复杂碳酸盐岩地层井壁失稳机理分析

向发生盐拱, 其下部介质发生拱起, 中部介质发生滑 移, 上部介质 发生拉张开裂。钻遇该类地层时容易引起井塌, 其长轴走向与该
地区地层走向、主要断裂走向、最小 应力方 向平行。 因此在盐 膏
岩地层常导致井眼缩径、坍塌、甚至 发生遇阻、卡 钻事故, 更有 甚
者, 蠕变的盐膏岩层将套管挤坏。 ( 1)盐膏岩蠕 变分 析。盐膏 岩有着 较为 明显 的岩石 时效 特
增大。温度越高, 发生稳定蠕变和 加速蠕 变的时 间越早, 岩石 的 长期强度越低, 越容易进入加 速岩和白云岩组成, 由物理化学因素造成的井壁
失稳现象较少, 为此本文主要从力 学因素 入手, 研究 碳酸盐岩 井
壁失稳的机理。
2. 1 地应力性井眼崩落机 理 钻井过程被认 为是 一种 以钻 井液 替代 井眼 处岩 石的 过程。
由于三个不同大小的主应力支 撑的岩 石被三 向应力 相同的流 体
反之也不能认为泥 浆密 度不 大就 一定 能保 证地 层不 被压 裂, 关
键要看泥浆 密度 与 地应 力相 互 间的 关系 是 否 构成 井 壁压 裂 条
件。
( 3)井壁剪切错动破裂的机 理。在裂缝地 层段, 过大的泥 浆 密度将降低裂缝的闭合压力, 减小 裂缝面 的摩擦 力, 于是当裂 缝
面受到较大的剪切 应力 作用 时, 就很 容易 使得 裂缝 面两 侧的 地 层发生相对剪切滑 动而 造成 井筒 错位, 其 错位 的规 模随 着泥 浆
性破裂条 件。即 Pm 越大, S m in越小, 越易压 裂; H 与 h 差别 越
大 (但通常不会出现 H > 3 h 的情况 )。因 此 3 h - H 越小, 使
S m in越小,
此时即使
Pm 较小,
也可能出现
S
m
小到
in
导致井壁
被破
裂的情况, 所以决不能认为地层 被压裂就 一定是 泥浆密 度过大,
S - Sr = cos + ( S + Sr ) cos
( 6)
2
2
则井壁将在这一 平面上发生崩落。
用摩尔圆图也 很容 易给 出这 一破 裂条 件, 即在 切向 应力 轴
上 ( 纵轴 )画出 点, 它意味着岩石 的起始 剪切强度, 然 后过 作 一条倾角等于内 摩擦 角 的 直线, 如该 直线 与摩 尔圆相 切或 相
征, 在较低应力水平下有比较明显 的蠕变 变形的 3个阶 段, 即 瞬 态蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕 变阶段。 围压对 蠕变曲线 产
生影响, 即岩样 的变 形 快慢 与 岩石 所 受 的侧 限 压力 有 关, 围 压 (侧限压力 )越大, 变形率越小, 进入稳 态蠕变和加 速蠕变的 时间
越晚, 第Ⅱ阶段越明显, 越 不容易进 入加速 蠕变阶 段。温度也 将 对蠕变曲线产生影 响, 岩样 的变 形率 随岩 样所 处温 度的 增加 而
量判别式如下:
1+
f2 [ Sx ( 1+
2a b
)
-
Sy + 2
(
p1 b
q)
a ]
-
2
fq
2
( 7)
式中: 、f 岩 石内摩擦系数和内摩擦角; a、b 椭 圆井眼长轴半径和短轴半径;
q、pi 钻井液压差和钻井液自重。 当上述判别式 成立, 则 井壁 上满 足这 一条 件的 那点 就是 开 始崩落的起点, 而其它大于 2 的点当然也已崩落, 由 此可以计算
井壁稳定问题是 钻井工程中所 遇到的一 个十分 复杂的 世界 性难题, 迄今还没有 研究出 可以 彻底 解决 这个 问题 的一 套完 整 的有效方法, 为此人们更加重视 井壁失 稳机理 的研究, 以求 在井 壁稳定技术方 面获得 新的 突破。井 壁失稳 一般 表现 为坍 塌 (扩 径 ) 、缩径、破裂等形式。井壁坍塌是井 壁失稳 最常见 的形式, 据 有关资料统计 [ 1] , 约有 70% 的井壁失稳是井壁坍塌 或掉块, 坍塌 主要发生在水平 主应力 不平 衡的 地层, 而 缩径 常发 生在 具有 蠕 变性的盐膏岩地层, 或具有塑性和流变性的灰岩地层。井壁破裂 也往往出现在裂 缝或胶 结性 差的 地层, 甚 至无 胶结 物的 易碎 性 岩层中。碳酸盐 岩地层 中, 井壁 失稳的 常见 地层有 五类: ( 1) 地 应力不平衡地层; ( 2)盐 膏岩地 层; ( 3)塑 性和流变 性灰 岩地 层; ( 4)裂缝较发育的地 层; ( 5)胶结性差的破碎性地层。 2 碳酸盐岩井壁失稳机理分析
