深水高温高压井测试期间井壁稳定性分析方法研究
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。
深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用
深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用蔚宝华;闫传梁;邓金根;刘书杰;谭强;肖坤【摘要】The deep water formation has low overburden pressure, low fracture pressure and narrow safety window of mud density. So the risk of wellbore instability is very high in this kind of formation. It is significantly important to accurately evaluate the safety window of mud density. The difficulties of wellbore stability analysis in deep water are how to accurately predicate the overburden pressure and establish the calculation model of caving and fracture pressure in the shallow part of the deep water formation. The published foreign models, for calculating the overburden pressure in the shallow part of the deep water formation, have precision problems in density evaluation. In this paper, we begin from the properties of deepwater formation, and suggest that different models should be used according to the different diagenetic stages in the shallow and deep part of the deep water formation.The wellbore stability is researched for shallow and deep parts separately, and different models are obtained. The model is used to evaluate the safety window of mud density in a deep water gas field in South China Sea. The result is coincide with the really drilling condition, which indicates the model is accurate and reliable and can supply useful information for mud density design in deep water drilling.%深水地层上覆岩层压力低,井眼破裂压力低,安全钻井液密度窗口窄,易发生井壁失稳,因此,准确评估安全钻井液密度窗口对深水钻井十分必要.深水地层井壁稳定性研究难点在于准确评估上覆岩层压力与建立浅层井眼坍塌压力和破裂压力计算模型,针对国外现有模型中对深水地层密度评估存在偏差的问题,从深水地层特性出发,认为深水浅层和深层处于不同的成岩阶段,应采用不同的模型进行密度评估；针对深、浅层井周应力状态的差异,分别对深水浅层和深水深层的井壁稳定性进行研究,得出了安全钻井液密度窗口计算的分段模型.利用该模型对南海某深水气田的安全钻井液密度窗口进行了评估,评估结果与实钻情况吻合,表明该模型准确、可靠,为深水钻井液密度设计提供了重要依据.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2011(033)006【总页数】4页(P1-4)【关键词】深水;井壁稳定;上覆岩层压力;破裂压力;坍塌压力【作者】蔚宝华;闫传梁;邓金根;刘书杰;谭强;肖坤【作者单位】中国石油大学,北京102249;中国石油大学,北京102249;中国石油大学,北京102249;中海石油研究总院,北京100027;中国石油大学,北京102249;中国石油大学,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE21目前，世界上把水深大于500 m的海洋钻井称为深水钻井［1］。
