基于Flac3D的井壁穩(wěn)定性數(shù)值分析

張 笑(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

李蘭琴，梁玉紀(jì)(中石油長慶油分公司第一采油廠，陜西 延安716000）

井壁穩(wěn)定性問題是指鉆井過程中井壁的張性破裂(井漏）和剪切坍塌(井塌）問題，它是鉆井中常遇到的井下復(fù)雜情況，嚴(yán)重地影響著鉆井的速度、質(zhì)量及成本，對部分新探區(qū)還會因井壁不穩(wěn)定而無法達(dá)到目的層，延誤勘探開發(fā)速度，影響其綜合經(jīng)濟(jì)效益。因此，井壁穩(wěn)定性問題一直以來都是鉆井研究的熱點(diǎn)問題之一。

評價井壁穩(wěn)定的常用強(qiáng)度判別準(zhǔn)則有很多，主要有線性Mohr-coulomb準(zhǔn)則、Druck-Prager準(zhǔn)則、非線性Pariseau準(zhǔn)則和Hoek-Brown準(zhǔn)則[1]。在這些準(zhǔn)則中，Mohr-coulomb準(zhǔn)則最常用，而且其預(yù)測結(jié)果也被認(rèn)為最切合實(shí)際。Flac是美國Itasca公司開發(fā)的一種用于工程力學(xué)計算的有限差分程序，是近年來逐步完善起來的一種新型數(shù)值分析方法，它克服了離散元法的缺陷，吸取了有限元法的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種材料模型及邊界條件的非規(guī)則區(qū)域連續(xù)問題的求解[2]。Flac3D軟件采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動。下面，筆者選用Mohr-coulomb準(zhǔn)則和Flac3D軟件，經(jīng)本構(gòu)模型-單元與網(wǎng)格生成-邊界條件和初始條件-計算步驟來獲得模型的初始平衡狀態(tài)，即鉆前地層應(yīng)力狀態(tài)，然后進(jìn)行工程開挖或改變邊界條件來進(jìn)行工程的響應(yīng)分析，類似于Flac的顯式有限差分程序的問題求解，進(jìn)行一系列計算后達(dá)到問題的解——鉆后井壁的縮徑值。

1 地層模型的建立

以大港油田某口井的數(shù)據(jù)資料為例，該井井深共5350m，筆者只選取其中地面到地下深度2900m處建立有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬。首先建立一個10m×10m×2900m的地層模型，利用Flac3D建立模型如圖1所示，各層的地層參數(shù)選擇如表1所示。建立邊界束縛條件，設(shè)定求解模型就可以計算出地層的初始應(yīng)力狀態(tài)。

2 初始地應(yīng)力場的求解

所建模型的初始平衡狀態(tài)就是設(shè)計井眼位置地層的初始應(yīng)力場，也就是模擬開挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。初始地應(yīng)力場是在沒有鉆井之前，地層所處的一個穩(wěn)定狀態(tài)。筆者在求解初始地應(yīng)力場時采用彈性本構(gòu)模型。應(yīng)用Flac3D得到不同深度上的應(yīng)力值大小及范圍。圖2分別是z=0、-500、1000、-1500、-2000、-2500、-2900m時X方向和Y方向的初始地應(yīng)力。

圖1 初始地應(yīng)力條件下的地層網(wǎng)格圖

表1 2900m的巖性及數(shù)值模擬中各層參數(shù)的取值

3 建立井眼模型

Flac的求解時間t和網(wǎng)格的數(shù)目N有密切的關(guān)系，時間t與N4／3成正比，如果建模的網(wǎng)格數(shù)目過大，求解的時間非常長，所以筆者對于井眼模型只建模到地下1000m的井深。而地層的初始地應(yīng)力，即為鉆井之前整體的地層，建模到地下2500m的井深，算出的地應(yīng)力已經(jīng)用圖的方式給出了。