井壁不稳定 是钻 井工程 中经 常遇 到的 井下 复 杂情 况之 一, 具体包括井眼缩径、坍塌、井 漏、井涌及 卡钻等, 特别 是在新 地区 的勘探井、深井与超深井中, 常常由 于不掌握 井下地 层的组 成与 特性, 钻井、钻井液技术与地 层不匹 配, 造成井 眼严重 失稳, 从而 导致卡钻、划眼, 泥包钻头等各 种复杂事故, 甚至使油井报废。已 有学者在井壁失稳机理方面作 了许多研究工作 [ 4~ 6], 以求在钻井 过程中保持井壁稳定 。但是, 许多工作都是针对砂泥岩剖面中的 泥页岩井壁失稳 而开展 的, 就碳 酸盐 岩井 壁失 稳机 理方 面的 研 究工作开展的较 少。然 而, 井壁 失稳 不仅 仅在 砂泥 岩地 层中 存 在, 在碳酸盐岩地层中也司空可见, 尤其是对地应力不平衡地层、 盐膏岩地层或 裂缝较 发育 的地 层等 [ 2] 。为 此, 针对 碳酸 盐岩 地 层井壁失稳的这几类 常见地层, 逐一进行井壁失稳的机理分析。 1 碳酸盐岩井壁失稳常见地层类型
尔圆向左移动, 使之很容易与剪 切破裂线 相交而 发生井 壁崩落; 水平地应力 H 、 h 的影响: H 、 h 差别越大, S m ax越大, 即水 平地 应力的非平衡性越强, 越易造成井壁应力崩落。
( 2)井壁张性 应力 压裂的 机理。井 壁的 张性 压裂实 质是 张
性应力对井壁表面 在径 向上 的张 裂, 而不 是对 过井 壁的 某一 平 面的剪切破裂, 因此定量分析中 不需要再 引入切 向和法 向应力,
所替代, 尤其是被应力 低于 原来 岩石 柱中 的任 何应 力的 流体 所
代替, 井眼的局部应力将受到干扰。这种应力的变化使井眼周围 的岩石产生变形或破裂。在井眼未钻开前, 地下岩石受上覆地层
压力、水平地应力及孔隙压力的作用且处于应力平衡状态。井眼
钻开后, 井壁岩石受轴向应力、切向应力、径向应力和孔隙压力的
密度的增加, 裂缝的发育, 构 造应力 非平衡 性的加 剧而增 大。显
然这种井壁剪切错动必将造成严重的卡钻 事故。
2. 2 盐膏岩层的蠕变
盐膏岩层主要含有盐岩、膏岩、含盐 ( 膏 )泥岩 等。在高温 高 压下易产生塑性流动, 即蠕变。盐 膏岩层 在沉积 初期, 一般为 层
状沉积, 但它受自身的 重力 影响 或构 造应 力的 作用 而使 其发 生 变形或流动, 向围岩发生渗透, 经过长期地质年代, 盐垫向盐丘方
+
( S eff - Sre ff) 2
cos2
( 4)
正是这些有效切向和法向应力直接影 响着井壁失稳问题。
为了定性和直 观地 研究 这种 影响 的程 度, 通常 用摩 尔圆 来
① 本研究受教育部 411项目资助
西部探 矿工程
D ec. 2005
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N o. 12
表示, 即以切向应力为纵坐标, 法向应力为横坐标, 在法向应力轴
平面上将产生一个切向应力
、一个法向应力
s
n, 设与平面法线
的夹角为 , 则可导出 :
s=
S (
+ Sr) 2
s in2
( 1)
n=
(S
+ Sr ) + 2
(S
+ Sr) 2
co s2
( 2)
其有效切向和法向应力分别为:
se ff =
( S eff 2
Sreff ) s in2
( 3)
neff =
( S eff + Sre ff ) 2
上(
S
eff+ 2
Sre ff
)为圆
心,
(
S
e ff
2
Sre ff
)
为
半径
画一 个圆。规
定横
坐
标正半轴为正, 即为法向压应力, 负半轴为法向张应力 (见图 1)。
图 1 应力摩尔圆示意图
( 1)井壁剪 切应 力崩落 的机 理。井壁 岩石 的应力 崩落 是一
种剪切破坏形式, 它应满足库仑 纳维条件:
s = + n tan
出井壁崩落的宽度。
用该方程就可 分析 泥浆 压力、水 平构 造地 应力 对井 壁崩 落
