第i行中第j 列的元素；ωi以及ωj则分别表示权重向量ω中i以及j个分量。

可以说，客观的事物自身的复杂性，直接的告知了在构建完全一致性的互反判断矩阵的的困难程度，但是如果要构建判断矩阵最接近完善一致性的互反判断矩阵，则就要认为此判断矩阵的一致性较为良好，而后在引入εij，同时εij=ωi-a ijωj，这样就会构建一个最优化的约束条件。

弱面地层斜井井壁稳定性分析

4 地层弱面对斜井稳定性的影响
file:///F|/qikan_htm抽取_2000before/kjqk(200810)/sydxxb/sydx99/sydx9904/990409.htm（第 5／7 页）2010-1-1 7:18:56
石油大学学报
维持井壁稳定所需的钻井液密度安全下限值越小，井壁稳定性越好，低密度钻井的安全性就越高。假设倾角地层弱面内摩擦角为20°，弱面粘聚力为5 MPa，本体内摩擦角为35°，粘聚力为15MPa，泊松比为0.25，孔隙压力为18MPa，地应力状态为 σH=48MPa，σv=40MPa，σh=35MPa,引进井斜角和井斜方位（实际井斜方位与最大地
g0903.gif (4244 bytes)
其中
(4)
A=cosα{cosα(1-2cos2θ)sin2β+ 2sin2βsin2θ}+(1+2cos2θ)cos2β，
B=cosα{cosα(1-2cos2θ)cos2β2sin2βsin2θ}+(1+2cos2θ)sin2β，
C=(1-2cos2θ)sin2α,
g0904.gif (951 bytes)
式中，pp为孔隙压力；pm为井内钻井液柱压力；δ为系数，当井壁不可渗透时δ为0，
井壁渗透时δ为1；φ为孔隙度；ζ为有效应力系数；ν为泊松比。假设井壁泥饼完好，则不考虑钻井液滤液的渗流效应，此时与斜井对应的柱坐标系中井壁上的最小、最大有效主应力可表示为
The stress distribution on the wall of directional well is analysed, and a borehole stability model for the formation with dip angle in directional well is established. The influences of dip angle and trend on borehole stability are discussed. The wells through weak-face formation in directional well are apt to be unstable. The stability of directional well depends on the formation dip and trend, deviation and direction. In some weak-face formations, vertical wells are much difficult to be drilled through, but directional wells can be drilled successfully because the stability of directional well is much better. Key words: drilling; borehole stability; directional wells; weakly consolidated formation; drilling fluid

泥岩地层井壁稳定性研究

UΗ 1- 2Λ 5E 1- 2Λ 5 1 + + 2 ( 1- Λ) rE 5r 2 ( 1- Λ) r 5r 2 ( 1- Λ) r
52U Η + 5r2 × 5 2U r + 5r5Η
( 1- 2Λ) 5E 5 Ur 3- 4Λ + = 0 2 ( 1- Λ) rE 5r 2 ( 1- Λ) r2 5Η
5 Ur 5r 5Η
r
( 3) ( 4) ( 5)
UΗ Ur 1 5 +
z= Ε
5 Uz 5z
3 刘向君, 1969 年生; 1995 年毕业于西南石油学院石油工程系, 获工学博士学位; 现在西南石油学院完井中心工作。地址:
( 637001) 四川省南充市。电话: ( 0817) 2224433 转 2910。
( 1) ( 2)
可见, 在柱坐标系下, 从静力学出发建立的平衡方程与无水化过程时的平衡方程形式完全相同。但这里的径向应力 ( Ρr ) 、周向应力 ( ΡΗ) 、剪切应力 ( ΣrΗ) 包括钻开地层由于载荷不平衡引起的应力和水化膨胀应力两部分。几何方程为: Ε r=
= Ε Η
r
及 P ierre 页岩岩心, 对泥页岩在不同水活度溶液中的膨胀动力学过程进行了全面深入的研究, 实验证明: 材料的膨胀百分比与材料所吸收的水分重量百分比成正比; 实验也证明, 页岩水化可以用扩散吸附过程加以描述。Yew C H 等首先利用泥页岩地层的这一实验结果, 提出了一种计算井眼周围水化应力分布的模型。本文将以均匀各向同性的线—弹性力学井壁稳定性模型为基础和出发点, 引用 Yew C H
( 7) w = f ( ∃w ) = k 1 ・∃w + k 2 ∃w Ε 其中, ∃w ( r , t ) 是指径向剖面上随时间而变化的吸附水增量。已知任意时刻地层含水量的分布 w ( r ,

