第5讲-岩石力学-常规地层井壁稳定分析方法

srr随泥浆比重增大而增大， srr代表泥浆作用于井壁的压力。 （假设井筒压力与地层压力之间完全封隔）
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
srr随泥浆比重增大而增大，与此同时径向应力（ sqq ）减小。 因此， 崩落宽度随泥浆比重增大而减小。 崩塌泥浆比重有助于确保崩落宽度低于临界大小（直井，90°）
钻遇的复杂地层
天然裂缝性地层或断层
高构造应力地层
研究意义
易缩径地层
疏松地层
研究意义
自然的受压泥页岩地层
诱导受压泥页岩地层
研究意义
井壁垮塌的形式
• 井壁坍塌，井径扩大（灰岩， 泥页岩，破碎性地层） • 井眼缩径（软泥岩、盐膏层） • 井眼压裂，泥浆漏失（砂岩）
研究意义
研究意义
钻井液密度对井壁的作用
( 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
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
斜井井眼周围地层应力状态
斜井井眼周围地层应力状态
平台B 目标 平台A
平台C 为了使成功钻遇目标的概率最大，应从哪个平台起钻？
斜井井眼周围地层应力状态
通过坐标变换求取井眼周围应力分布：
cos cos L sin sin cos cos sin cos sin cos sin 0 cos
井壁稳定的影响因素
地应力大小、方向及非均匀性
地层强度；层理面
泥浆理化性质
井斜角、方位角
地层孔隙压力
钻井周期
井周应力状态
v
v
H
h
H
h
井周应力状态
t r a
r
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
斜井井眼周围地层应力状态
线性叠加后，井壁围岩应力分布的表达式：
r
( xx yy ) ( xx yy ) R2 R2 3R 4 4R 2 2 pi (1 2 ) (1 ) cos 2 2 2 r r r4 r2 (1 2 ) 3R 4 4R 2 R2 xy (1 ) sin 2 [ (1 2 ) ]( p i Pp ) 2(1 ) r4 r2 r
A h B H C v ( K1 1) pi K1 Pp
z D h E H F v K1 ( pi Pp )
z G h H H J v
r rz 0
斜井井眼周围地层应力状态
斜井井眼轨迹说明
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
r R2 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
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
( xx yy ) ( xx yy ) R2 R2 3R 4 p ( 1 ) ( 1 ) cos 2 i 2 2 r2 r2 r4 (1 2 ) 3R 4 R2 xy (1 ) sin 2 [ (1 ) ]( p i Pp ) 2(1 ) r4 r2
3R 4 2R 2 ) cos 2 r4 r2 R2 yz (1 2 ) cos xz (1 r R2 xz (1 2 ) cos yz (1 r
斜井井眼周围地层应力状态
井壁上应力分量可表示为：(即：
rR )
r pi ( pi Pp )
应力状态、井眼轨迹和泥浆比重均能影响井筒稳定性。
正断层
走滑断层
逆断层
常规井壁稳定分析需要的资料
1. 地质资料：掌握研究区域地质构造情况。
2
3R 4 2 R 2 (1 4 2 ) sin 2 r r
直井井眼周围地层应力状态
r P (P Pp )
P （ （ H 1 2 cos 2） h 1 2 cos 2） (1 2 ) [ ](P Pp ) (1 )
xx xy xz yy yz L yx zx zy zz
H L T h z
斜井井眼周围地层应力状态
或者可写为：
xx H cos 2 cos 2 h cos 2 sin 2 v sin 2 yy H sin 2 h cos 2 zz H sin 2 cos 2 h sin 2 sin 2 v cos 2 xy H cos cos sin h cos cos sin xz H cos sin cos 2 h cos sin sin 2 v sincos yz H sin cos sin h sin cos sin
研究意义
研究意义
需要多大的泥浆密度才能稳定井壁？
井壁坍塌与原地应力、孔隙压力及岩石强度
的关系？
是不是泥浆密度越大井壁一定越稳定？
井壁稳定的力学定义
定义：井壁稳定是钻井过程中通过钻井液密度、钻井液体系 和钻井工艺三者的协同来确保井眼不坍塌、不破裂、不缩径。 油气井工程井壁稳定力学的研究内容 ： •如何保证钻遇地质体结构的稳定 •如何降低钻井复杂情况，实现安全、高效钻井 油气井工程井壁稳定力学的研究对象：钻遇地质体
破裂压力 孔隙压力
Measured Depth (RKB), m
1500
2000
2500
3000
漏失压力 坍塌压力
3500 KangCunZu
4000
4500 JiDKeZu SuW eiYiZu 5000 KuMuGelieMuZu Interm.Casing 9.875''@5076
5500
BaShiZu Interm.Liner 8.125''@5692 Interm.Liner 5.5''@5867
井眼轨迹沿什么方位安全？
研究意义
正断层活动应力状态 SHmax 略小于 Sv 井眼沿Shmin 方向钻进
井眼轨迹沿什么方位安全？
研究意义
油气钻井中需要钻穿不同性质的地层，井壁稳定 技术主要是分析地层性质，澄清钻井复杂机理， 解决钻井复杂问题，提高钻井效率。
储层
隔层
储层
研究意义
• 井壁稳定问题带有普遍性，在世界许多油田都存在，一直
2 2
直井井眼周围地层应力状态
r R2 ( H h ) R2 ( H h ) 3R 4 4R 2 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
三维问题转化为二维问题
直井井眼周围地层应力状态
h
r
二维平面应变模型