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。
高温深井钻井液体系井壁稳定机理及对策研究
高温深井钻井液体系井壁稳定机理及对策研究王耀稼;沈黎阳;王再兴;李旭阳【摘要】高温深井环境下钻井液性能将受较大影响,改变原有特性,易造成井壁失稳的现象.文章分析了高温对钻井液性能的影响,并针对高温环境下钻井液体系影响井壁稳定性的因素提出了应对措施.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2016(035)003【总页数】3页(P23-25)【关键词】深井;高温;钻井液;井壁稳定【作者】王耀稼;沈黎阳;王再兴;李旭阳【作者单位】西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TE254.1深井超深井钻井过程中，钻井周期长、固相含量高，而高温将改变钻井液原有特性，造成井壁稳定性降低，容易诱发井眼坍塌、卡钻等井下复杂事故。
钻井液质量对深井超深井钻井的成功率有着极其重要的意义[1]。
1.1高温对钻井液的影响（1）高温恶化钻井液性能，使钻井液造壁性变差，泥饼变厚，滤失量增大。
（2）高温影响钻井液流变性。
主要有三种形式：高温增稠、高温减稠、高温固化。
（3）高温影响钻井液pH值。
钻井液经高温作用后pH值下降，矿化度越高下降越明显。
钻井液pH值下降将影响钻井液热稳定性。
（4）高温增加处理剂用量。
钻井液在高温下为了维持钻井液性能将消耗更多的处理剂，为了改善高温对钻井液的影响必须做必要的补充。
1.2高温对黏土的影响1.2.1高温分散钻井液中黏土颗粒在高温作用下自动分散的现象。
水基膨润土在高温影响下分散度增加，比表面积增大，粒子浓度增大，表观黏度及动、静切力随之增大。
1.2.2高温聚结高温加剧黏土表面水化粒子及水化基团的去水化能力，促进处理剂在黏土表面解吸附，加剧固相颗粒碰撞，三种因素共同作用，产生不同程度的黏土聚结。
1.2.3高温钝化黏土悬浮颗粒在高温作用下降低表面活性，称为高温钝化。
一种井壁稳定评价方法
一种井壁稳定评价方法
井壁稳定评价方法是用来评估井壁的稳定性，旨在预测和防止井壁的破裂和塌陷。
以下是一种常用的井壁稳定评价方法：
1. 井壁影像分析：利用井壁扫描仪等设备获取井壁的高清影像，通过对井壁的裂缝、崩塌、变形等特征进行分析，判断井壁的稳定性。
常见的分析方法包括裂缝数量、裂缝形态、裂缝宽度、裂缝方向等参数。
2. 地质力学参数测试：通过在井壁周围进行岩石力学参数测试，如抗压强度、抗剪强度、弹性模量等，来评估井壁的稳定性。
测试结果可用于确定岩石的稳定性指标和岩石力学模型。
3. 地震数据分析：利用地震勘探数据获取井壁周围的地震响应信息，如地震波速度、地震波振幅等，通过分析地震响应与井壁稳定性的关系，评估井壁的稳定性。
4. 岩屑分析：岩屑分析是对井壁岩屑的颗粒形态、颗粒大小、颗粒组成等进行分析，通过对岩屑特征的分析，可以判断井壁的稳定性。
例如，颗粒大小均一性较差的岩屑可能表示岩体稳定性较差。
5. 数值模拟方法：利用数值模拟软件，对井壁周围的岩石进行数值模拟，模拟不同外力条件下岩石的应变、变形等情况，通过分析数值模拟结果，评估井壁的
稳定性。
这些评价方法可以单独或结合使用，综合分析得出对井壁稳定性的评价结果，并采取相应的措施来保障井壁的稳定。
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。
井壁稳定动力学分析研究
井壁稳定动力学分析研究摘要：钻井过程中起下钻、岩屑运移和钻柱运动等都会对井壁岩石产生动载荷作用，进一步影响井壁岩石的力学特性和井壁整体稳定性，减慢现场钻井进度甚至造成大量经济损失。
然而目前关于井壁动力学变化对井壁稳定性的影响机制和规律尚未形成系统的认识，因此继续对此进行系统性地调研，以了解国内外目前的研究进度，为后续研究奠定基础。
此调研针对井壁稳定动力学做出总结归纳，并提出目前研究中相关方面的欠缺，对后续研究有重要指导意义。