鹤岗煤田煤层气井井壁稳定性研究

鹤岗煤田煤层气井井壁稳定性研究摘要：煤层气井近井壁的裂纹受到地应力和裂纹应力的双重影响，极易扩展失稳造成井壁坍塌。

文章利用断裂力学方法，考虑煤层气井井壁的特殊失稳机理，分析了裂纹的类型和尖端应力场等因素，求解直井近井壁张开型裂纹的应力强度因子，建立了煤层气井井壁稳定评价模型。

应用该模型结合鹤煤1井的实际情况确定了该井煤层段的合理的钻井液密度窗口。

关键词：煤层气井；应力强度因子；井壁稳定；近井壁裂纹；尖端应力场中图分类号：td823 文献标识码：a 文章编号：1009-2374（2012）01-0140-03煤岩的机械强度低，存在着互相垂直的天然裂纹，均质性差，导致煤层段井壁极不稳定，在钻井过程中极易发生井壁坍塌、井漏、卡钻等井下事故。

由于煤层的井壁失稳机理异常复杂，导致常规的井壁稳定理论无法适用于煤层气井的井壁稳定机理。

目前对煤层气井井壁失稳的研究还无法满足现场应用的需要，无法正确评估煤层气井井壁稳定。

本文利用断裂力学的方法，考虑煤层气井井壁的特殊失稳机理，分析了裂纹的类型和尖端应力场，求解直井近井壁张开型裂纹的应力强度因子，建立了煤层气井井壁稳定评价模型。

一、煤层气井失稳机理目前对井壁稳定的研究主要从岩石力学角度进行开展。

然而对于煤层，岩石力学方法不再适用，主要体现在：（1）通过常规方法无法确定煤岩的内聚强度，由于煤岩存在天然裂缝，导致煤岩的强度存在尺寸效应；（2）煤岩受到很低的载荷时，裂纹尖端出现应力集中，裂缝扩展也会导致煤层失稳；针对煤层的特点，本文利用断裂力学的方法来分析煤层的失稳问题。

依据断裂力学分析，岩石作为一种典型含有缺陷的脆性材料，其破坏过程实质就是微裂缝产生、扩展及贯通的过程。

当钻遇煤层时，一方面围岩的地应力将重新分布，使得近井壁应力集中；另一方面弥散分布的微裂纹表面受到的应力也将重新分布，裂纹尖端将出现应力集中。

当井壁应力超过围岩的强度时，井壁围岩破坏，进而使得井壁失稳；当裂纹尖端应力超过岩石的断裂韧度时，裂纹会扩展失稳，达到一定条件时造成井壁失稳坍塌。

井壁稳定性调研ppt课件

15
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
煤层气井壁稳定性—极限平衡法
近井壁围岩应力分析
井壁围岩为连续体
割理引起的诱导应力分析考虑多条割理分布的煤层应力场分析
16
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
参考文献
发展历史
目录
研究现状
存在问题
实例分析
2
PART 1
参考文献展示
参考文献
3
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
4
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
研究目的
阐明煤层中端割理和面割理等不连续面对井壁稳定的影响
建模假设
煤岩块体用可变形块体来模拟本构方程选用摩尔-库伦模型。面割理和端割理的本构模型选用摩尔-库伦节理模型
18
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
井周应力场分析
井周热应力表达式：
井周渗力场变化表达式：
27
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering

井壁稳定性问题的研究与进展

井壁稳定性问题的研究与进展作者：姜春丽来源：《科学与财富》2016年第07期摘要：本文从三个方面分别阐述了国内外关于井壁稳定的研究与进展。

从二十世纪中叶开始关于井壁稳定机理的研究经历了试验摸索到定量描述的阶段。

与此同时井壁模拟实验装置也在各种研究的需求下诞生并一路发展。

先进的钻井液技术，新型处理剂钻井液体系的应用也大大提高了井壁稳定性能，减少了井下复杂情况的发生。

关键词：井壁稳定；泥页岩；钻井液石油钻井过程中所遇到的井壁失稳大致可分为破碎体失稳、塑性体失稳和泥页岩失稳，其中泥页岩失稳就占90%以上[1-2]。

在油气勘探开发前，地层泥页岩处于力学、物理、化学、流体力学的各种平衡状态，在油气勘探开发过程中，原有物理化学条件发生改变，各种平衡状态被破坏，系统逐渐向另一种平衡状态过渡，加之泥页岩本身的脆弱及其极强的物理化学敏感性，因而经常给油气勘探开发带来各种问题。

一、井壁稳定性机理研究进展井壁稳定性问题的研究，早在二十世纪中叶就己经开始[3]。

从研究思路来说，可以归结到以下三大类：井壁稳定的力学研究；泥页岩稳定的化学因素研究；泥页岩稳定的力学与化学耦合研究。

从国内外在这方面研究的发展过程来看，可以将泥页岩水化力学与化学耦合研究分为两个阶段：七十年代初到九十年代初的实验摸索阶段；九十年代以后的对化学影响定量描述的阶段。

1970年，M.E.chenevert[4]开始研究页岩吸水以后力学性质的变化；通过实验观察了页岩密度、屈服强度、吸水膨胀与吸水量之间的关系，并测量了页岩吸附水量与时间和距离的关系。

1989年，C.H.Yew和M.EChenevert在定量化研究中迈出了第一步[5]。

他们首先假设泥页岩为渗透各向同性的基础上，再结合质量守恒方程，得到柱坐标内的吸水量方程。

再将泥页岩的力学性质与其总含水量（总吸附水量）相关联，然后又将水化膨胀应变与总含水量W相关联，便可求得力学与化学耦合后的应力、应变及位移。

6-、井壁稳定性解析

[1] ( Max
Pp ) ( Min
Pp
)1 1
Sin Sin
[c ]
2cCos 1 Sin
则井壁稳定性系数：
K
[ 1] [ c ]
[c]为岩石允许承载的能力，[1]为岩石实际承受载荷。当K>1时，井眼发生塑性变形；
当K＝1时，岩石处于极限平衡态;
当K1时，井壁稳定。
井壁稳定性判别模型
P
( H
h ) (1
2
R 2 ) ( H
r2
h ) (1 3R4 ) cos2
2
r4
[
(1
2
)
2(1 )
(1
R2 r2
)
](P
Pp
)
h min
A
A
h max
井壁稳定性判别模型 Mohr-coulomb准则--剪切破坏判别准则
Shear Stress Shear Stress
q´
井壁失稳的表现形式
井壁不稳定
漏失
缩径、扩径
张性破裂
剪切破坏盐岩蠕变泥岩水化膨胀
•井眼周围岩石所受载荷不平衡引起
井壁稳定性原理
原地应力状态力学本构方程
井眼周围地层的受力状态
强度判
井
别准则
壁
井眼周围地层能够承受的力
稳定
岩石的强度
井眼周围地层应力状态
意义？
井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗口的确定基础
井壁失稳常见力学模式
(a) z r
(b) z r
(c) z r
(d) r z
(e) r 且 t
(f) r 且 r t

