井壁穩定性影響因素研究

徐 勇 汪寧宇 張永健

(1.東北石油大學 黑龍江 大慶 163000；2.長江大學 湖北 荊州 434000)

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井壁穩定性影響因素研究

徐 勇1汪寧宇1張永健2

(1.東北石油大學 黑龍江 大慶 163000；2.長江大學 湖北 荊州 434000)

井壁穩定性是鉆井開發過程中一個非常棘手的問題，油田的各項開發指標均會受到它的影響，井壁失去穩定，這樣機會導致井壁縮徑、漏失、卡鉆及儲層污染等井下復雜工況和事故,這些事故的發生，將會在油氣田勘探開發工程的過程中，產生很嚴重的影響。

井壁穩定性；鉆井；因素

一、井壁穩定問題的提出

在石油開發作業過程中，有一個問題一直困擾石油工業界，這個問題就是如何有效處理鉆井過程中的井壁失穩。在油田勘探開發中,勘探開發總費用的大部分都花費在鉆井上,因此，有效降低鉆井成本的關鍵是研究和應用先進適用的鉆井技術。因此，如何使壁失穩問題得到有效的控制，成為國內外石油鉆井界非常關注的一個十分復雜棘手的科學技術難題。

石油開發過程中，為了使得井壁不穩定問題得到解決,科研人員一直致力于研究井壁穩定技術,開展了一系列工作，對井壁穩定性問題進行了研究。通過十幾年來科研人員和鉆井技術人員的努力,井壁穩定技術在井壁失穩機理的研究、室內評價測試方法、鉆井液處理劑、鉆井液體系及技術對策等方面都取得了很大的進展,我國在井壁穩定技術水平有了顯著的提高和明顯的改善。找出一系列防止井壁失穩事故發生的工程措施,對井壁穩定問題進行深層次的力學分析具有理論意義和工程應用前景。

二、井壁穩定性失穩的形式與原因

在石油鉆井中，井眼穩定問題是世界范圍內普遍存在的問題。每年由此造成的直徑經濟損失達數億美元之巨。因此國內外許多研究機構都在致力于此項研究。

在鉆井之前，深埋在地下的巖層受到上覆巖層壓力、最大水平地應力、最小水平地應力和孔隙壓力的共同作用，處于平衡狀態。

如果孔中泥漿密度太低,將超過巖墻的抗剪強度應力和剪切破壞(井眼坍塌擴徑或產量減少)的性能,關鍵井眼壓力被定義為這個時候倒塌;

如果泥漿密度太高,墻會產生拉應力,當拉應力大于巖石的抗拉強度,拉伸斷裂會發生井漏(性能),這個時候關鍵井眼壓力被定義為破裂壓力。

在工程實踐中,因此,可以調整泥漿密度,改變井眼附近的應力狀態,實現井眼穩定性的目的。

井壁失穩時巖石的破壞類型主要有兩種：拉伸破壞、剪切破壞。

剪切破壞又分為兩種類型:一種是脆性破壞，導致井眼擴大，這會給固井、測井帶來問題。這種破壞通常發生在脆性巖石中，但對于弱膠結地層由于沖蝕作用也可能出現井眼擴大；另一種是延性破壞，導致縮徑，發生在軟泥巖、砂巖、巖鹽等地層，在工程上遇到這種現象要不斷地劃眼，否則會出現卡鉆現象。

拉伸破壞或水力壓裂會導致井漏，嚴重時可造成井噴。

實際上井壁穩定與否最終都表現在井眼圍巖的應力狀態。如果井壁應力超過強度包線，井壁就要破壞；否則井壁就是穩定的。

通過以上分析，可以發現，影響井壁穩定的因素概括起來可分為四大類：

(1)地質力學因素，原地應力狀態、地層孔隙壓力、原地溫度、地質構造特征等。這些因素是不可改變的，只能準確地確定它們。

(2)巖石的綜合性質，巖石的強度和變形特征等、孔隙度、含水量、粘土含量、組成和壓實情況等。

(3)鉆井液的綜合性質，化學組成、連續相的性質、內部相的組成和類型、與連續相有關的添加劑類型、泥漿體系的維護等。特別是對于泥頁巖和泥質膠結的砂巖，鉆井液對它們的物理力學性質的影響非常的大。