关键词：井壁稳定；动载荷；动力学一、研究背景未知的事情总是充满着不确定性，钻井就是这样一种存在不确定危险的工程，其中井壁失稳一直是钻井工程的经常遇到的复杂情况之一，在世界很多油田都普遍存在。
据保守估计，井壁失稳消耗的时间约占总钻井时间的5~6%，每年给石油工业界造成的损失约5~6亿美元[1]。
钻井过程中遇到井壁失稳问题，不仅会减慢钻井进度，使钻井工作不能安全快速地进行，而且会影响后续固井、完井、开发等工作，带来更多难题。
在井眼周围由于其外观形状的不同，会造成应力在井眼周围发生变化，出现应力集中的情况，会对井壁造成伤害，究其缘由主要是井眼内的液柱产生的压力与地下的应力产生了一种不平衡的现象，导致井壁会出现坍塌等复杂事故。
钻井工作者经过长期的现场经验与理论分析相结合，深入探讨研究了有关井壁发生井漏和坍塌等形式破坏的原因，将其分为两大类：人为因素和天然因素。
人为因素是指在钻井施工过程中由人来参与完成的阶段，比如：钻井液的选择、完井方式的选择、井眼轨迹的设计等等，天然因素是指地层的物理和化学性质参数，比如：地层岩性、异常高压等复杂情况的出现[2]。
其中，人为因素中起下钻具造成的井底压力波动钻柱与井壁之间的摩擦和碰撞等因素均会造成动载荷作用，在动载荷的周期性作用下井壁岩石的力学特性和井周应力状态将会发生变化，进一步影响井壁整体稳定性，对钻井工程造成进度及经济影响。
但是，目前关于井壁动力学变化对井壁稳定性的影响机制和规律尚未形成系统的认识。
井壁稳定性解析
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
R2P(Hh)(1R2)(Hh)(13R4)co2s
r2
2
r2
2
r4
[2((11 2 ))(1R r22)]P (Pp)
hmin
A
A
z v [ 2 (H h ) c2 o ] [ s ( 1 1 2 ) ]P (P p )
直井井眼周围地层应力状态
直井井眼周围应力分布的特点是什么？
m a P x 3 H h [( 1 1 2 ) ]P ( P p ) m i n P 3 h H [( 1 1 2 ) ]P ( P p )
地应力
给定的泥浆密度
井周应力应变
本构模型
提高泥浆密度
失稳
破坏准则 稳定
结束
以孔隙弹塑性力学为根底的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法根本成熟
平安压力〔密度〕窗口：ΔP
P破＞ P泥 ＞ P地
(P地＞ P坍)
P破＞ P泥＞ P坍
(P坍＞ P地 )
ΔP—平安压力窗口
钻井合理泥浆密度确实定
➢ ΔP愈大,那么钻井愈易 ➢ ΔP愈小,那么钻井愈难
钻井合理泥浆密度确实定
➢ 假设ΔP =P破- P地 〔 P地＞ P坍〕 那么较易
➢ 假设ΔP =P破- P坍 〔 P坍＞ P地〕 那么较难
3R4 (1 r4
2R2 r2 )sin2
直井井眼周围地层应力状态
钻井液渗流效应
r
深部高应力竖井井壁稳定性分析及支护优化
深部高应力竖井井壁稳定性分析及支护优化摘要：目前笼式开挖支护技术的应用非常成熟，可以为不同工程项目施工剖面、围岩开挖强度等级等选择不同的支护技术。
，以达到竖井开挖支架稳定化的目标。
不同等级围岩开挖风险程度不同，井架开挖风险评估良好，不同支护方法施工成本各异，施工单位应根据非统组织的实际情况选择合适的支护方法。
关键词：深部高应力竖井；井壁稳定性；支护优化引言随着井的开挖深度增加，缸将承受更大的围岩压力，井的围岩变形将增加，极易受到围岩不稳定、井壁衬砌结构开裂和破坏的影响。
与此同时，深井开挖过程中的岩爆和高压水灾害严重阻碍了筒的施工速度和井的长期稳定。
1深地井壁稳定性影响因素1.1岩石岩石断裂、速度和物理化学性质是影响一般作业条件下井壁稳定性的主要因素。
岩石断裂和理论不仅降低了周围岩石的稳定性，而且增加了与钻井液接触的面积，由于渗透和化学作用，岩石的粘性力和内部摩擦角逐渐减小，岩石裂缝逐渐延伸到连接处，从而减少了与此同时，岩石的矿物组成，如吸收水的膨胀性粘土矿物，也是造成土壤不稳定的一个重要原因。
随着钻孔深度的增加，土层温度迅速上升，粘性力、内部摩擦角和岩石强度随土层温度的增加而下降。
深孔底温度通常可超过200℃，岩石物理化学性质的变化是深孔壁稳定的重要原因。
1.2钻进过程在深孔钻孔过程中，随着钻孔过程参数的选择，钻孔操作状态会发生变化，从而直接影响井壁的稳定性。
主要有井眼轨迹的设计、钻法、钻参数的影响钻孔路径设计包括三个参数:拔模角度、方位角和深度，并且在钻孔过程中，钻孔路径会不断变化。