泥页岩井壁稳定性理论研究

出现一个塑性屈服带，使临界破坏点发生在岩石内部而不是在井壁上。因而，又提出了弹塑性分析模型。用柱面坐标中的应力函数来解决弹塑性问题，对于弹性区，利用Ｈｏｏｋ定律，而对塑性区，则采用Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则，在这种屈服条件下，Ｍｏｌａｒ圆的屈服包络线是一条直线。由于此模型方法简单，因而经常应用。总的来说，一方面随着物体结构破坏而产生破裂，胶结逐渐消失；另一方面，随着塑性应变的增加，内摩擦角增大，导致物质变硬，最终达到一定的内摩擦角。
中图分类号：ＴＥ２１文献标识码：Ａ文章编号：１００９ — ９１４Ｘ（２０１３）０８ — ２３２ — ０１
井眼不稳定给钻井工程造成的困难是巨大的，主要表现为缩径、坍塌卡钻、井眼扩大、电测遇阻、固井质量低下等。井眼不稳定多数发生在泥页岩井段。钻井地层大约７５％以上是由泥页岩构成，约有９０％的井眼垮塌问题都与泥页岩不稳定性有关。因此，开展泥页岩的稳定性研究对更好地解决井眼不稳定问题尤为重要。这些工程问题和研究主要包括页岩的综合性质如：与环境有关的强度和变形特性、孔隙度、含水量、粘土含量、组成、压实速率等。钻井液的综合性质如化学组成、泥浆连续相的集度、内部相的组成和类型（如果存在的话）、与连续相相关的添加剂类型、系统的维护等也是非常重要的工程因素。研究表明，井眼内钻井液对泥页岩的化学作用，最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变，人们逐渐将力学与化学两个方面结合起来研究。目前，泥页岩井壁失稳的力学与化学耦合研究仍是井壁稳定性研究中较为关注的研究方向。

水平气井井壁稳定性研究

学模型，建立了水平井筒井壁应力计算模型，并应用 Mohr-Coulomb 破坏准则和 Drucker-Prager 破坏准则，建立了水平井筒井壁坍塌压力计算公式。
1 模型建立 The establishment of mechanica破，使井
第 32 卷第 4 期 2010 年 7 月
石油钻采工艺 OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
Vol. 32 No. 4 July 2010
1000 – 7393 文章编号：（ 2010 ）04 – 0096 – 03
沁水盆地煤层气井坍塌压力预测
张公社 1 李永康 1 尹俊禄 1 唐文英 2 崔金榜 3 程浩 3
（1. 长江大学，湖北荆州 434023； 2. 华北油田公司地球物理勘探研究院，河北任丘 062552； 3. 华北油田公司采油工艺研究院，河北任丘 062552）
摘要：针对煤层气井井壁稳定问题，应用力学分析方法从井壁应力分布入手，根据斜井井壁稳定力学模型，分别结合 MohrCoulomb 准则和 Drucker-Prager 准则，建立水平井筒井壁坍塌压力计算公式。应用所建立的公式对沁水 3# 煤层羽状水平井坍塌压力进行了预测。计算结果表明，井眼沿最大水平主应力方向时，坍塌压力为负值，这种情况下煤层气井不会坍塌，井眼稳定；当井眼沿最小主应力方向时，坍塌压力高于或者略低于地层压力，说明煤层羽状井眼不稳定，会产生煤粉；当井眼介于最大和最小水平主应力之间时，其坍塌压力在所计算的两个压力之间。关键词：煤层气井；应力；井壁稳定；坍塌压力；沁水煤层气田中图分类号：TE37 文献标识码：A
式中，（ ° ）； MPa。为内摩擦角， c 为抗压强度，［7 ］根据 Drucker-Prager 破坏准则可得井壁坍塌时临界压差 Dp 为 -B + B 2 - 4 AC （6） 2A A=18， B=18 ［Sxx+Syy − 2 （Sxx − Syy）cos2θ − 2pp］， Dp = C =3 ［ S xx+ S yy − 2 （S xx − S yy） cos2 θ − 2 p p］ 2+ 3 ［ S yy − 2cos2θ（Sxx − Syy）（1 − ν） − pp］2+3 ［Sxx − 2νcos2θ（Sxx

