井壁稳定性评价准则分析
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冯 永存 ， 金 根 ， 晓蓉 ， 宝华 邓 李 蔚
（ 国 石 油 大学 （ 京 ） 油 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 京 １ ２ ４ ） 中 北 石 北 ０ ２ ９
基 金 项 目 ： 家科 技 重 大 专 项 “ 型 油 气 田及 煤 层 气开 发 ” 课 题 “ 国 大 子 煤层 气钻 井工 程技 术及 装备 研 制 ” ２ ０ Ｚ ５ ３ （ ０ ８ Ｘ０ ０ ６）
摘 要 井壁 坍 塌 失 稳 大 多由 于 井周 岩 石 的 剪 切破 坏造 成 ， 剪切 破 坏 准则 的选 择 是 井 壁稳 定性 预 测 的关 键 因素 。 常使 而 通 用 的 Ｍｏ ｒ ｏ ｌｍ ｈ — ｕｏ ｂ准则 和 Ｄ ｕ ｋ ｒ ｒｇ ｒ 则都 存 在 明 显 的 缺 点 ， 使 井 壁稳 定性 预 测 结 果 不 准 确 于是 ， Ｃ ｒ ｃ ｅ— ａ ｅ 准 Ｐ 致 引进 了一种 新 的破 坏 准 则—— Ｍ０ Ｃ ｕｏ ｂ准 则 该 准 则 较 为 合 理 地 考虑 了 中 间主 应 力 对 岩 石 强度 的影 响 ， 强度 预 测 结 果 更 加 准 确 。 一 ｏ ｌｍ 使 为 验 证 其 优 势 ． 用岩 石 真 三轴 试 验 数 据 对 ３种 准 则 的 强度 预 测 结 果进 行 了对 比分 析 。 结 果表 明 ： 真 三 轴 应 力状 态 下 ， 利 在
式 中 ：为 一个 单调 递增 函数 ． 以是线性 函数 ， 可 以 厂 可 也 是 非线 性 函数 。 Ａ — ｉ ｉ Ｚｍｍｅ ｎ ｌ ｍ和 ｉ ｒ Ａ ｍａ Ｌ 建议 采 用 Ｍｏｉ 则 的线 ｇ准
性 形 式 分析 岩 石 破 坏行 为 ．并 将 线性 Ｍｏｉ 则 称 为 ｇ准 Ｍｏｉ ｏ ｌｍ （ — 准 则 ， 达式 为 ｇ Ｃ ｕｏ ｂ ＭＧ Ｃ） ． 表
于 中 国石 油 大 学 （ 北京 ） 油 ＿ 程 专 业 ， 石 Ｔ 主要 从 事 石 油 ］ 程 岩 石 力 ＿ 学 研 究 。电 话 ：０ ０ ８ ７ ３ １ － ８ Ｅ ｍａ ：ｏ ｇ ｕ ＿ ｅ ｇ ６ ． ｒ。 （ １ ） ９ ３ ９ １ １ ， — ｉ ｙ ｎ ｃ ｎ ｆｎ ＠１ ３Ｃ ｎ ｌ Ｏ
第 １ ９卷 第 ２期
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冯 永 存 ， ． 壁 稳 定 性评 价 准 则分 析 等 井
用 Ｍｏｉ ｏ ｌｍ （ ． ） 则 分 析 脆 性 地 层 的井 壁 稳 ｇ Ｃ ｕｏ ｂ ＭＧ Ｃ 准 — 定性 ｌ ， 很 少 有 学 者 对 该 准 则 预 测 岩 石 强 度 的 准 ｊ 但 。 确性 进 行研 究 。 为选 择 出最 能反 映钻 井实 际 中脆性 地层 破 坏行 为 的强 度准 则 ，根据 调研 到 的前人 所作 的真 轴试 验 数 据 ， ３种 准 则预 测岩 石强 度 的准确 性进 行 了对 比 ， 对 为