的影响。当泥浆 压力 Pm 过 小时, 使 Sr 很小, n 很 大, 使 摩尔 圆 半径 ( S - Sr ) /2变大, 于是很容易 与剪切破 裂线相交, 发生 井壁 崩落。当 Pm 过大时, 使 S 太小, Sr 太大, 甚至 使 S 变负, 于是摩
刘之的 1, 牛林林2, 汤小燕 1
( 1. 西南石油学院研究生院, 四川 成都 610500; 2. 中油测井长庆事业部, 陕西 西安 710000)
摘 要: 研究井壁失稳机理是进行井壁稳定性评 价的基 础, 也是给出 其防范 措施的 依据。针 对复杂 碳酸盐岩 地层井 壁 不稳定的五类 地层, 即地应力不平衡地层、盐膏岩地层、塑 性和流 变性灰岩 地层、裂缝 较发育 地层以 及胶结性 差的破 碎 性地层, 主要分析研究了井壁剪切应力崩落的机理、井壁张性应力压裂的机 理及井壁剪 切错动破 裂的机理; 并对盐膏 岩 的蠕变与塑性变形的因 素进行概述; 最后对后三 类地层 的井壁 失稳机 理作了 简要分 析。通过对 井壁失 稳机理 的分析, 弄清了碳酸盐岩地层井 壁失稳的内在因素, 进而 指出相应 的防范 措施, 以求 在碳酸盐 岩地层 中保持 安全、快速、优质 地 钻进。 关键词: 碳酸盐岩; 井壁 失稳; 机理; 地应力; 分析
负, 即成为张性应力。一旦该张应力超过 岩石的抗 张强度 t, 则
井壁发生张性破裂, 即产生张性压裂缝。它的判别式可表示为:
S eff = - t 或写成: Pm = 3 h - H - Pp - t
Pp = 3 h - H - Pm + t
( 9) ( 10)
( 11)
它们清楚地表明了泥浆密 度和地 层压力 如何影 响井壁的 张
而直接用井壁周边切向应力就行了。分析井下就地 应力可知, 在 最大水平主应力方向上有最小的有效井周 切向应力:
S eff = 3 h - H - Pp - t
( 8)
显然, 该有效井周切向应力将随着泥浆柱压力 Pm、孔隙 流体
压力 Pp 的增大而 减小, 当 Pm 或 Pp 足 够大 时, 可使 它由 正变 为
( 5)
式中: s 岩石剪切破裂应力, 它由两部分组成, 一是粘聚力 ,
表示岩块的 内聚 力; 二 是 内摩 擦 力, 为 法向 应 力与 内 摩 擦系 数
tan 的乘积;
内摩擦角。
当该条件得到满 足时, 即在一定 的 S eff和 Sreff作用 于某 一个 井壁且平行于井轴的平面 (对应于一个相应的 角 )上的 切向和 法向应力使库仑 纳 维条件成立:
交, 则井壁发生剪切破裂, 显然 这时满足式 ( 6) 。 井壁发生初始崩 落后, 成为 椭圆井 眼, 此 时井壁 附近的 应力
场将发生重新分布, 在这种新应 力场作 用下, 井壁可 能就此 处于 稳定状态, 不再崩落; 但也 可能继 续崩落。这 就取决 于井眼 的形
状、大小、应力场的状态、岩石力学性质等因素。其能否崩落的定
井壁失稳的原 因是 多方 面的, 一 般认 为主 要是 力学 和物 理 化学这两方面 的因素。 已有 研究 表明 [3] , 物理 化学 过程 最终 都 将导致地层内部 应力和 岩石 力学 性质 改变, 因 而井 壁稳 定问 题 最终都要归 结 为 一 个 力 学 问 题。 况且 对 于 碳 酸 盐 岩 剖 面, 约
总第 116期 2005年第 12期
西部探矿工程 W EST - CH INA EXPLORAT ION ENG INEER ING
ser ies N o. 116 Dec. 2005
文章编号: 1004 5716( 2005) 12 0185 03
中图分类号: P634 1 文献标识码: B
复杂碳酸盐岩地层井壁失稳机理分析①
作用, 钻井液柱压力取 代了 被钻 开岩 层提 供的 支撑 而破 坏了 原
有的平衡, 无疑会引起井眼周围的岩石应力状态的重新分布。如 果这些重新分布的应力超过岩 石抗压 强度或 抗拉强 度而平衡 不
了原地应力时, 就会导致井壁失稳。
分析井下就地应力 Sr 和 S 对井壁 上过 角 处某 一平面 的
作用应力, 该 平面与 Sr 和 S 决 定的平 面相垂 直。 Sr 和 S 在 该