试析气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响

试析气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响【摘要】本文对气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响做简单分析。

【关键词】钻井施工气体钻井井斜

究气体钻井周围岩石具有的应力性应变场

当钻井的井眼构成完成之后,之前地下处于均衡状态的应力场开始以井眼为中心在其周围进行全新的应力场配置。较之钻井前地下具有的应力场状况,有三个主要的应力场以井眼为中心呈集聚状态进行分布,当中一个引力场具有的应力方向几乎是垂直方向的,而其余的两个应力场的应力方向是处于水平方向的。当钻成井眼之后, 距离井底稍远位置处上部井眼在手里上能够看做是一个简化平面内应力,若以底层当做弹性的基本前提,就可以按照弹性力学对井壁周围集聚的应力进行力学求解,上井部具有的应力示意图可见图1。在某一假定的区域与假定的深度范围之中,其原地具有的应力方向与数量大小在整体上保持相对的稳定性,也即是不考虑应力方向和数量大小的变化的情况下,设钻井井眼具有的井眼半径是a,该区域原地具有的水平应力最大是σH,最小是σh,可以使用极坐标系的求解方式列出气体钻井井眼周围集中分布的应力函数表达式,其具体求解函数是:

（1）

（2）

（3）

表达式(1)、(2)、(3)之中,径向的应力用σr表示,切向的应力用σθ表示, 而剪切应力用τrθ表示。使用表达式(1)、(2)、(3)对井筒附近所有单元体具有的应力状况进行求解,井筒附近单元体具有应力状况可见图2。

这时候,井壁岩石在径向的压力差(σr-Pw)与三向应力影响中。因为气体钻井必须井壁稳定,其径向的压力差不能高于岩石剪切屈服或者内聚强度大的数值,从而保证井壁岩石的完整。要直接对钻井的液钻井与气体钻井周边应力状况特征进行探究,需要通过一个假设,同时使用软件Ansys对钻井附近的岩石受力状况进行分析。假定岩层是均质且宏观上不同方向头具有相同特性的弹性体,同时其具有的层理面处于水平方向上,钻井附近所有单元体仅接受上覆位置岩石给予的垂直应力与水平方向的应力影响,并将井眼作为圆形直井眼,且具有两个水平方向的主应力是σH与σh,而用Pp表示地层的孔隙压力是, Pw表示钻井液柱的压力,而对井附近应力存在的实际状况的分析模型实际上是对带圆孔无限平面内具有平面应变状况的求解,也就是井眼轴线垂直的平面受力情况的求解。

井深是三千五百米,井眼直径d是二百一十毫米,σH是六十兆帕,σh是五十兆帕, Pp是四十兆帕,静态的弹性模量E是4.3*104兆帕, 静态的泊松比K是0.2,Pw

是四十兆帕。因为要保证钻井周围岩石受力情况模型具有良好的对称性特征,特意选取其四分之一来作为相关分。分析过程中,使用软件Ansys构建气体钻井有限元的模型,并对单元类型与材料属性做出定义, 同时将几何模型分成有限个单元进行分析。液钻井的环境中,径向的应力与三向的应力影响中下钻井附近具有的有效应力是二十兆帕与十兆帕。气体钻井环境中,钻井位置原地承受的应力作用在钻井周围具有的有效应力是一百兆帕与九十兆帕。通过软件Ansys的运算分析,地层的岩石具有的力学参数在类似的情况中,钻井液与气体钻井, 由于不平衡水平双向的压应力影响,受到应力大的侧井附近岩石承受的拉力较大,钻井时钻头应该对该方向的岩体进行优先破岩,钻井的井眼移动轨迹和钻井承受的最平用力的最大值存在方向具有一致性。对比钻井的液与气体钻井,依据建立的分析模型可以明确反映,液钻井分析得出的主应力最大值与主应力最小值的差额要小于气体钻井,而气体式钻井在不同方向具有的异性各之数更为突出。故而,使用钻头对岩石进行破碎的工作中,使用气体式钻井在破岩方向的确定上更加的困难。气体式钻井周围存在的应力具有更为显著的不均衡性,更容易使钻井的井斜角发生变化与方位角存在漂移现象。

2 探究气体钻井的井底岩石具有的应力性应变场

假定距井筒稍远的应力场受到钻井介质干扰忽略不计,应力场分布具有均衡性,水平应力最大值和最小值分别用σH与σh表示,因为不存在液柱压力, 在井底的岩石承受地层孔隙的压力P0方向向上的拉应力影响,假定井底的岩石没有被拉伸力量损坏,从而构成井底周围岩石受力的力学模型,而井底周围的岩石承受着三个方向的应力影响。通过弹性力学对井底周围岩石的受力状况进行求解十分困难,却可以通过软件Ansys做有效的运算研究,从而分析井底具有应力应变的状况。使用软件Ansys运算研究气体式钻井中,顺着径向产生的应变现象较为剧烈。井底都受拉应力影响, 顺着主应力最大值的方向井壁位置受到的拉应力最为突出,该处岩石极易破损。井底受力的整体状况中,气体式钻井中井底岩石受到应力差值最大,地层在不同方向存在的差异较大的指数。钻头在对井底岩石进行切削中,较大的应力差值会造成钻头偏向主应力最大值方向倾斜,从而造成气体式钻井相对液式钻井更易出现井斜状况。

参考文献:

[1]高如军,何世明,侯文波.气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响分析[A].钻井液与完井液,2008,25(06):1-3.

[2]闫铁,孙士慧,毕雪亮等.气体钻井上返岩屑对井斜影响的分析[J].科学技术与工程,2010,(24):71-73.