圖2 z=0、-500、-1000、-1500、-2000、-2500、-2900m時，X方向和Y方向的初始地應(yīng)力

建立井眼模型參照的參數(shù)是如表2所示的鉆頭尺寸?？梢钥闯鲈?m到1000m這個范圍內(nèi)，鉆出的井眼直徑是660．4mm和444．5mm，對于實(shí)際的井壁穩(wěn)定性分析相差不大，所以統(tǒng)一取660．4mm的井眼尺寸，便于計算和建模。利用Flac建立的井眼模型如圖3所示，其中soil-1為地層，soil-1-1為井眼，即被鉆進(jìn)的空間。

表2 模型尺寸參數(shù)

4 井壁穩(wěn)定性分析

在分析井壁穩(wěn)定性的時候，最直觀的數(shù)據(jù)是井眼的變形，利用Flac計算了初始應(yīng)力狀態(tài)后，再進(jìn)行鉆進(jìn)的計算，當(dāng)鉆后的地層達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)時，井眼的變形可以視為井壁穩(wěn)定分析的一個指標(biāo)。由于主旨是表現(xiàn)井眼的變化情況，因此筆者僅列出井深250m和500m處內(nèi)的井眼變形情況。圖4為井深250m處，井眼的尺寸變化為0．089m，即縮徑0．089m；圖5為井深500m處，井眼的尺寸變化為0．12m，即縮徑0．12m。同樣，可以得到任意深度的井眼變化數(shù)值，用以直觀準(zhǔn)確的表征研究位置的井壁穩(wěn)定性。

通過計算可以看出，在500m處有發(fā)生縮進(jìn)或是井壁坍塌的潛在危險，在鉆進(jìn)過程中要謹(jǐn)慎對待，這說明運(yùn)用Flac3D對井眼穩(wěn)定性進(jìn)行分析具有可行性和明顯的優(yōu)越性，并且從定性的分析上升到了定量的分析，較為準(zhǔn)確。

圖3 井眼模型俯視圖

圖4 井深250m處井眼的尺寸變化

圖5 井深500m處井眼的尺寸變化

5 結(jié) 語

筆者所用的軟件是基于連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法，其主要的工作是建模、參數(shù)輸入、計算。其中參數(shù)的確定是至關(guān)重要的，確定不同巖性的數(shù)值計算參數(shù)最方便、準(zhǔn)確的方法是參數(shù)反演法[3]。首先，在鉆井過程中，進(jìn)行井徑測井，得出隨著井深變化的縮徑的數(shù)據(jù)[4]。其次，根據(jù)測井資料，確定巖性分類[5]。最后，就是根據(jù)對應(yīng)井深的縮徑值，確定對應(yīng)巖性的數(shù)值參數(shù)體積模量和剪切模量。這樣就能對該井區(qū)其他井段進(jìn)行鉆前的數(shù)值分析，確保鉆井的安全，快速。用Flac軟件進(jìn)行計算，可以更進(jìn)一步將鉆井液的液柱壓力考慮進(jìn)去，在建模的時候?qū)@桿、套管、固井水泥環(huán)也考慮進(jìn)去，得出鉆井、固井的整體受力分析和變形分析，更有助于指導(dǎo)鉆井工程的進(jìn)行。

[1]王桂華，徐同臺 ．井壁穩(wěn)定地質(zhì)力學(xué)分析 [J]．鉆采工藝，2005，28（2）：7-10．

[2]陳育民，徐鼎平．Flac基礎(chǔ)與工程實(shí)例 [M]．北京：中國水利水電出版社，2009．

[3]石林，金衍，陳勉，等 ．山前構(gòu)造地層地應(yīng)力測試方法及其直井井壁穩(wěn)定分析模型 [J]．江漢石油學(xué)院學(xué)報，2004，36（3）：52-54．

[4]劉向君 ．羅平亞 ．測井在井壁穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用及發(fā)展 [J]．天然氣工業(yè)，1999，19（6）：34-36．

[5]韓克寧 ．利用測井資料進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測和井壁穩(wěn)定性分析 [J]．科技信息，2008，12（3）：283-287．