定向井井眼轨迹与井壁稳定性关系研究

徐一龙 黄凯文 梁继文 鹿传世 吴 江

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，湛江 524057）

定向井井眼轨迹与井壁稳定性关系研究

徐一龙 黄凯文 梁继文 鹿传世 吴 江

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，湛江 524057）

从力学角度分析南海西部海域涠洲XX油田的地层岩石特征，提出适合该油田的井壁稳定分析方法。基于适合该油田定向井的井壁稳定计算模型，分析井眼轨迹与井壁稳定的关系，并总结其规律。合理设计定向井井眼轨迹是预防涠洲XX油田井壁失稳的有效措施之一。

定向井；井眼轨迹；井壁稳定；井斜角；井斜方位

南海西部海域涠洲XX油田蕴藏丰富的油气资源，但地质条件非常复杂，构造应力大，断层裂缝发育，地层水敏性强，安全钻井液密度窗口窄，钻井过程中塌、漏、卡等钻井事故频发，特别是钻遇涠洲组流沙港组地层时，井壁失稳问题非常严重。

改善泥浆性能和限制起下钻速度是研究得较多的做法。改善泥浆性能可以在一定程度上保护井壁，但储层污染较大，只适合上部井段的非目的层，而限制起下钻对稳定井壁的效果不甚明显。因此，研究人员打算从其他角度来分析该油田的井壁稳定性，定向井井眼轨迹与井壁稳定的关系分析就是在这一基础上提出的。

1 地层岩石力学特征分析

涠西南凹陷流沙港组泥页岩地层属中深湖相沉积，属较稳定沉积环境，泥页岩中发育的层理性是沉积环境的振荡变化（短的周期性变化），造成沉积的物源周期性变化，黏土矿物组成相应也产生周期性差异，原始沉积的水平层理经波浪、水流和后期地质构造运动的改造，形成了现在泥页岩地层的层理结构［1］。

层理结构地层的特点：一是力学上具有显著的各向异性；二是层理面也是弱势面，结构薄弱微孔隙裂隙较为发育，在经历历次地质构造运动后更易沿层理面产生裂缝和微裂缝，进而形成钻井液滤液浸入泥页岩的通道［2］。

层理性地层具有显著的各向异性，以往井壁稳定性分析中常忽略了各向异性的影响，这必将引起较大的误差［3］。这里考虑了地层力学性质各向异性的影响，钻井过程中，层理面会先于地层岩石本体破坏，造成复杂事故。因此，无论是在直井还是定向井的钻井中，都需要对层理性地层的井壁稳定性进行深入研究。

2 层理弱面对地层强度的影响

完整性地层的剪切破坏一般采用莫尔-库仑准则进行描述，用σ1、σ3主应力表示：

式中：σ1—岩石基体所受的最大有效主应力；

σ3—岩石基体所受的最小有效主应力；

C—岩石基体的粘聚力；

φ—岩石基体的内摩擦角。

当地层中存在弱面时，Mclamore等人认为岩体破坏可以用黏聚力和内摩擦角连续变化的弱面准则来分析［4］，即：

式中：A1、B1、A2、B2、α、α′、C1、D1、C2、D2、n、m 为实验确定的常数；β为弱面法向与σ1的夹角，如图1所示。

图1 层理面法向与夹角示意图

该模型中的未知参数较多，实际应用中需要对其简化，即假设黏聚力连续变化，内摩擦角不变，以降低未知参数数量［5］。

3 定向井井壁稳定的分析方法

为了分析方便，在定向井的轨迹曲线中取一个单元体，其井壁围岩应力分布和坐标轴可用图2（I）表示［6］。

但如图2（I）的应力表达式计算不够简便，因此，将其转换为如图2（II）所示的斜坐标系，该坐标系以井轴为z轴，x、y轴均垂直于 z轴［7］。这样就能得到斜坐标系下的地应力表达式：

由于该油田地层倾角较小，且室内试验表明井壁的失稳主要原因是渗吸破坏，因此，研究人员认为该油田的井壁失稳只表现为基体破坏。该油田的地应力关系为：σv＞σh1＞σh2，于是将式（3）应用于式（2）中，可以得到定向井的坍塌压力计算模型［8］（此处略）。

4 井眼轨迹与井壁稳定性的关系分析

为了研究井眼轨迹与井壁稳定的关系，取其中一口井的一小段测井数据来分析其坍塌压力和破裂压力（破裂压力的分析方法已经很成熟，这里未写出其计算模型）。为了计算方便，这里将地层视为一个中心对称的平面（图3）,并取不同的井斜角与井斜方位角来进行对比。

图3 井眼横截面

（1）将井斜方位角固定为0°，分别取井斜角为0°（0°表示直井，不存在井斜方位角）、22.5°、45°、67.5°、90°，进行坍塌压力和破裂压力计算，可得到一组剖面图（图4）。

