08井壁稳定性1

C tan
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8.2直井的井壁稳定分析
井壁坍塌处的应力 根据分析可知，井壁坍塌失稳是发生在θ =90度和270度处， 此时井壁坍塌处的有效应力公式为
pi p p
' r
[3 h1 h 2 pi ] p p
'
r 0
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8.2直井的井壁稳定分析
图8-1 井壁围岩的应力分析
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8.2直井的井壁稳定分析 依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼 受力进行分解
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8.2直井的井壁稳定分析
由钻井液柱压力P引起的应力
R r 2 P r R2 2 P r
2
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8.2直井的井壁稳定分析 钻井液渗流效应
(1 2 ) ( r 2 R 2 ) r [ ]( P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) ( r 2 R 2 ) r [ ]( P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) z [ ]( P Pp ) 2(1 )
2
1 2 ( f )( pi p p ) 1
综合考虑地应力及渗透压力作用时，有效周向应力为：
' 1 2 p p
3 h 2
'
1 2 h1 pi ( f )( pi p p ) p p 1
建立转换关系 1)、先将坐标1、2、3以3为轴，按右手定则旋转Ω角， 转变为x1、y1、z1坐标；
2)、再将坐标x1、y1、 z1以y1为轴，按右手定则 旋转Ψ角，变为x、y、z 坐标。
Ω
φ
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8.3 斜井的井壁稳定分析
变换后的坐标关系
x cos cos cos sin sin 1 y sin cos 0 2 z sin cos sin sin cos 3
S t
'
当这种拉伸力大到足以克服岩石的抗拉强度时，地层即 产生破裂造成井漏，位置在： θ=0或180度处 应力为：
1 3 h 2 h1 pi
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8.2直井的井壁稳定分析
由于破裂主要发生在砂岩层，且井内压力远大于孔隙压 力，因此井壁的周向应力要较大地受到钻井液向地层渗透产 生压力的影响，钻井液向地层渗透产生的渗透压力可用下式 计算：
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8.2直井的井壁稳定分析
h1 h 2 ri 2 h1 h 2 ri 2 ri 4 ri 2 r' (1 2 ) (1 4 2 3 4 ) cos 2 2 pi 2 2 r r r r
ri 2 p (r ) [ (1 2 ) f ]( pi p p ) 2 r
破裂压力（g/cm 3 ）
2.1
1.25
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8.2直井的井壁稳定分析
破裂准则：
S t
'
pf
3 h 2
2 3 h1 ( ) p p St 1 1 2 1 f 1
若不考虑地层的渗透作用(对低渗透泥页岩地层)，则 地层破裂压力的计算公式为：
p f 3 h 2 h1 p p S t