一般来说，井越倾斜，钻孔就越不稳定。
钻孔方位角对井壁的稳定性有一定影响。
当区域中的孔隙压力在水平方向大于最大大地应力，在水平方向大于最小地面应力时，钻孔方位角在水平方向上为最小地面应力，在水平方向上比最大地面应力方向上的井口更稳定。
深孔钻孔通常使用链轮钻，其剪切和冲击影响钻孔过程中井口的稳定性。
井柱的剧烈振动在井壁冲击处造成裂缝，明显影响井眼变形和井壁稳定，甚至在严重情况下可能导致井壁脱落和堵塞等事故。
科学深井井壁稳定性机理分析及方法研究
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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
考虑温度效应的高温高压直井井壁稳定性规律
中图分类号院TE21
文献标志码院A
Wellbore stability law of high temperature and high pressure vertical wells considering temperature effect
WU Yi1, XIE Renjun1, LIU Shujie1, JIANG Kai2, DENG Jingen3, YU Baohua3 (OOC Research Institute Co., Ltd., Beijing 100028, China; OOC International Limited, Beijing 100028, China;
基金项目院国家科技重大专项课题野海外重点油气田开发钻采关键技术冶渊2017ZX05032轧004冤
摘 要 海外 A 区块探井的高温高压井段因频繁发生井漏尧卡钻等井下复杂情况袁井壁不稳定袁导致原井眼报废遥 根据经 典的坍塌压力和破裂压力计算模型袁钻井液安全密度窗口为 0.2 g/cm3袁但实际作业过程中发现在高温高压井段安全密度窗 口更窄遥 由于温度变化产生的温变应力会对井壁稳定性造成影响袁因此考虑井壁温度效应袁探索了温度变化对高温高压直 井井壁稳定性的影响遥 通过分析井壁附加温变应力场袁建立了考虑温度效应的坍塌压力和破裂压力计算模型袁发现了温度 变化对井壁稳定性的影响规律遥 低温钻井液在高温地层循环产生的附加温变应力袁使地层坍塌压力和破裂压力减小遥 该方 法为该区块后续生产井的顺利实施提供了技术支撑袁相比探井袁钻井周期大幅缩短遥 考虑温度效应的地层坍塌压力和破裂 压力计算模型袁对今后窄安全密度窗口高温高压直井的井壁稳定性研究具有参考价值遥 关键词 温度效应曰高温高压直井曰井壁稳定曰坍塌压力曰破裂压力
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：
深部钻探井壁稳定性的力学数值分析1
本课题致力于提高计算精度，将积分点 增至100和121。
主要研究内容
程序流程
Initial state σk，εk
Actual strain increment Δεk+1
Trial macroscopic state of stress
k1 Trial k Ee k1 p k1
地层坍塌应力、破裂应力
孔隙压力
合理泥浆密度的上、下限
纯岩石力学研究井壁稳 定与力学、物理化学研 究井壁稳定二者尽管遵 循相同的力学分析过程， 但其应力本构关系、岩 石强度在物理意义上有 本质区别——将由于泥 浆与岩石的化学、物理 化学作用而有重大改变， 使井壁的稳定性与地层 钻开的时间密切相关。
井壁稳定分析方法
Loop over sampling planes Do (p=1 to np)
Stress transformation onto planes
σk1 i
Trial
σ τ
Trial n Trial
σ k 1 n
σ k 1
N Trial S Trial
No Evaluate yield condition fi>0?
Wellbore stability: Mechanical model
Temperature Effects on stability
Thermal effect on stress
T
ET (T Tf 1
)
E=Young’s Modulus
αT=thermal expansion coeff. T=mud temperature
井壁稳定分析方法
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。
高温高压井筒可靠性设计与稳态传热分析
பைடு நூலகம்