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
a 2b 2 q1 q 2 a 2q1 b 2q 2 r 2 2 2 b a r b 2 a2 2 2 2 2 a b q1 q 2 a q1 b q 2 2 2 2 2 2 b a r b a 2 2 2 2 1 ( a q b q ) r 1 ( q q ) a b 请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中 1 2 1 2 u 2 2 E E b a (b 2 a 2 )r
•砂岩、泥岩、碳酸盐岩、盐膏岩……
•层理、裂缝、断层……
井壁稳定的力学定义


坍塌压力：井壁不发生坍塌时的最低泥浆密 度： 若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够 的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本 身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。 破裂压力：使井眼产生拉伸破坏而漏失的井 内泥浆密度。
井壁稳定的力学定义
直井井眼周围地层Biblioteka Baidu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
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 )

z zz [ xx yy 2( xx yy )(
[
(1 2 ) ]( pi Pp ) 1
R2 ) sin r2 R2 ) sin r2
R 2 ) cos 2 4 xy sin 2 ] r
r xy (1 z zr
r 0
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
剪切破坏模型
压
缩 破
坏
轴向应力
剪切破坏
拉 伸 破 坏
拉伸破坏
当量钻井液密度ppg
22 MJSH Nov2007
拉伸破坏模型
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
常规地层井壁稳定分析方法
卢运虎
学习目标 1.井壁稳定的定义及影响因素。 2.井壁稳定的研究方法及流程。 3.钻井液密度对井壁稳定的影响及应用。
提纲 井壁稳定力学定义 井周应力分布 常规地层井壁稳定分析流程及方法
什么是井壁失稳？
研究意义
正断层活动应力状态 SHmax 略小于 Sv 井眼沿Shmin 方向钻进
没有能得到很好的解决。随着世界石油工业的不断发展， 勘探开发领域的拓宽，地质构造日趋复杂，钻井深度不断 增大，井壁稳定问题也更加突出， • 井眼失稳造成的事故损失十分巨大。据有关资料介绍，世 界范围内平均每年用于处理井眼失稳的费用高达80亿美元 之巨，消耗的时间约占钻井总时间的5％～6％。
研究意义
井壁稳定的力学定义
复杂地层钻井应考虑四压力剖面，即孔隙压力、坍塌压力、漏失压力及破裂压力，安全 钻井液密度窗口应大于孔隙压力与坍塌压力，小于漏失压力与破裂压力。
W ell: Dabei-101 Field: Made by: Date: Air Gap: 7.5 m W ater Depth: 0.0 m Mud W eight 0 1000 0.5 1 Pore Pressure Collapse Frac: Link-up (RKB), SG 1.5 2 2.5 Least Stress