橢圓井眼井壁穩定性研究

孫曉鋒，劉禹銘，李 波，甘 鵬（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

橢圓井眼井壁穩定性研究

孫曉鋒，劉禹銘，李 波，甘 鵬
（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

鉆頭破碎巖石形成井眼后，鉆井液代替了破碎后的巖石對井壁起到了支撐作用，在一定程度上維持著井壁的穩定。長期以來針對井壁穩定性的研究都是基于理想的圓形井眼，而對非圓形井眼井壁穩定性的研究很少；然而，在實際情況中井壁受鉆柱的碰磨、井內介質的沖刷、地層應力以及巖石本身的力學性質等因素的影響而表現為非圓形的井眼，因此有必要分析非圓形井眼井壁穩定性情況。通過建立數值仿真模型分析了井壁在最大主應力方向和最小主應力方向受損后的井眼應力情況，結果表明：基于圓形井眼計算出的泥漿密度窗口要大于基于受損井眼所得出的密度窗口，所以，如果基于圓形井眼的計算結果去調節泥漿密度是不理想的，應該根據實際井眼的計算結果來做相應的調節。

井筒內壓；受損井眼；井壁穩定；主應力

1　引言

鉆頭破碎巖石形成井眼后，鉆井液代替了破碎后的巖石對井壁起到了支撐作用，在一定程度上維持著井壁的穩定。長期以來針對井壁穩定性的研究都是基于理想的圓形井眼，而對非圓形井眼井壁穩定性的研究很少。陳俊等［1］利用測井資料計算了巖石力學參數，在此基礎上計算地層應力、三壓力（地層壓力、破裂壓力、坍塌壓力），分區分層位確定合理的安全泥漿密度窗口。秦黎明等［2］以元壩11井為例，結合巖石力學模型，建立三壓力剖面，預測泥漿密度窗口，并且與實際鉆井結果進行對比。盧運虎等［3］在研究層理地層巖石力學特性的基礎上，建立了新的斜井地層井壁穩定分析模型。姚如鋼等［4］根據Mohr－Coulomb 準則建立了破碎性地層坍塌壓力計算式，分析了井壁穩定性。何衛濱等［5］依據庫倫－摩爾強度準則和最大拉應力破裂準則，建立定向井井壁坍塌壓力和破裂壓力計算模型，分析了蘇里格氣田定向井井壁穩定性。劉之的等［6］通過建立地層坍塌壓力計算模型計算出了羅家寨構造LJ2井不同井深與不同層位地層坍塌壓力及保持井壁穩定的泥漿密度。然而，在實際情況中井壁受鉆柱的碰磨、井內介質的沖刷、地層應力以及巖石本身的力學性質等因素的影響而表現為非圓形的井眼，因此有必要分析非圓形井眼井壁穩定性情況。

剪切破壞是泥漿密度過低不足以滿足地層巖土體強度和應力集中的要求所造成的。井壁破壞后，在環空鉆井液流體的沖刷作用下，井壁巖土體坍塌、崩落掉塊，井眼擴大對測井和固井極為不利，井眼坍塌同樣也是鉆頭或井下鉆具卡鉆的主要原因之一。井眼縮小通常發生在塑性地層，如泥頁巖、砂巖以及鹽膏巖等，地層在高應力差作用下使井壁產生不同程度的塑性變形，引起井眼直徑的減少，如圖1所示［7-12］。

2　模型建立

如圖2所示，在實際鉆井過程中由于鉆柱的碰磨、井內介質的沖刷、地層應力以及巖石本身的力學性質等因素的影響而表現為非圓形的，對比理想的圓形井眼，其在相同泥漿壓力作用下，井眼的受力情況都會有很大差別。如圖3所示為三種情況下井眼的俯視圖，本文把受損后的井眼假設成橢圓形狀。井壁巖石的物理參數如表1所示。

圖1　地層坍塌破裂壓力

圖2　井眼模型圖

表1　巖石三軸壓縮強度實驗參數　MPa

圖3　不同井眼形狀

3　算例分析

3.1完整井眼在不同泥漿壓力下井壁應力分布

影響井壁巖石失效的各向應力中，最主要的是徑向應力和周向應力。如Kirsch公式所示，液柱壓力減小時周向應力與徑向應力的差值增大，當差值增大到一定程度時井壁發生剪切失效；液柱壓力增大時周向應力變小，當周向應力變成負值false時，井壁巖石所受周向應力由壓縮變成拉伸。

