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：
K
[ 1 ] [ c ]
[c]为岩石允许承载的能力，[1]为岩石实际承受载荷。
当K>1时，井眼发生塑性变形；
当K＝1时，岩石处于极限平衡态;
当K1时，井壁稳定。
井壁稳定性判别模型
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：
( Max Pp ) ( Min Pp ) tg C o
其中，c、分别为内摩力和内摩擦角，Co为岩石的 单轴抗压强度。
坍塌压力极限（P坍）: 保证井壁不发生剪切变形的钻井液柱压力极限
五、井壁稳定性判别模型
令
[ 1 ] ( Max Pp ) ( Min 1 Sin Pp ) 1 Sin
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 )
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
(1 2 ) z v [2( H h ) cos 2 ] [ ]( P Pp ) 1
3 St
,
Pt
推导！
不考虑非线性修正，直井坍塌、破裂压力公式：
3 H h 2 C K K 2 1 P K 1
2


K ctg(45 ) 2

Pf 3 h H P St
注意各符号表示的物理意义。
定向井井周地层应力状态
……
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
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
请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中
直井井眼周围地层应力状态
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
S t Pf Pr
地层倾角测井确定地应力方位
主地应力方向
H
泥浆密度低，井壁坍塌 椭圆井眼长轴在最小水 平地应力方位
坍塌压力、破裂压力
n tg C
(e)
(a)
z r
(b)
z r
(c)
z r
(d)
r z
r 且 t
(f) r 且 r t
常见井壁力学破坏模式示意图 (（a）～（d）剪切破坏失稳； （e）～(f) 张性破裂失稳)
2
3R 4 2 R 2 (1 4 2 ) sin 2 r r
70 60 50 40 30 20 10 0 10.8
20.8
30.8
40.8
50.8
60.8
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 10.8 20.8 30.8 40.8 50.8 60.8
直井井眼周围地层应力状态
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
井壁稳定性原理
原地应力状态
力学本构方程
井眼周围地层的受力状态 井眼周围地层能够承受的力
岩石的强度
强度判 别准则
井 壁 稳 定
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
z
3
β
z1 o γ
y
r
θ x
α
y1 α
2 1
β x1
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
东营组地层斜井井壁稳定性分析
最大水平地应力方位： 井壁破裂风险最高
破裂压力随井 斜方位的变化
安全泥浆密度窗口
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
井壁稳定性研究
井壁稳定研究的意义
1、提高钻井成功率 2、确保井眼按设计要求，按时、保质地完成
钻穿和钻达设计要求的所有目的层，钻达到设计井 深和层位 按时完成钻井完井任务 井身质量好，满足各种测试要求 钻井成本合理
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
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
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
井壁失稳机理研究的基本力学方法：
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
钻井合理泥浆密度的确定
P破、P坍由地层的原地应力、地层岩体的力学 性质、强度、地层倾角、井斜、方位……因 素所确定。
若P坍＞0，则井壁不稳，只有用泥浆柱压力 平衡； 防塌必须提高泥浆密度。
钻井合理泥浆密度的确定
一般情况： P地＞ P坍； ΔP =P破- P地； 但泥浆作用将使P坍上升， P破下降，则： ΔP 减小：
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
min
(1 2 ) P 3 h H [ ]( P Pp ) 1
2 2
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
（I） 3e < 1e < 2 e （II) 1e < 3e < 2 e （III) 3e < 2 e < 1e
对应的Mohr-Coulomb表达式：
1e =C0+ 3e tg
2e =C0+ 3e tg 2 e =C0+ 1e tg
井 壁 失 稳 常 见 力 学 模 式
( 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
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
钻井合理泥浆密度的确定
1、裸眼井段的三个压力剖面
P破——地层破裂压力 P地——地层压力 P坍——地层坍塌压力
钻井合理泥浆密度的确定
2、裸眼井段钻井的安全压力（泥浆密度）窗口：
P泥——泥浆柱压力 若： P泥＞ P破 则：井漏 P泥＜ P地 则：井喷 P泥＜ P坍 则：井塌
钻井合理泥浆密度的确定
安全压力（密度）窗口：ΔP
h min
A
A
h max
井壁稳定性判别模型 Mohr-coulomb准则--剪切破坏判别准则
Shear Stress
Shear Stress
q´ r´
Min Stress
q´
r´
Unstable Stress State r´ q´ Effective Compressive Stress
Stable Stress State
Max Stress
r´
q´
Effective Compressive Stress
五、井壁稳定性判别模型
Mohr-coulomb准则--剪切破坏判别准则 1 Sin 2cCos ( Max Pp ) ( Min Pp ) 1 Sin 1 Sin
使ΔP =P破- P坍( P坍上升并大于P地），从而引发一系
列问题，所以，合理确定泥浆密度，必须充分考虑泥
浆的物理-化学作用：即从岩石力学与流体力学和化
学的耦合作用综合考虑。
井壁稳定性分析的参数获取
地应力
地应力的确定方法 岩石机械强度的获取
典型的水力压裂试验曲线
监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力