关键词 ： 高温高压井简
可 靠性 设 计
稳 态传 热分 析
保 温 层
文章编号 ： １ ０ Ｏ ０ — ４ ９ ９ ８ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ２ ２ — ０ ５
Ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｉ ｎ Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ，
井筒的壁厚 ， 计 算 出可 靠 性 安 全 系数 ， 并与传统设 计方法和 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 目标 驱 动 优 化 设 计 方 法 进 行 了 对 比 ， 在 确 保 安 全 的前 提 下 ． 实现 了 井筒 设 计 的 轻 型化 。 根 据 热 力 学原 理 ， 分 析 了井 筒 的 稳 态 传 热状 态 ， 获得 了保 温层 的 导 热 系数 ， 并
古 日
同皿吉 同 压 井 筒 可 靠 性 设 计 与 稳 态 传 热 分 析
口 杜
伟
口 刘树林
口 王
上海
勇
上 海 大 学 机 电工 程 与 自动 化 学 院
２ ０ ０ ０ ７ ２
摘 要 ： 针 对 用 于 井 下 工 具试 验 的 高 温 高 压 井 筒 ， 利 用机 械 可 靠性 设 计 理 论 ． 完成 了 井 筒 结 构设 计 ． 确 定 了 高温 高压
统 一 。相 比于 采 用 许 用 应 力 法 来 设 计 压 力 容 器 ， 可 靠 性 设 计 …在 “ 物 美 、 价廉 ” 上有着 巨大的优势 。
抗高温水基钻井液性能评价研究
抗高温水基钻井液性能评价研究对水基钻井液体系在高温下的高温稳定性、高温高压流变性能、抑制性能和抗污染性能进行了评价。
实验结果表明，该体系具有良好的热稳定性，钻井液经过220℃高温老化后，高温高压滤失量低，流变性好，并具有良好抑制性能和抗盐、钙及钻屑等污染性能。
标签：水基钻井液；高温去水化；抗温能力国内外大量研究资料表明:深井、超深井钻井时，钻井液长时间处在高温条件下，钻井液组分会发生各种复杂的变化，其中主要存在着粘土粒子及加重材料高温去水化作用、高分子处理剂高温氧化降解、高温交联和高分子处理剂高温去水化作用等，使处理剂效能降低或失效，钻井液性能变坏，导致施工无法正常进行，因此，如何提高钻井液的抗高温能力，使其在高温高压条件下能够保持其性能稳定，发挥其应有的功能，已成为钻井过程中急需解决的重要问题。
1 钻井液抗温能力评价（1）钻井液抗温性能评价。
钻井液配方：2%膨润土+0.1%KFA370+0.5%NPAN+2%热稳剂+5%KC1+0.8%NaOH+8%复合降滤失剂+8%PPL+3%EFT－100+1.2%TX+加重料。
钻井液的抗温性能评价是通过实验钻井液在不同温度下老化一定时间后的性能变化情况，以此来检验抗高温水基钻井液在不同温度下的抗温能力。
抗高温水基钻井液经220℃热滚后流变性变得更好，没有发生稠化、胶凝和失水量大幅度增加现象，说明所研究的钻井液体系具有高温稳定性，可以满足井温为220℃的钻井要求。
（2）钻并液高温稳定性评价。
钻井液的高温稳定性评价是通过实验钻井液在某一温度下经过较长时间的老化，测定其性能的变化情况，来检验抗高温水基钻井液经过长时间老化的抗温能力。
钻井液配方：2%膨润土+0.1%KFA370+0.5%NPAN+2%热稳剂+5%KCl+0.8%NaOH+9%复合降滤失剂+8%PPL+4%EFT－100+1.2%TX+加重料。
钻井液在220℃下随着热滚时间的增加，中压滤失量和高温高压滤失量变化都不大;塑性粘度和静切力有所下降，动切力略有上升，变化幅度很小，但48h后就趋于稳定，钻井液没有出现稠化、胶凝等现象。
胜利油田高温高压井联作测试浅析
胜利油田高温高压井联作测试浅析
胜利油田是中国石油天然气集团公司的子公司之一，是中国最大的油气田之一。
该油田的井筒深度大、温度高、压力大，常常需要进行高温高压井联作测试，以保证井眼的稳定性和开采效率。
在胜利油田的高温高压井联作测试中，主要需要采取以下几个步骤：
1. 井筒准备
在进行高温高压井联作测试之前，需要对井筒进行准备，包括清洗井筒、安装测井工具、封堵井下，以及安全措施和应急预案的制定等。
2. 井眼稳定性测试
在高温高压井联作测试过程中，井眼稳定性是非常关键的，需要对井眼进行测试。
测试方法包括CT扫描、振动测试、地震波传播测试等。
3. 测井数据采集