钻井过程中井壁稳定分析与对策

钻井过程中井壁稳定分析与对策钻井过程中井壁稳定分析与对策当前，我国油田开发力度加大，逐步向深层、深海区块延伸，水平井、大位移井等特殊井身结构钻井应用增多，井壁坍塌等井下事故也相应增加，极易在钻井中出现井壁缩径、坍塌、地层压裂等情况，坍塌机理比较复杂，很难预防，影响钻井井下安全和钻井持续性。

因此，有必要对井壁稳定性进行分析，有针对性的提出提升井壁稳定性的对策措施。

1 钻井过程中井壁稳定性1.1钻井井壁稳定性较差和坍塌地层特征在钻井中，钻遇泥页岩、砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等都可能发生井壁坍塌，但90%以上的坍塌发生在泥页岩地层，缩径一般在盐膏层、浅层泥岩和渗透性较高的砂岩发生。

坍塌可能在各种岩性和粘土矿物含量地层中发生，但坍塌严重地层大多具有以下特征：发育有层理清晰的裂缝或破碎性较强的岩性地层；泥页岩特别是孔隙压力异常地层；地应力较强、倾角大易发生井斜地层；厚度较大泥页岩地层；高含水砂岩、泥岩地层等。

1.2井壁稳定性影响因素井壁稳定性较差原因是钻井液和钻具在地层中作用，压力超过井壁岩层承受强度，以及钻井液与井壁地层岩石矿物发生物理化学作用，加大坍塌压力、降低破裂压力等引起井壁失稳。

一是力学因素。

地层钻开前岩层受上覆压力、水平地应力和孔隙压力作用，压力均衡，钻开后钻井液对井壁压力替代了钻开岩层对井壁岩层的支撑，破坏了压力平衡状态，使周围地应力需要重新分布，在地应力超过井壁周围岩层承受强度后会发生剪切破坏，脆性地层会发生井壁坍塌，塑性地层会发生塑性变形（缩径）。