(4)其它工程因素，包括打開井眼的時間、裸眼長度、井身結構參數(井深、井斜角、方位角)、壓力激動和抽吸等。

這些因素和參數之間相互作用、相互影響，使井壁穩定問題變得非常復雜。

三、國內外相關研究進展

(一)國外井壁穩定性相關研究進展

在石油開發鉆井技術研究這幾十年以來,國外的鉆井研究人員在連續介質力學的基礎上,提出了一系列預測井眼應力分布的本構關系，以及評價井壁穩定性強度的準則。在計算地層坍塌破壞的井壁穩定性研究中,評價井壁穩定的常用的強度判斷準則主要有線性Mohr-coulomb準則、Druck-Prage:準則和非線性Pariseau準則及Hoek-Brown準則。但是在這些準則中,Mohr-Coulomb準則最經常使用的,而且它的預測結果也是被認為是最符合實際情況的。

地應力計算方面,國外使用測井資料計算水平地應力的研究成果可以從以下幾個地應力計算模型體現出來:

①MattewsKelly模型。1967年Mattews和Kelly在Hubber和Wills的基礎上，結合鉆井過程中的水力壓裂提出了該模型：

σh2=ki(σv-pp)+pp

(1.1)

式中，σh2為最小水平應力，MPa：ki為骨架應力系數，無量綱：σv為地層垂向應力MPa：pp為地層空隙壓力，MPa。

該模型把上覆巖層壓力梯度看做是不隨著深度的變化而變化的常數，同時沒有考慮地層Biot彈性系數的影響，這與現實情況是不匹配的：而且，ki要用鄰井壓裂的實際資料來確定，所以，這種模型在現實生活中將不再適用。

②Eaton模型。1969年，Eaton提出了上覆巖層壓力梯度不再是隨著深度變化卻不改變的常數，并且，他提出了通過測井資料求得上覆巖層壓力梯度，并且將ki值具體化為得：

(1.2)

式中：μ為巖石泊松比，無量綱。

這種方法比較使用的，在工程中也經常用到，但是它同樣沒有考慮Biot彈性系數的影響，因此，對于孔隙度不高，滲透性不好的地層，它的計算誤差會很大。

③Anderson模型。1973年，Anderson等通過Biot多孔介質彈性變形理論推導出：

(1.3)

式中：η為Biot彈性系數，無量綱。

Anderson模型將地應力的計算提高到了一個新的水平，彈性系數的引入使得對地層孔隙壓力的作用得到了進一步的認識。

④Newberry模型。1986年，Newberry針對地滲透性且具有微裂縫的地層，提出了修正了Anderson模型：

(1.4)

(二)國內井壁穩定性相關研究進展

自80年代以來,在研究和發展井壁穩定技術的方面,國內的進步很快。許多油田開展了地層壓力和破裂壓力的計算和預測方法研究中,所有的成就在一定程度上,在實踐和應用程序中,在某些計算方法上作了許多改進的基礎上,地質構造,使其適用于油田的具體地質條件,取得了良好的效果。

國內井壁穩定性的問題的研究中，以黃榮搏等人為代表的科研工作者們，他們進行了大量卓有成效的工作,并針對各國內各油田的實際情況,通過大量的試驗研究了各種不同油田的地層巖石的力學特性,并且針對地層破裂壓力提出了適用的相對應的預測模型。

四、小結

井壁穩定性問題影響因素眾多，還有很多有待解決的技術問題，目前已經取得的研究成果不能從根本上解決井壁穩定性問題。因此，對井壁穩定性問題還要進行更深入的研究。

徐勇(1992-)，男，湖北黃岡人，東北石油大學碩士研究生，研究方向：低滲透油藏二氧化眼氮氣驅提高采收率。