在进行高温高压井联作测试时，需要采集各种测井数据，包括垂直方向测井、水平方向测井、微波测井等，以便分析井壁及井眼的状况。
4. 压裂射孔处理
在高温高压井联作测试过程中，如果发现井眼不稳定或者存在一些问题，需要进行压裂射孔处理，以保证井眼的稳定性。
5. 数据分析和评估
在高温高压井联作测试结束之后，需要进行数据的分析和评估，以便得出结论和改进措施，以提高井的开采效率和井壁稳定性。
总之，在胜利油田高温高压井联作测试过程中，需要遵守严格的操作规程和安全管理制度，以保证工作的安全和顺利进行。
同时，还需要不断进行技术创新和研发，以应对越来越复杂的工作环境和技术难题。
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深水高温高压井测试期间井壁稳定性分析方法研究
随着我国海洋油气勘探开发逐步迈向深水，常规浅水测试工程设计技术方法在深水领域的局限性逐渐暴露出来，文章分析了目前深水测试作业常用的井壁稳定性分析方法，对比了深水测试作业与钻完井作业井眼稳定性分析的区别，分析推荐了适用于深水测试作业的井壁稳定性分析方法及相关参数确定方法，并研究了深水高温高压环境对测试期间井壁稳定性的影响，取得了一定的认识。
标签：测试工程；井壁稳定性分析；深水；高温高压；规律分析
1 简介
随着荔湾3-1和陵水17-2等一系列重大油气项目的实施，我国逐步加快了南海深水空白区块的油气勘探开发步伐。
然而，南海西部深水高温高压油气藏条件对我国当前的海洋深水钻完井测试工程技术体系提出了重大的技术挑战。
测试期间的井壁稳定性分析主要服务于测试期间完井方式的选择，如井壁稳定性分析认为测试期间井壁有可能垮塌，则必须采取具有井壁支撑功能的完井方式，如独立筛管完井或者砾石充填完井等。
我国海上测试作业期间的井壁稳定性分析一般沿用开发井完井的地层出砂预测分析方法，如现场观测法、经验法、数值计算法和实验法等。
其中，经验公式法最为常用，我国南海东部和西部绝大多数浅水和深水测试井在测试工程设计阶段都采用了经验公式法中的单轴抗压强度法（也是目前我国海上油气田完井设计
中的常用方法）作为测试期间的井壁稳定性分析方法，如式（1）所示[1]。
单轴抗压强度法是Shell公司根据大量已钻井数据总结得到的经验公式，对于附近有大量邻井存在的区域，应用效果良好。
该方法成功应用的关键在于经验系数的准确设定，然而，我国深水油气勘探开发刚刚起步，深水井的钻井数量极其有限，南海绝大部分深水区域都没有进行过钻井作业[2]，在这些区域应用单轴抗压强度法就会存在无邻井信息确定和校核经验系数的问题。
另外，单轴抗压强度法是针对地层出砂问题提出的经验公式方法，主要目标地层为砂岩地层，对于碳酸盐岩地层的适用性还有待进一步验证，我国南海流花4-1和流花11-1三井区就存在一些礁灰岩储层。
2 适用于测试工况的井壁稳定性分析方法
测试作业是在钻井作业结束之后针对储层储量和产能而开展的测试工作，主要是通过控制地层流体放喷求得所需信息和数据。
本文针对从未开发的偏远区块开发分析对比了探井钻井、评价井测试以及生产井完井期间井壁稳定性分析研究可利用数据以及根据工况特点需要考虑因素的不同，如表1所示，认为目前测试
期间井壁稳定性分析常用的单轴抗压强度法就会存在无邻井信息确定和校核经验系数校验方面的问题，并推荐了如下的测试期间井壁稳定性分析方法。
分析表1发现，由于测试期间流体的流动方向为由地层流向井筒，因此，测试期间井筒发生破坏的形式主要应为剪切破坏，本文推荐测试期间井壁稳定性分析方法采用库伦摩尔剪切破坏模型，如式（2）所示。
该模型在钻井井壁稳定和完井出砂预测方面已经得到了广泛的应用，成功应用的关键因素有两个：（1）井壁围岩应力状态分析；（2）模型参数选择。
下面详细介绍上述两项内容的确定方法。
2.1 井壁围岩应力状态
关于井壁围岩应力状态的计算已经相当成熟，有很多研究成果，其中，任意井斜角方位角下的井壁围岩应力状态如式（3）所示[3]：
2.2模型参数选择
由于测试作业前一般都已取得了大量的探井数据资料，因此可充分利用实钻资料精确确定式（2）和（3）中的各类参数。
（1）利用钻井期间的地层漏失试验（LOT测试）或者地层完整性测试（FIT）數据得到较为准确的地应力数据（H，h）[3]，利用测井资料（密度测井和声波测井数据）可得到深水条件下的上覆岩层压力（V）[4]。
（2）利用钻井期间的关井立管压力可以求得地层孔隙压力（Pp）。
（3）利用钻井取心可以通过室内岩石力学实验，得到岩石的力学参数（E、U、和C），进而可得到地层有效应力系数。
（4）结合测井数据，可实现整个储层段的各类参数求取。