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钻 井过 程 中 ， 壁失稳 问题 严重 制约着 钻井 速 度 ， 井 并 造成 了巨大 的经济 损失 ｌ。统计 表 明 ， １ ］ 全球 每年 由井 壁 失稳 造成 的经 济损 失超 过 １ 美元 ，甚 至 可能 高达 亿 ｌ 美 元 ｌ 。钻井 实 际 中 ， ０亿 ２ － 经常 遇到 的一 类井 壁 失稳 问题 是脆 性地 层 中 的井壁 坍塌 ｌ。井壁 坍 塌一 般 为剪 ４ ］ 切 破 坏 ［， 以通 过 井 周 应 力分 析 结 合 适 当 的剪 切 破 ５可 ］ 坏 准 则进行 预测 。而 破坏 准则 的选取 是井 壁稳 定 性预 测 的关键 ， 国内外学 者提 出 了很 多不 同 的破坏 准则 ， 但 大 多存 在 明显 的不 足 之 处 ，令 钻井 工 程 师难 以选 择 。 Ｍｏ ｒ ｏ ｌ （ Ｃ 准 则 是 最 简单 ， 是 最 常 用 的 准 ｈ． ｕｏ Ｍ． ） Ｃ ｍｂ 也
则 。该 准则 忽 略 了中 间主应 力 ｏ 对 岩石 强度 的影 响 ， ｒ
然而很 多学 者通 过试 验证 明 ，在 很 多情况 下 这一 影 响 不能 忽 略 。Ｄ ｕ ｋ ｒ ｒｇ ｒＤ Ｐ 准则 考虑 了 中间 主 ｒｃ ｅ— ａｅ （ — ） Ｐ 应力 的影 响 ， 但是 学者 们认 为该 准则 预测 的岩 石强
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度过 高 。 。近 年 来 ， ｌＡｍｉ Ｚｍ ｒ ａ Ａ — － 和 ｉ ｍｅｍ ｎ提 利 ｊ
收 稿 日期 ：０ １ ８２ ； 回 日期 ：０ ２０ —３ ２ １－ ．０ 改 ０ ２ １—ｌｌ 。
作者 简介 ： 冯永存 ， ， ８ 年生 ， 男 １ ６ ９ 在读硕 士研究生 ， ０ 年毕 业 ２ ９ ０
断
块
油
气
田 ２１ ０ ２年 ３月
第 １ ９卷 第 ２期
Ｉ ’ ＡＵＩ ＢＬ 一 ０ＣＫ ０Ｉ ＆ ＧＡ Ｉ Ｉ Ｓ Ｆ ＥＴ Ｄ
文章 编 号 ： ０ ５ ８ ０ （ ０ ２ ０ — ２ ４ ０ １ ０ —９ ７ ２ １ ） ２０ ４ －５
井壁 稳 定 性 评 价 准 则分 析
关 键 词 破 坏 准 则 ： ｇ— ｕｏ Ｍｏ ｉ Ｃｏ ｌｍｂ准 则 ： 间主 应 力 ： 三 轴 试 验 数 据 ： 中 真 井壁 稳 定 性 中 图 分 类 号 ：Ｅ２ Ｔ １ 文献 标 志 码 ： Ａ
Ａｎａ ｙ ｉ ｆｆ ｉ ｅ ｃ ｉｅ ｉ ｎ ｎ ｗｅ ｌ ｒ ｔ ｂｉ ｔ ｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ｌ ｓｓｏ ａ ｌ ｒ ｔ ｒ ｏ ｓｏ ｌ ｕｒ ｂｏ ｅ ｓａ ｌ ｙ ｐ ｅ ｉ ｔｏ ｉ
Ｍｏｉ ｏｌｍ ｇ— ｕｏ ｂ准 则预 测岩 石 强度 的精 度 要 高 于 Ｍ ｈ—ｏｌｍ Ｃ ｏ ｒ ｕｏ ｂ准 则 和 Ｄｕ ｋｒ ｒｇｒ 则 ， 具 有 表 达 简单 、 用 方 便 、 Ｃ ｒｃｅ— ａｅ 准 Ｐ 且 使 预
测 结 果 准 确 等优 点 。 因此 ， 议 推 广 使 用 Ｍ ｇ— ｏ ｌｍ 建 ｏ ｉ ｕｏ ｂ准则 预 测 井壁 稳 定 性 。 Ｃ