钻井中井壁被剪切破坏临界井眼压力称为坍塌压力，该状态下钻井液密度为坍塌压力当量钻井液密度。

地应力因素上，井壁坍塌以最小地应力为方向，坍塌压力随地应力及地应力非均匀系数增大而增大。

地层强度因素，地层坍塌压力与井壁周边地层的强度系数和内摩擦角呈反比。

孔隙压力因素，地层坍塌和破裂压力与孔隙压力呈正比，但破裂压力增速比坍塌压力小，随着孔隙压力加大，钻井液密度安全范围逐步变小。

科学深井井壁稳定性机理分析及方法研究

数值分析法主要包括了两场及多场岩体温度地应力钻井液耦合作用下井壁稳定性模拟研究针对深部高温高压环境基于弹性或弹塑性力学模型选取合适的强度准则建立多场耦合作用下深井井壁稳定性计算模型运用数值软件 ,O,PQ3 >R>或 SP,@&A对不同场作用下井壁坍塌压力和破裂压力模拟分析初步得出不同钻进条件下井壁失稳特征
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式中( 为径向应力为切向应力(为剪切应力
(为井壁某点距井眼轴线的距离为某点与井眼轴
线的连线与最大水平地应力方向夹角*( 为径来自体积力* 为切向体积力
$!深井井壁失稳本质深井井壁失稳的本质是深部岩石地层原有应力
岩石的热力学效应十分明显其组成矿物内部结构等均因温度升高而发生变化产生附加应力出现裂隙等热应力是由于矿物之间热膨胀的各向异性和膨胀系数不同而形成的差异性相互作用根据岩石细观力学理论分析可知当岩石产生的热应力大于其强度极限时则会萌生新裂纹扩展微裂纹随着温度不断升高则会使裂纹扩展贯通直至破裂 #'!!钻井液
钻井轨迹设计钻具组合和钻井参数等均会对井壁稳定产生影响在深部钻井中需要更换钻头或下套管时会进行起钻和下钻工作在起下钻的瞬间井内压力也会出现瞬间降低和升高从而形成抽吸压力和激动压力抽吸或激动压力会改变井壁原有应力平衡可能导致井壁劈裂或垮塌钻井倾斜角方位角及轨迹设计均影响井壁稳定性通常井斜角越大钻孔就越不稳定还有钻进方法和钻头类型对井壁稳定也有一定影响深部钻井是人类主动行为主观采用钻探技术手段打破原有地应力平衡的过程因此井壁稳定性影响因素又可以简分为客观因素主观因素和附加因素充分体现了分类的科学性与人类的技术作用如下表#所示

6 、井壁稳定性解析

P破＞ P泥＞ P地
(P地＞ P坍)
P破＞ P泥＞ P坍
ΔP—安全压力窗口
(P坍＞ P地 )
钻井合理泥浆密度的确定
ΔP愈大,则钻井愈易
ΔP愈小,则钻井愈难
钻井合理泥浆密度的确定
若ΔP =P破- P地（ P地＞ P坍）则较易若ΔP =P破- P坍（ P坍＞ P地）则较难
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失井出现剪切口裂缝
停泵
裂缝重张
压力
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力
裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水平主地应力。瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于PFcp，两者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等
70 60 50 40 30 20 10 0 90 180 270 360
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 90 180 270 360
井周地层应力状态
( H h ) ( H h ) R2 R2 3R 4 2 P (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r r (1 2 ) R2 [ (1 2 ) ](P Pp ) 2(1 ) r
2cCos [ c ] 1 Sin 则井壁稳定性系数：

井壁稳定研究

1、地层孔隙压力计算根据处理得到地层声波时差资料，采用Eaton 法进行地层压力计算。

Eaton 法地层压力计算模型如下：()()np op op w n G G G t t ρ=--∆∆式中，p G —井深H 处的地层孔隙压力，g/cm 3； o p G —井深H 处的上覆岩层压力梯度，g/cm 3；w ρ—井深H 处的地层水密度，g/cm 3；n t ∆—井深H 处的正常压实时的声波时差值，/s ft μ；t∆—井深H 处的实测声波时差值，/s ft μ；n —Eaton 指数。

经试算分析得到了适用于泌阳区块的Eaton 指数n ＝0.2，取地层水密度wρ＝0.991 g/cm 3。

安3006井地层孔隙压力图2、地层分层地应力计算模型地应力是影响地层破裂压力的一个重要因素，它是一个客观存在的岩石内应力，它来源于上覆地层的自重和地质构造力。

对于不同井深及不同力学性质的地层，地应力的值是不同的。

采用下列地应力计算模型：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=P P P P p v h p p v H αασωμμσαασωμμσ)(1)(121 式中：ωω12,—构造应力系数；v h H σσσ,,——水平最大、最小地应力和上覆压力； p P ——孔隙压力；μ——地层泊松比；α——有效应力系数。

泌阳凹陷的地层构造应力系数w 1＝0.64，w 2＝0.34。

（按照压裂数据估算）3、用库仑——摩尔强度准则计算坍塌压力式（4-13）中的r ''σσθ和分别为井壁坍塌处的最大和最小有效主应力，将它们代入库仑—摩尔强度条件（4-8）式，便可求得保持井壁稳定所需的钻井液密度计算公式为：2122(3)2(1)100()h h p m C K ap K K Hησσρη--+-=⨯+)245cot(Φ-︒=K式中，H ——井深，m ； m ρ——钻井液密度，g/cm 34、地层破裂压力的确定方法破裂压力是井眼裸露地层在井内泥浆柱压力作用下使其起裂或原有裂缝重新开启的压力，它是由于井内泥浆密度过大使井壁岩石所受的周向应力超过岩石的抗拉强度造成的。