（5）根据钻井资料，可得到目标井眼实际的井斜角和方位角。
因此，测试期间井眼的井壁稳定性分析的一般步骤为：首先，收集目标井的钻井数据、测井资料以及岩石力学实验数据；然后，利用式（3）和（4）求取井壁处的主应力状态；最后，将主应力数据代入式（2），判断特定工况下井壁是否发生破坏，同时，也可求得井壁失稳的临界生产压差。
3 模型验证及应用
利用本文推荐测试期间井壁稳定分析方法，采用荔湾3-1深水气田某井的相关作业和科研资料，计算了荔湾3-1气田某井的临界出砂生产压差，并与中国石油大学（北京）利用全尺寸岩心取得的室内实测数据[1]进行了对比，如表2所示。
与室内试验结果对比发现，由于有可靠的实钻数据和岩石力学实验数据的支持，该方法计算结果精度在10%以内，与文献[1]中经过室内实验校正得到的结果比较接近，完全能够满足工程需要。
但是，与文献[1]中的实验方法相比，使
用本文推荐的方法不需要进行全尺寸岩心实验，能够节省大量实验时间和费用。
4 深水高温高压环境的影响
深水高温高压环境对测试作业期间的井壁稳定性分析的影响主要表现在以下几方面：
（1）水深。
与陆上和浅水（水深小于300m）地层相比，深水环境下（水深300m以上）浅部地层成岩作用较差，而且一般没有密度测井数据，因此，在计算储层上覆岩层压力时，深水浅部地层的密度计算与浅水和陆地存在一定区别，谭强等提出了深水条件下的上覆岩层压力计算方法[4]，应用效果较好，建议予以采用。
（2）高温。
温度对于岩石的强度和力学特性参数是有一定影响的，吴忠等开展了砂岩在高温状态下的力学特征实验研究[5]，实验数据显示，在25-200℃的实验温度范围内，室内实验测得的砂岩岩样的弹性模量随实验温度的升高而降低，降幅在25%以内；变形模量随实验温度的升高而略有降低，降幅在5%以内；单轴抗压强度随实验温度的升高而降低，降幅在5%以内，如图1和2所示。
结合岩石弹性力学参数之间的相互关系，本文模拟常规疏松砂岩岩石力学特性，研究了储层段井壁失稳时临界生产压差随温度的变化规律，如图3所示。
由图3可知，在其他地层条件不变的情况下，在25-200℃范围内，储层井壁失稳时的临界生产压差随温度的升高而降低，降幅在20%左右，不可忽略。
对于高温储层，由于测试期间，流体由地层流入井筒，因此，可认为储层段的井壁处温度为地层温度，储层处于高温状态，考虑到储层岩石力学特性的区域差异，因此，建议在进行室内岩心力学性质研究的时候，开展高温条件下的室内岩心实验，或者开展室温条件下的岩心实验，然后将所得数据转化为高温下的岩石力学参数。
（3）高压。
高压指的是高地层孔隙压力，本文模拟常规疏松砂岩岩石力学特性，研究了地层孔隙压力对储层段井壁失稳时临界生产压差的影响，如图4所示。
发现在其他地层条件不变的情况下，储层井壁失稳时的临界生产压差随地层孔隙压力的升高而升高，说明高的地层孔隙压力有利于测试期间的井壁稳定。
5 结束语
（1）本文分析了目前海上测试期间井壁稳定性分析方法
的特点，并指出了其在偏远深水区块应用的局限性。
结合深水测试期间的工况特点以及可用数据，推荐了深水测试作业期间井壁稳定性分析方法，给出了具体参数的确定方法，并用实例验证了其适用性。
（2）分析了地层高温对测试期间井壁稳定性的影响，发现地层温度越高，相同条件下，临界生产压差越低，且降幅较大，因此，对于高温测试井的井壁稳定性分析推荐采用高温条件下的岩石力
学特征参数。
（3）分析了高壓对测试期间井壁稳定性的影响，发现在其他地层条件不变的情况下，临界生产压差随地层孔隙压力的升高而升高，说明高的地层孔隙压力有利于测试期间的井壁稳定。
参考文献：
[1]赵彩庭，邓金根，王利华.砂岩气藏出砂临界压差预测方法[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（6）：44-46.
[2]钟广见，曾繁彩，冯常茂.深水油气勘探发展趋势及南海北部勘探现状[J].矿床地质，2010，29：1063-1064.
[3]陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学[M].北京：科学出版社，2008：58-61，70-71.
[4]谭强，蔚宝华，等.深水油气田钻井安全密度窗口计算方法[J].石油与天然气学报，2012，34（10）：98-100.
[5]吴忠，秦本东，等.煤层顶板砂岩高温状态下力学特征试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（11）：1863-1867.。