如圖4所示，在柱坐標系（CSYS-1）中，S11對應井壁所受徑向應力，S22對應井壁所受周向應力，S33對應井壁所受軸向應力。井眼為圓形，如圖3（a）所示，當泥漿壓力為0MPa時，井壁的徑向應力和周向應力分布如圖5。井壁上的徑向應力false，為最小主應力；而false隨角度變化，為最大主應力。隨著泥漿壓力的增大，在井壁的0°和180°方位出現false，即在該方位周向應力為最小主應力，其余方位徑向應力仍為最小主應力，如圖5～圖7；如果泥漿壓力進一步增加，false的區域也會越來越大，周向應力值會變小，當周向應力由正值變成負值的時候則表示周向應力由壓應力變為拉應力，由于巖石抗拉強度遠遠低于抗壓強度，所以井壁巖石在拉應力作用下很容易失效，如圖7～圖8。當泥漿壓力為30MPa時，整個井壁的徑向應力都大于周向應力，此時，徑向應力為最大主應力。

圖4　泥漿壓力30MPa，兩個水平主應力25MPa，17MPa，井壁應力（徑向、周向、軸向）分布數值解

圖5　井筒壓力為0MPa

圖6　井筒壓力為10MPa

3.2受損井眼在不同泥漿壓力下井壁應力分布

下面分別對兩種井眼受損情況進行分析，假設受損后的井眼形狀為橢圓形。

3.2.1最大主應力方向受損

井眼在最大主應力方向受損后的井眼形狀如圖3（b）所示，圖9為在泥漿壓力、水平地應力作用下井眼的應力分布圖；對比圖4的各向應力情況可知：徑向應力和軸向應力的變化并不大，然而，周向應力的變化很大，在最大地應力方向的周向應力有顯著變大，已經達到了8MPa，已經很接近井壁巖石的抗拉強度，如果再加上井筒內的泥漿壓力波動很容易引起井壁的破裂。井眼應力隨泥漿壓力的變化規律如圖10～圖13。綜上所述，如果在最大主應力方向出現井徑的擴大情況，井壁相對與圓形井眼更容易發生拉伸失效。

圖7　井筒壓力為20MPa

圖8　泥漿壓力為30MPa

圖9　泥漿壓力30MPa，兩個水平主應力25MPa，17MPa，井壁應力（徑向、周向、軸向）分布數值解

圖10　井筒壓力為0MPa

圖11　井筒壓力為10MPa

圖12　井筒壓力為20MPa

圖13　井筒壓力為30MPa

3.2.2最小主應力方向受損

井眼在最小主應力方向受損后的井眼形狀如圖3（c）所示，圖14為在泥漿壓力、水平地應力作用下井眼的應力分布圖；對比圖4的各向應力情況可知：徑向應力和軸向應力的變化并不大，然而，最大主應力方向的周向應力有一定程度的變小，為-0.89MPa，呈現為壓應力并且遠遠小于巖石的抗壓強度，所以井壁不容易發生拉伸失效；對比圖10和圖15可知，當在最大水平主應力方向出現井徑擴大時，井壁巖石所受最大主應力與最小主應力的差值約為50MPa；而當在最小水平主應力方向出現井徑擴大時，井壁巖石所受最大主應力與最小主應力的差值約為70MPa；所以，在氣體鉆井中，如果在最小水平主應力方向更容易出現剪切失效。

圖14　泥漿壓力30MPa，兩個水平主應力25MPa，17MPa，井壁應力（徑向、周向、軸向）分布數值解

圖15　井筒壓力為0MPa

4　結論

（1）在泥漿鉆井中，在最大水平主應力方向出現井徑的擴大情況，井壁相對于圓形井眼更容易發生拉伸失效；（2）在氣體鉆井中，在最小水平主應力方向出現井徑的擴大情況，井壁相對于圓形井眼更容易發生剪切失效；（3）由結論（1）和（2）可知，基于圓形井眼計算出的泥漿密度窗口要大于基于受損井眼所得出的密度窗口，所以，如果基于圓形井眼的計算結果去調節泥漿密度是不理想的，應該根據實際井眼的計算結果來做相應的調節。

圖16　井筒壓力為10MPa

圖17　井筒壓力為20MPa

圖18　井筒壓力為30MPa

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The Effects of the Wellbore Pressure on Damaged Wellbore Stability

Sun Xiao-feng，Liu Yu-ming，Li Bo，Gan Peng

After drill hole formations，the drilling fluid replacing the crushed rock and plays a supporting role.The studies about wellbore stability are based on the ideal circular borehole for a long time；however，in practice，the wellbore performance as a noncircular borehole due to the impact and rubbing by drill string，wellbore medium erosion，formation stress and rock mechanical properties or other factors.Through the establishment of the numerical simulation model to analyze the damaged wellbore in the direction of the maximum principal stress and minimum principal stress directions wellbore stress，the results showed that：in the drilling mud，if expanded caliper appears in the case of the maximum horizontal stress direction，more prone to tension failure；in gas drilling，if the expansion occurs at the minimum horizontal stress direction，wellbore wall is more prone to shear failure.

wellbore pressure；damaged wellbore；wellbore stability；principle stress

TE242

A

1003-6490（2016）05-0139-04

2016-04-20

孫曉鋒（1985—），男，山東濰坊人，工程師，主要從事鉆完井工具研究工作。