'
h1 h 2
2 ri 2 [ (1 2 ) f ]( pi p p ) 2 r
ri 2 h1 h 2 ri 4 ri 2 (1 2 ) (1 3 4 ) cos 2 2 pi p (r ) 2 r r r
r
h1 h 2
2
ri 4 ri 2 (1 3 4 2 2 ) sin 2 r r
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8.2直井的井壁稳定分析 井壁应力状态：
条件： r = ri
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8.2直井的井壁稳定分析
直井的坍塌压力计算
从力学角度来说，造成井壁坍塌的原因主要是由于井 内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本 身的强度而产生剪切破坏造成的。 破坏准则：摩尔-库仑
支不低于60亿美元。
保持井壁稳定一直钻井技术中一个十分重要的课题，在我国 表现十分普遍，对油田开发生产带来了很大影响。
1
8.1井壁失稳的原因及危害
新疆、塔里木、吐哈油田：破碎带易发生坍塌卡钻事故、凝灰岩微细 川东北：嘉陵江组普遍存在高压地层，飞仙关组气层多为高含 渤海海域：明化镇组泥岩地层坍塌，井下阻卡严重； 南海西部海域：涠二段层理性泥页岩层理发育，定向钻井坍塌严重； 中原油田、垦利11-2构造：塑性地层缩径，卡钻、套损严重； 裂缝发育，易塌易漏；水平井造斜段煤层垮塌、泥岩遇阻。 硫气层；钻井施工过程中易发生斜、漏、塌、卡等复杂情况；
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8.3 斜井的井壁稳定分析
岩石剪切破坏和拉伸破裂准则 剪切破坏判据
时： min p p T 当井壁为可渗透时： min pi T
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8.3 斜井的井壁稳定分析
坍塌压力的确定 σ 1，σ 2，σ 3存在三种关系：
推 导
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8.3 斜井的井壁稳定分析
变换后，地应力的六个分量为：
xx yy zz xy xz yz cos2 ( H1 cos2 H 2 sin 2 ) v sin 2 sin 2 ( H1 cos2 H 2 sin 2 ) v cos2 cos sin ( H1 cos2 H 2 sin 2 v ) sin cos sin ( H1 H 2 ) cos cos sin ( H1 H 2 ) H1 sin 2 H 2 cos2
井壁不稳定的原因
力学因素 物理化学因素 水力因素
实质：井眼围岩的应力状态与岩石破坏准则的关系，即 力学的不平衡问题
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8.1井壁失稳的原因及危害
影响井眼围岩应力状态和破坏准则的因素很多，使问题变 得非常复杂。概括起来影响因素可分为四大类：
(1)地质力学因素 原地应力状态、地层孔隙压力、原地温度、地质构造特征等。 这些因素是不可改变的，我们只能准确地认识确定它们。 (2)岩石的综合性质因素 岩石的强度和变形特征、孔隙度、含水量、粘土含量、组成 和压实情况等。 (3)钻井液因素 钻井液的综合性质、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)、压力激动和抽吸等。
r 0
(3 h1 h 2 ( f ) p p ] K 2 p p f 2CK 100 m 2 H (1 f ) K [ f 1 ]
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8.2直井的井壁稳定分析
直井的破裂压力计算
从力学上说，地层破裂是由于井内钻井液密度过大使井壁 岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度而造成的，即
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8.1井壁失稳的原因及危害
井壁不稳定的危害
严重影响地质资料的录取、降低钻井速度、影响钻井 质量、提高成本；
新探区会因井壁失稳而无法钻达目的层、延误勘探与
开发的速度、影响其经济效益。
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8.1井壁失稳的原因及危害
研 究 方 法 泥浆化学 ＋ 主要研究泥页岩水化膨胀的机理，寻找抑制泥页岩 水化膨胀的化学添加剂和泥浆体系，最大限度地减 少钻井液对地层的负面影响。
2
2
2
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8.3 斜井的井壁稳定分析
计算过程：
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8.3 斜井的井壁稳定分析
破裂压力的确定
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8.3 斜井的井壁稳定分析
实例：
1.4 sita＝0 sita=15 sita=30 sita=45 sita=60 sita=75 sita=90
2.5
1.35
坍塌压力（g/cm 3 ）
2.3
1.3
2 z 1 1 arctan 2 z 2 z 1 2 arctan 2 2 z
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8.3 斜井的井壁稳定分析
即可求得三个主应力
1, 2
z
2

z 2 z 2
2
r pi f ( pi p p )
新疆油田、塔 里木油田的侏 罗系、三叠系 、二叠系、石 炭系。
松辽盆地的 嫩江组、青 山口组、泉 头组。 渤海湾的馆 陶组、明化 镇组、沙河 街组等。 江苏油田的 阜宁组。 中原油田 盐层缩径 南海地区 乐东组、珠 海组、莺歌 海组
川东地区的 碳酸岩地层
2
8.1井壁失稳的原因及危害
井壁不稳定问题，一般发生在页岩、盐岩、非胶结或 胶结差的砂岩及其它破碎性的岩石(如玄武岩、辉绿岩、灰 岩)等地层．但最常见、占比例最大、影响最严重的是页岩 地层。
确定井壁上开始破坏的位置 根据应力分析，与z轴成γ 角斜平面上的正应力和剪应力 与各应力分量间的关系为：
cos 2 z cos sin z sin
2 2
1 ( z ) sin 2 z cos 2 2
为了求主应力只需令
d 0 d
岩石力学
岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、岩石 力学性质的测定、井眼围岩应力分析和稳定性分析， 最终确定保持井眼稳定的合理泥浆密度。
力学与化学耦合分析
通过泥浆对井壁作用的 化学力与井壁应力作为 一个整体来研究。 井壁稳定力学分析流程
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8.2直井的井壁稳定分析
井壁围岩应力分析
r

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8.2直井的井壁稳定分析
地层坍塌压力计算模型