魚骨狀分支水平井井壁穩定性分析

李文飛

( 勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 257017)

魚骨狀分支水平井能夠大幅提高煤層氣產量，對于煤層氣的高效開發具有重要作用，是一種極具發展潛力的技術，將成為“智能井”發展內容的重要組成部分。但同時該技術也面臨著一些新的挑戰，其中主井眼與分支井眼的連接井段失效是一個嚴重問題，會導致井眼報廢，如果井眼連接井段的地層發生坍塌，則分支井眼中套管變形會擠入主井眼，造成主井和分支井無法再進入的嚴重問題，因此為了保證分支井鉆井作業和完井作業的成功進行，有必要開展井眼連接井段井壁穩定性的研究分析。

1 分支井連接井段幾何模型

主井眼半徑和分支井眼半徑滿足關系式，假設主井眼的橫截面是圓形，并在水平井段進行側鉆。在分支井井眼連接井段以上適用圓形井眼模型，當開始側鉆時，兩個井眼的水平投影圖如圖1 ( a) ，隨著分支井眼的向外鉆進，分支井眼逐漸脫離主井眼，在這個過渡井段為如圖1 ( b) 的井眼模型，當剛開始完全脫離主井眼時為如圖1 ( c) 的模型，當井眼連接井段分成兩個井眼后微圖1 ( d) 的雙毗鄰井眼模型，然后隨著井深的增加，兩井眼逐漸分開，可以視為兩個獨立的井眼，分支井連接井段的立體圖如圖2。

圖1 主井眼與分支井眼關系投影圖

2 連接井段模型

2.1 基本假設

(1) 巖石為理想彈塑性材料，即在彈性范圍內為各向同性線彈體，當應力達到屈服強度時就開始發生破壞;

(2) 不考慮巖石和鉆井液的物理化學作用而引起的力學性質變化;

(3) 不考慮溫度變化對井壁力學性能的影響，及無溫度應力的影響;

圖2 分支井眼和主井眼連接段立體圖

(4) 鉆井液造壁性很好，鉆井液不侵入到巖石中，泥餅無強度;

(5) 當井壁一點處應力達到破壞準則時，井眼即發生破壞;

(6) 不考慮分支連接處裂縫影響。

2.2 力學模型和網格模型的建立

根據巖石力學理論，當工程開挖釋放載荷作用在巖體某一部位時，對周圍巖體應力及位移有明顯影響的范圍約是開挖或結構與巖體作用面輪廓尺寸的2．5 ～3 倍，在此范圍之外影響甚小，可忽略不計。考慮到有限元離散誤差和計算誤差，保證必要的計算精度，研究計算時取井眼周圍長寬為lm，即為井眼直徑的5 倍以上; 但考慮到分支井連接段的特殊性，立體模型的寬度和厚度取為2m; 考慮到連接段較長，兩個井眼分開一定距離后，應力是相互影響的，因此沿井眼深度方向長度取10 ～30m( 根據曲率半徑的不同選擇長度，半徑增大，模型的長度加大，可減少運算量并保證計算精度) 。設模型井眼直徑0．2159m，分井眼直徑0．1397m，分支井眼和主井眼中心連線和最小水平主應力夾角為θ，水平地應力為σx、σy，垂向地應力為σz，Pm為井眼內壓力，分析時改變各種參數，模擬分支井連接井段的應力分布狀況和地層巖石的破壞情況。

2.3 基本數據

在地層沒有鉆井之前，巖石介質就只受到原地應力地作用，通常認為原地應力的主應力方向分別是沿著垂直方向和水平方向，同時有最大和最小水平主應力之分，生產實踐和現場實測表明，在地下一定深度，這符合絕大多數情況下的地應力實際情況。基本地層巖石力學參數( 表l) 。

表1 模型分析基本參數

在分析過程中變化分支井眼半徑 ( 50m ～250m) 、分支造斜方位夾角( 84° ～92°) 等參數，研究井眼周圍的應力分布及連接井段的破壞規律，根據莫爾庫倫準則進行判斷，分析臨界點應力及離開分支出口的距離( 破壞深度) ，因為這個距離直接決定了完井方式的選擇和完井能否獲得好的機械支撐。

