井周应力与井壁失稳

min
(1 2 ) P 3 h H [ ]( P Pp ) 1
13
70 60 50 40 30 20 10 0 10.8
20.8
30.8
40.8
50.8
60.8
14
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 10.8 20.8 30.8 40.8 50.8 60.8
石油工程岩石力学
Petroleum Engineering Rock Mechanics
井周应力与井壁失稳
1
内容提要
井眼周围应力状态 泥页岩水化坍塌问题 层理性地层井壁稳定性问题 流变性地层井壁稳定性问题
2
一、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 出砂预测研究的基础
……
3
一、井眼周围地层应力状态
假设条件：
地层均质各向同性
线形弹性，小变形
轴向——平面应力或平面应变
三维问题转化为二维问题
4
直井井眼周围地层应力状态
h
r
二维平面应变模型

5
直井井眼周围地层应力状态
依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼 受力进行分解
请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中
(1 2 ) z v [2( H h ) cos 2 ] [ ]( P Pp ) 1
12
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？
max (1 2 ) P 3 H h [ ]( P Pp ) 1
6
直井井眼周围地层应力状态
由钻井液柱压力P引起的应力
R2 r 2 P r 2 R 2 P r
无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关
7
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
2 4 2 H R 3R 4R H r (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r H H R2 3R 4 (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r 4 2 H 3R 2R r (1 4 2 ) sin 2 2 r r
是引起井下复杂的主要原因之一（Mclellan，1996）
Borehole Stability in Fissile
Shale in Northeastern British Columbia Mountain Range
36
层理性泥页岩力学特点之三：层理面非线性
数值模拟研究表明：沿层理面的非线性剪切位移是造成
2
3R 4 2 R 2 (1 4 2 ) sin 2 r r
11
直井井眼周围地层应力状态
井壁应力状态：
r P ( P Pp )
P (1 2 cos 2 ) H (1 2 cos 2 ) h (1 2 ) [ ](P Pp ) 1
2 3 距离泥浆端面的距离,cm
4
5
膨胀应变,%
不同泥浆体系 下泥岩吸水特 性
27
时间,min
0.35 0.3 0.25
泊松比 粘聚力,MPa
25
含水量对泊松比的影响
20 15
0.2 0.15 0.1
10
5 0.05 0 0 1 2 3 4 吸水量,% 5 6 7 0 0
含水量对粘聚力的影响
1 2 3 4 5 吸水量,% 6 7
1.35 100 1.3
硅酸盐泥浆
坍塌压力（g/cm 3）
1.25
1.2
1.15
1.1 0 10 20 30 40 50 60 70 时间，天 80 90 29 100
具有显著“结构性（层理、裂缝）”的泥页岩地层井壁
失稳问题难以像均质地层一样通过提高钻井液密度有效
解决，是目前研究的难点（Crook，2002）
44
定向井井眼轨迹对坍塌压力的影响
1.6
近似水平层理
1.5
坍塌压力（g/cm 3 ）
1.4
水平最大地应力方位N50E
2 2
10
直井井眼周围地层应力状态
( H h ) ( H h ) R2 R2 3R 4 4 R 2 r 2 P (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r r (1 2 ) R2 [ (1 2 ) ](P Pp ) 2(1 ) r
最大水平地应力方位： 井壁破裂风险最高
破裂压力随井 斜方位的变化
22
安全泥浆密度窗口
23
变质岩地层裸眼完井井壁稳定性分析
244.5mm套管以下太古界地层存在低 强度砂岩地层，即使是钻井过程中 也需较高的泥浆密度来维持井壁稳 定，预实现裸眼完井开采，应调整 套管下入深度
24
井壁失稳机理研究的基本力学方法：
30
层理
霍003井安集海河 组泥页岩地层坍塌 掉块
31
涠西南油田群，在层理发育的涠二段、流二段泥页岩地 层中钻进定向井时，井壁坍塌卡钻等井下复杂时有发生
涠二段泥页岩地层（泡水前）
涠二段泥页岩地层（泡水后）
32
70
60
50
井径（in.）
40
30
20
10
0 1700
1900
2100
2300 垂深（m）
15
70 60 50 40 30 20 10 0 90 180 270 360
16
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 90 180 270 360
17
利用水力压裂试验数据计算地应力：

