井壁稳定研究

1、地层孔隙压力计算

根据处理得到地层声波时差资料，采用Eaton 法进行地层压力计算。Eaton 法地层压力计算模型如下：

()()n

p op op w n G G G t t ρ=--∆∆

式中，p G —井深H 处的地层孔隙压力，g/cm 3； o p G —井深H 处的上覆岩层压力梯度，g/cm 3；

w ρ—井深H 处的地层水密度，g/cm 3；

n t ∆—井深

H 处的正常压实时的声波时差值，/s ft μ；

t

∆—井深H 处的实测声波时差值，/s ft μ；

n —Eaton 指数。

经试算分析得到了适用于泌阳区块的Eaton 指数n ＝0.2，取地层水密度w

ρ＝0.991 g/cm 3。

安3006井地层孔隙压力图

2、地层分层地应力计算模型

地应力是影响地层破裂压力的一个重要因素，它是一个客观存在的岩石内应力，它来源于上覆地层的自重和地质构造力。对于不同井深及不同力学性质的地层，地应力的值是不同的。采用下列地应力计算模型：

⎪⎪

⎩

⎪⎪⎨

⎧+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+-⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+-=P P P P p v h p p v H αασωμμσαασωμμσ)(1)(121 式中：ωω12,—构造应力系数；

v h H σσσ,,——水平最大、最小地应力和上覆压力； p P ——孔隙压力；μ——地层泊松比；

α——有效应力系数。

泌阳凹陷的地层构造应力系数w 1＝0.64，w 2＝0.34。（按照压裂数据估算）

3、用库仑——摩尔强度准则计算坍塌压力

式（4-13）中的r ''σσθ和分别为井壁坍塌处的最大和最小有效主应力，将它们代入库仑—摩尔强度条件（4-8）式，便可求得保持井壁稳定所需的钻井液密度计算公式为：

2

122

(3)2(1)

100

()h h p m C K ap K K H

ησσρη--+-=

⨯+

)245cot(Φ-

︒=K

式中，H ——井深，m ； m ρ——钻井液密度，g/cm 3

4、地层破裂压力的确定方法

破裂压力是井眼裸露地层在井内泥浆柱压力作用下使其起裂或原有裂缝重新开启的压力，它是由于井内泥浆密度过大使井壁岩石所受的周向应力超过岩石的抗拉强度造成的。

假设井眼处于平面应变状态，根据岩石力学理论，可求得非均匀地应力作用下井壁产生拉伸破裂时的井内泥浆柱压力即破裂压力的计算模型为：

()21f V p p t

P Q P P S μσααμ⎛⎫=--++ ⎪-⎝⎭

；H

P f f =

ρ

式中：f P —地层破裂压力(MPa)；f ρ—地层破裂压力梯度（g/cm 3）；

213ϖϖ-=Q —构造应力系数；p P —地层孔隙压力；

t S —地层抗拉强度；V

σ—上覆地层压力；

μ—泊松比；α—有效应力系数。

安3006井地层三压力图

5、定向井井壁稳定性分析 5.1斜井井壁应力研究

对于广义平面应变条件下的斜井井眼（图4-29所示，井眼初始形状为圆形），受三向地应力的作用，在井壁岩石为弹性状态，且考虑地层渗透作用时，井壁某点处所受的三个主应力为：

()()[]()[]⎪⎪

⎪

⎩

⎪

⎪⎪⎨⎧

+-Y --=+-Y +-=-⋅⋅-==2

1

21

01212121212121Z P P X Z P P X P P P m m k m m j m m r i σσφδσσ

式中：

()()()()()

0111212P P F C E B D A X m v H h -⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡---⋅++++++=φνναδσσσ

()()()v H

h F C E B D A Y σσ

σ-+-+-=

()2

4v H h J H G Z σσσ++=

h σ、H σ、V σ-分别为最小、最大水平主地应力及上覆地层压力；

m P －泥浆柱压力；0

P －地层孔隙压力；

0φ－地层孔隙度；1α－有效应力系数；

ν－泊松比。

A 、

B 、

C 、

D 、

E 、

F 、

G 、

H 、J －是井斜角、方位角及位置角的函数，且有：

(){}(

)βθθββθαα2

2

sin

2cos 212sin 2sin 2cos 2cos 21cos cos +++-=A

(){

}()βθθββθαα2

2

cos 2cos 212sin 2sin 2sin 2cos 21cos cos +++-=B

()α

θ2

sin 2cos 21-=C

(

)αββθνθαβναβ22

22

2

cos sin cos 2cos 22sin cos 2sin 2sin cos -++=D

()αββθνθαβναβ2

2

2

2

2

cos sin cos 2cos 22sin cos 2sin 2sin sin

-+-=E

θαβθαβsin 2sin sin

cos sin 2sin 2

-=H θαsin 2sin =J

()

θαβθαβsin 2sin cos cos sin 2sin 2

+-=G θ

ανα2

22cos sin 2cos -=F

式中：

α－井斜角；β－井斜方位角（最小水平主地应力的方位为0）；θ－井周角。

图5-1 斜井井眼应力分析坐标转换示意图