3 結果分析

通過模擬分析，改變不同的井眼參數，研究分支井連接井段的井壁穩定性變化規律( 圖3 ～圖5) 。

圖3 破壞深度隨方位夾角變化規律

從圖3 中可以看出，在保持其他參數不變的前提下，隨著分支井眼方向和地層最小水平主應力方向夾角( 方位夾角) 的增大，破壞深度是逐漸減小的; 而隨著造斜半徑的增加，破壞深度是增大的。當方位夾角為90°時，破壞深度變化范圍較小，且當造斜半徑較大時，破壞深度在1 ～1．5m之間，表明在這個方向鉆井時，分支井眼連接井段比較穩定安全。

圖4 破壞深度隨分支出口井斜角變化規律

從圖4 中可以看出，隨著分支井眼鉆出主井眼時兩井眼之間垂向剖面的夾角( 分支井眼井斜角)的增大，破壞深度逐漸減小; 隨著方位夾角的增加，破壞深度的降低程度變緩，當分支井眼井斜角是90°時，破壞深度的降低程度顯著。

圖5 破壞寬度隨方位夾角變化規律

如圖5 所示，隨著方位夾角的增大，分支井眼鉆出主井眼后兩井眼垂直剖面圖上破壞深度對應的兩個井眼水平距離隨之減小，隨著造斜半徑的增加，破壞寬度減小，但減小的幅度逐漸變小; 同時，不同造斜半徑下破壞寬度值差距不大; 當方位夾角為90°時，破壞寬度值最小，這也說明在這個方向鉆井井眼之間的破壞是最低也是最穩定的。

4 結論

(1) 在保持其他參數不變的前提下，隨著分支井眼方向和地層最小水平主應力方向夾角( 方位夾角) 的增大，破壞深度是逐漸減小的; 而隨著造斜半徑的增加，破壞深度是增大的;

(2) 隨著分支井眼鉆出主井眼時兩井眼之間垂向剖面的夾角( 分支井眼井斜角) 的增大，破壞深度逐漸減小; 隨著方位夾角的增加，破壞深度的降低程度變緩，特別是在最小水平主應力方向，破壞深度的降低程度顯著;

(3) 當主井眼與分支井眼方位夾角接近90°時，井眼連接井段破壞寬度值最小，表明在這個方向鉆進時，對分支井眼造成的破壞最低，即井眼連接井段是最穩定的。

［1］ 劉志強，胡漢月，劉海翔，等． 煤層氣多分支水平井技術探討［J］． 中國煤層氣，2011，8 ( 3) : 26-30．

［2］ 雷華友． 地層鉆井井塌、井漏、縮徑成因及預防措施［J］． 中國煤層氣，2010，7 (1) : 34 -36．

［3］ 陳兵替，王建中，謝友友，等． 煤層氣開采過程安全風險分析［J］． 中國煤層氣，2011，8 ( 3) : 44-46．

［4］ 楊小松，嚴謹，鄭榮臣，等． 致密低滲透氣藏氣井產能預測新方法［J］ ． 天然氣工業，2009，29(6) : 77 -79．

［5］ 席長豐，吳曉東，王新海． 多分支井注氣開發煤層氣模型［J］ ． 煤炭學報，2007，32 ( 4) : 402 -406．

［6］ Brister．The optimum junction depth for multilateral well．SPE 64699．

［7］ 范玉平，韓國慶，楊長春． 魚骨井產能預測及分支形態優化［J］． 石油學報，2006，27 ( 4) : 101 -104．

［8］ 劉想平，張兆順，崔桂香，等． 魚骨型多分支井向井流動態關系［J］． 石油學報，1998，19 (4) : 69-72．

［9］ 耿應春，孫銘新． 勝利油田魚骨狀水平分支井鉆井技術［J］． 石油鉆采工藝，2007，29 ( 5) : 20 -22．