H min
P
FCP
H max 3 H min Pp Pf S t
8
直井井眼周围地层应力状态
由水平最小地应力 h 所引起的井周应力分布
h h R2 3R 4 4 R 2 r (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r 2 4 h h R 3R (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r h 3R 4 2 R 2 r (1 4 2 ) sin 2 2 r r
39
问题的难点
复杂的力学、化学、 水动力学耦合问题
考虑因素 地层本构模型
渗流方式 渗流对强度的影响 泥页岩吸水影响强度 层理、裂缝面
传统模型 各向同性体
Darcy渗流 无 无 无
层理性泥页岩问题 各向异性体
各向异性渗流 有 沿层吸水 有
40
没有解析解，必须数值求解
计算结果之一： 井眼周围位移场 分布规律
面的抗拉强度（Chenevert，1965）
依据统计，只有10％的地层为各向同性，30％地层弹性模量 各向异性比大于1.5。因此井壁稳定性分析中考虑地层各向异 性的影响更接近实际情况的（Ong，1994）
35
层理性泥页力学特点之二：渗透性
钻井液及其滤液沿层理面的渗流使泥页岩地层强度逐步降低
计算模型：考 虑地层各向异 性、渗流等因 素的综合影响
41
层理性地层井壁破坏点分析
2 2 C J J n 破坏比大于1，失稳 nt 定义层理面破坏比 f ns
1
最大水平地应力南 北方向，破坏点最 大值不在最小地应 力方位，在应用井 壁崩落椭圆法确定 水平地应力方位时 应当引起注意
45 40
弹性模量,10 3MPa
25
35
内摩擦角,度
20
30 25 20 15 10 5 0 0
含水量对弹性模量的影响
15
10
Βιβλιοθήκη Baidu
5
含水量对内摩擦角的影响
0 1 2 3 4 吸水量,% 5 6 7 0 1 2 3 4 吸水量,% 5
28 6
7
1.6 1.5
改进的聚璜泥浆
坍塌压力（g/cm 3）
1.4 1.3 1.2 1.1 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 时间，天 3%KCl 5%KCl 7%KCl
走向对坍塌压力的影
响较小
43
定向井井眼轨迹对坍塌压力的影响
2.4 2.3
2.2
坍塌压力（g/cm 3 ）
2.1
2
1.9
1.8
最大地应力 15 度 30 度 45 度 60 度 75 度 最小地应力 0 15 30 45 井斜角（ ）
o
钻进定向井 最有利的井 斜方位范围
1.7 60 75 90
以霍尔果斯构造安集海河组高陡层理性泥页岩地层为例，地层南倾， 地层倾角500，水平最大地应力近南北走向 以近垂直层理面的方位井斜钻定向井，使坍塌压力大幅降低，有利 于井壁稳定
0.9 0.8 0.7 0.6
破坏比
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 45 90 135 180 井周角（度） 225 270 315 360
42
地层走向对层理性泥页岩坍塌压力的影响
与地层倾角相比较，
坍塌压力（g/cm 3）
2.36 2.34 2.32 2.3 2.28 2.26 2.24 2.22 2.2 0 60 120 180 240 地层走向（度） 300 360
S t Pf Pr
18
坍塌压力、破裂压力
n tg C
3 St
,
19
定向井井周地层应力状态
z
3
β
z1 o γ
y
r
θ x
α
y1 α
2 1
β x1
20
东营组地层斜井井壁稳定性分析
最大水平地应力方位： 井壁坍塌风险最高
坍塌压力随井 斜方位的变化
21
东营组地层斜井井壁稳定性分析
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 破坏准则 失稳 结束 稳定
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理
论和计算方法基本成熟
25
泥页岩水化坍塌问题
26
14
3%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0264
12 10
5%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0214 7%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0197 指数 (3%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0264) 指数 (5%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0214) 指数 (7%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0197)
吸水量,%
不同泥浆体系 下泥岩膨胀特 性
8 6 4 2 0 0 1
七克台组裂隙岩芯在几种改进聚璜泥浆中的吸附扩散实验结果
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 100 200 300 400 500 600 700
清水中 3％KCL改进聚璜泥浆中 5％KCL改进聚璜泥浆中 7％KCL改进聚璜泥浆中 硅酸盐泥浆中
地层力学性质具有明显的各向异性，轴向与层理面法线夹角在 45～75度之间时强度最低，约为垂直层理面强度的1/5～1/6。 层理面的粘聚力、内摩擦角远低于岩石基体的粘聚力、内摩擦 角，高倾角下的破坏多为沿层理面的剪切破坏。
38
层理性泥页岩地层渗透特性
试验设备
平行层理面和垂直 层理面测试—层理 面可能为高渗面
( 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
r
H h
2500
2700
2900
3100
涠二段地层坍塌掉块
涠二段泥页岩
33
层理性地层井壁稳定性问题
34
层理性泥页岩力学特点之一：各向异性
试验表明，层理性泥页岩力学性质及强度具有显著各向异性，
若轴线与层理面的夹角在20～30之间，岩心强度与垂直层理 面强度相比降低了40%，平行层理面的抗拉强度低于垂直层理
井壁失稳的主要原因之一，层理性地层井眼轨迹的优化 与均质地层井眼轨迹的优化方案不同，必须考虑层理面 因素的影响（K. Yamamoto，2002）
37
层理性泥页岩地层强度特性
60 50
破坏强度（MPa ）
40 30 20 10
理论曲线 实测点
取心方式
0 0 15 30 45 60
o
75
90
轴向应力与层理面法向之间的夹角（ ）
9
直井井眼周围地层应力状态
钻井液渗流效应
(1 2 ) (r 2 R 2 ) r [ ](P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) (r R ) [ ](P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) r [ ](P Pp ) 2(1 )