Ａ ｂｓｒ ｔ ｔ ａｃ ：Ｗ ｅｌ ｏ ｅ ｃ ｌａ ｓ ｓ ｍｏ ｔｙ ｃ ｕｓ ｄ ｂ ｈ ｈ ａ ａｌ ｒ ｆｔｅ ｒ ｃ ｒ ｕｎ ｏ ｅ ｏ ｅ ｌｂ ｒ ｏｌ ｐ ｅ ｉ ｓｌ ａ ｅ ｙ ｔ ｅ ｓ ｅ ｒｆ ｉｕ ｅ ｏ ｈ ｏ ｋ ａ ｏ ｄ ｂ ｒ ｈ ｌ ．Ｏｎ ｆｔ ｅ ｏ ｉ ｅ ａｉ ｎ ｎ ｅ ｏ ｈｅ ｋ ｙ ｃ ｎｓｄ ｒ ｔｏ ｓ ｏ ｗｅｌ ｏ ｅ ｓａ ｉｉｙ ｐ ｅ ｃ ｉｎ ｉ ｈｅ ｃ ｏｃ ｆｓ ｅ ｒｆ ｉ ｅ ｃ ｉ ｒｏ ．Ｔｈ ｏ ｌｂ ｒ ｔ ｂ ｌｔ ｒ ｄｉｔｏ ｓｔ ｈ ｉｅ ｏ ｈ ａ ａｌ ｒｔ ｉ ｎ ｕｒ ｅ ｅ ｃ ｍｍ ｏ ｌ ｓ ｄ Ｍ ｏ ｒＣｏ ｌ ｍｂ ａ ｕｃ ｒＰｒ ｇ ｒｆｉｕ ｅ ｎ ｙ ｕ ｅ ｈ － ｕ ｏ ｎｄ Ｄｒ ｋｅ－ ａ ｅ ａｌ ｒ
冯 永存 ， 金 根 ， 晓蓉 ， 宝华 邓 李 蔚
（ 国 石 油 大学 （ 京 ） 油 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 京 １ ２ ４ ） 中 北 石 北 ０ ２ ９
基 金 项 目 ： 家科 技 重 大 专 项 “ 型 油 气 田及 煤 层 气开 发 ” 课 题 “ 国 大 子 煤层 气钻 井工 程技 术及 装备 研 制 ” ２ ０ Ｚ ５ ３ （ ０ ８ Ｘ０ ０ ６）
摘 要 井壁 坍 塌 失 稳 大 多由 于 井周 岩 石 的 剪 切破 坏造 成 ， 剪切 破 坏 准则 的选 择 是 井 壁稳 定性 预 测 的关 键 因素 。 常使 而 通 用 的 Ｍｏ ｒ ｏ ｌｍ ｈ — ｕｏ ｂ准则 和 Ｄ ｕ ｋ ｒ ｒｇ ｒ 则都 存 在 明 显 的 缺 点 ， 使 井 壁稳 定性 预 测 结 果 不 准 确 于是 ， Ｃ ｒ ｃ ｅ— ａ ｅ 准 Ｐ 致 引进 了一种 新 的破 坏 准 则—— Ｍ０ Ｃ ｕｏ ｂ准 则 该 准 则 较 为 合 理 地 考虑 了 中 间主 应 力 对 岩 石 强度 的影 响 ， 强度 预 测 结 果 更 加 准 确 。 一 ｏ ｌｍ 使 为 验 证 其 优 势 ． 用岩 石 真 三轴 试 验 数 据 对 ３种 准 则 的 强度 预 测 结 果进 行 了对 比分 析 。 结 果表 明 ： 真 三 轴 应 力状 态 下 ， 利 在
式 中 ：为 一个 单调 递增 函数 ． 以是线性 函数 ， 可 以 厂 可 也 是 非线 性 函数 。 Ａ — ｉ ｉ Ｚｍｍｅ ｎ ｌ ｍ和 ｉ ｒ Ａ ｍａ Ｌ 建议 采 用 Ｍｏｉ 则 的线 ｇ准
性 形 式 分析 岩 石 破 坏行 为 ．并 将 线性 Ｍｏｉ 则 称 为 ｇ准 Ｍｏｉ ｏ ｌｍ （ — 准 则 ， 达式 为 ｇ Ｃ ｕｏ ｂ ＭＧ Ｃ） ． 表
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第 １ ９卷 第 ２期
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冯 永 存 ， ． 壁 稳 定 性评 价 准 则分 析 等 井
用 Ｍｏｉ ｏ ｌｍ （ ． ） 则 分 析 脆 性 地 层 的井 壁 稳 ｇ Ｃ ｕｏ ｂ ＭＧ Ｃ 准 — 定性 ｌ ， 很 少 有 学 者 对 该 准 则 预 测 岩 石 强 度 的 准 ｊ 但 。 确性 进 行研 究 。 为选 择 出最 能反 映钻 井实 际 中脆性 地层 破 坏行 为 的强 度准 则 ，根据 调研 到 的前人 所作 的真 轴试 验 数 据 ， ３种 准 则预 测岩 石强 度 的准确 性进 行 了对 比 ， 对 为