气井井壁稳定性科技论文

3、生产气井算例分析
基于川孝565井的储层物性参数、岩石力学参数，计算井壁坍塌压力。
开采初期：
临界井底流压为10.24MPa，临界生产压差为72.88MPa；
开采后期：当储层压力衰竭50MPa，
临界井底流压为4.44MPa，临界生产压差为28.68MPa。
中国石化股份公司西南油气分公司工程技术研究院 Engineering Technology Institute of Southwest Petroleum and Gas Branch，SINOPEC
2、生产气井井壁稳定的有限元模型
地应力平衡：使数值模型获得一个存在初始应力，而无初始应变的状态。气井定压开采的数值模拟。时间段长：time period=1s 初始时间增量：time increment=0.001s 最小时间增量：min time increment=0.001s 最大时间增量：max time increment=1s 时间段长：time period=6.3E+07s（两年）初始时间增量：time increment=1s 最小时间增量：min time increment=0.001s 最大时间增量：max time increment=6.3E+07s
90
80
70
60
50
40
30
孔隙度
地层压力(MPa)
孔弹性系数
孔弹性系数对井壁稳定的影响
150.79205 71.0676 20.18117 18.36054
孔隙度对井壁稳定的影响
59.0433 1619.638 10.72022 19.48554
地层压力衰减对井壁稳定的影响
开采不同阶段，孔隙压力发生改变

泥岩稳定机理研究

• 泥页岩水化具有依时性依时性。依时性
• 两种水化膨胀机理水化膨胀机理：表面（晶格）水化膨胀；离子浓度差引起水化膨胀机理的化学渗透水化膨胀。评价水化膨胀方法：膨胀率膨胀压膨胀率和膨胀压 • 两种评价水化膨胀评价水化膨胀膨胀率膨胀压测试法。 • 膨胀压形成机制和大小与粘土颗粒间距密切相关膨胀压形成机制和大小与粘土颗粒间距密切相关：颗粒间距密切相关 • • 短程水化膨胀压短程水化膨胀压：取决于表面水化斥力，可高达几千个大气压，往往足以克服粒间吸力。长程水化膨胀压：主要取决于双电层斥力（即渗透水长程水化膨胀压化应力），一般不超过几十个大气压。
当λ＝1时，即为理想半透膜情况。即为理想半透膜情况。即不存在选择性膜，溶剂（和溶质（当λ＝0 时，即不存在选择性膜，溶剂（水）和溶质（离子）同步流动传递。同步流动传递。非理想半透膜特性，越小， (当0＜λ＜1时，非理想半透膜特性，λ越小，表明溶质越易通过膜，此时具有“漏膜”特性) 越易通过膜，此时具有“漏膜”特性)
孔隙压力传递规律与控制
• 井壁泥页岩／水基钻井液间传递作用：井壁泥页岩／水基钻井液间传递作用： • 孔隙压力传递、水传递和溶质（离子）传递的速率不同。
• 孔隙压力传递较溶质（离子）扩散快10至20倍，离子扩散又比滤液（水）传递快10－20倍。孔隙压力传递作用最快。
图 2-5
水基钻井液作用下井眼周围泥页岩中三种传递速率示意图
泥页岩井壁失稳的宏观和微观基本理论
图 2－1 井壁泥页岩颗粒间作用力概念模型简化示意图
泥页岩颗粒间两大类作用力：机械力和物理化学力。泥页岩颗粒间两大类作用力机械力：机械力垂直和水平原地应力孔隙压力原地应力、孔隙压力胶结力等。原地应力孔隙压力以及胶结力胶结力