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则 。该 准则 忽 略 了中 间主应 力 ｏ 对 岩石 强度 的影 响 ， ｒ
然而很 多学 者通 过试 验证 明 ，在 很 多情况 下 这一 影 响 不能 忽 略 。Ｄ ｕ ｋ ｒ ｒｇ ｒＤ Ｐ 准则 考虑 了 中间 主 ｒｃ ｅ— ａｅ （ — ） Ｐ 应力 的影 响 ， 但是 学者 们认 为该 准则 预测 的岩 石强
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收 稿 日期 ：０ １ ８２ ； 回 日期 ：０ ２０ —３ ２ １－ ．０ 改 ０ ２ １—ｌｌ 。
作者 简介 ： 冯永存 ， ， ８ 年生 ， 男 １ ６ ９ 在读硕 士研究生 ， ０ 年毕 业 ２ ９ ０
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第 １ ９卷 第 ２期
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文章 编 号 ： ０ ５ ８ ０ （ ０ ２ ０ — ２ ４ ０ １ ０ —９ ７ ２ １ ） ２０ ４ －５
井壁 稳 定 性 评 价 准 则分 析
关 键 词 破 坏 准 则 ： ｇ— ｕｏ Ｍｏ ｉ Ｃｏ ｌｍｂ准 则 ： 间主 应 力 ： 三 轴 试 验 数 据 ： 中 真 井壁 稳 定 性 中 图 分 类 号 ：Ｅ２ Ｔ １ 文献 标 志 码 ： Ａ
Ａｎａ ｙ ｉ ｆｆ ｉ ｅ ｃ ｉｅ ｉ ｎ ｎ ｗｅ ｌ ｒ ｔ ｂｉ ｔ ｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ｌ ｓｓｏ ａ ｌ ｒ ｔ ｒ ｏ ｓｏ ｌ ｕｒ ｂｏ ｅ ｓａ ｌ ｙ ｐ ｅ ｉ ｔｏ ｉ
Ｍｏｉ ｏｌｍ ｇ— ｕｏ ｂ准 则预 测岩 石 强度 的精 度 要 高 于 Ｍ ｈ—ｏｌｍ Ｃ ｏ ｒ ｕｏ ｂ准 则 和 Ｄｕ ｋｒ ｒｇｒ 则 ， 具 有 表 达 简单 、 用 方 便 、 Ｃ ｒｃｅ— ａｅ 准 Ｐ 且 使 预
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Ａ ｂｓｒ ｔ ｔ ａｃ ：Ｗ ｅｌ ｏ ｅ ｃ ｌａ ｓ ｓ ｍｏ ｔｙ ｃ ｕｓ ｄ ｂ ｈ ｈ ａ ａｌ ｒ ｆｔｅ ｒ ｃ ｒ ｕｎ ｏ ｅ ｏ ｅ ｌｂ ｒ ｏｌ ｐ ｅ ｉ ｓｌ ａ ｅ ｙ ｔ ｅ ｓ ｅ ｒｆ ｉｕ ｅ ｏ ｈ ｏ ｋ ａ ｏ ｄ ｂ ｒ ｈ ｌ ．Ｏｎ ｆｔ ｅ ｏ ｉ ｅ ａｉ ｎ ｎ ｅ ｏ ｈｅ ｋ ｙ ｃ ｎｓｄ ｒ ｔｏ ｓ ｏ ｗｅｌ ｏ ｅ ｓａ ｉｉｙ ｐ ｅ ｃ ｉｎ ｉ ｈｅ ｃ ｏｃ ｆｓ ｅ ｒｆ ｉ ｅ ｃ ｉ ｒｏ ．Ｔｈ ｏ ｌｂ ｒ ｔ ｂ ｌｔ ｒ ｄｉｔｏ ｓｔ ｈ ｉｅ ｏ ｈ ａ ａｌ ｒｔ ｉ ｎ ｕｒ ｅ ｅ ｃ ｍｍ ｏ ｌ ｓ ｄ Ｍ ｏ ｒＣｏ ｌ ｍｂ ａ ｕｃ ｒＰｒ ｇ ｒｆｉｕ ｅ ｎ ｙ ｕ ｅ ｈ － ｕ ｏ ｎｄ Ｄｒ ｋｅ－ ａ ｅ ａｌ ｒ