图4 井斜方位0°时各井斜角对应的压力

（2）将井斜方位角固定为22.5°，分别取井斜角为0°、22.5°、45°、67.5°、90°，进行坍塌压力和破裂压力计算，可得到一组剖面图（图5）。

（3）将井斜方位角固定为45°，分别取井斜角为0°、22.5°、45°、67.5°、90°，进行坍塌压力和破裂压力计算，可得到一组剖面图（图6）。

图5 井斜方位22.5°时井斜角对应的压力

（4）将井斜方位角固定为67.5°，分别取井斜角为0°、22.5°、45°、67.5°、90°，进行坍塌压力和破裂压力计算，可得到一组剖面图(图7)。

图6 井斜方位45°时井斜角对应的压力

（5）将井斜方位角固定为90°，分别取井斜角为0°、22.5°、45°、67.5°、90°，进行坍塌压力和破裂压力计算，可得到一组剖面图（图8）。

图7 井斜方位67.5°时井斜角对应的压力

直接观察这些剖面图不易发现其规律性，因此，取2 795m井深处的一个点的计算数据来进行分析，可以得到表1和表2。表中:F1— 0°井斜角对应的坍塌压力；F2— 22.5°井斜角对应的坍塌压力；F3— 45°井斜角对应的坍塌压力；F4— 67.5°井斜角对应的坍塌压力；F5— 90°井斜角对应的坍塌压力；f1— 0°井斜角对应的破裂压力；f2— 22.5°井斜角对应的破裂压力；f3— 45°井斜角对应的破裂压力；f4—67.5°井斜角对应的破裂压力；f5— 90°井斜角对应的破裂压力。

图8 井斜方位90°时井斜角对应的压力

2 796、2 797m以及其他井深下的多个数据变化趋势也是如此，限于篇幅，此处略。

表1 2 795m井深下的坍塌压力当量泥浆密度

表2 2795m井深下的破裂压力当量泥浆密度

5 结 论

（1）根据井眼轨迹与井壁稳定的关系分析，发现涠洲XX油田在井斜方位为45°的情况下，坍塌压力为最小值，破裂压力为最大值。也就是说，在其他条件相同的情况下，如果把定向井的井斜方位角设计在 45°或者 225°，井壁最稳定。

（2）在井斜方位为0～90°范围内，坍塌压力先减小后增大，破裂压力先增大后减小。结合该油田的地应力特征（最大水平主应力方向为135°/315°），发现45°或者225°正好是最小水平主应力方向，即井壁最稳定的方位是最小水平主应力方向。

（3）不论井斜方位怎么变化，坍塌压力总是随着井斜角的增加而增大，破裂压力总是随着井斜角的增加而减小，即在其他条件相同的情况下，直井的井壁稳定性比定向井好。

（4）总体上讲，直井的安全钻井液密度窗口比水平井的安全钻井液密度窗口大约宽0.12g/cm3，井斜方位为45°、225°的定向井比井斜方位为135°、315°的定向井安全钻井液密度窗口大约宽0.1g/cm3。

[1]谢玉洪，黄凯文，余洪骥.北部湾盆地易塌地层钻井技术[M].北京：石油工业出版社，2009.

[2]陈斌.井壁失稳机理在涠12-1 N B油田中的应用[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2009，11（5）：36-39.

[3]谭强，邓金根，张勇，等.各向异性地层定向井井壁坍塌压力计算方法[J].断块油气田，2010，17（5）：608-610.

[4]张传进.准噶尔盆地中部Ⅰ区块坍塌压力分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（14）：2417-2420.

[5]徐同台，沙东，王伟，等.埕海油田2区沙河街组地层井壁失稳原因及对策[J].石油钻探技术，2010，38（3）：49-52.

[6]汤明，何世明，邢景宝，等.大牛地气田欠平衡水平井井壁稳定性分析[J].石油钻采工艺，2010，32（3）：37-39.

[7]刘向君，罗平亚.岩石力学与石油工程[M].北京：石油工业出版社，2006：48-50，118-121.

[8]张文波，周鹏高，李亚双，等.不同地应力场对大斜度井井壁稳定规律的影响[J].天然气技术，2010，4（1）：58-60.

The Analysis of the Relationship between Directional Well Track and Wellhole Stability

XU Yi-long HUANG Kai-wen LIANG Ji-wen LU Chuan-shiWU Jiang
(Zhanjiang Branch of CNOOC Co.Ltd.,Zhanjiang 524057)

In this paper,the lithologic formation features of Weizhou XX oilfield in South China Sea is analyzed from the perspective of mechanics.Then,the appropriate analytic methods of hole stability for this oilfield is proposed.It also analyzes the relation among well deviation,drift azimuth and wellhole stability,concludes the regularities,and develops some favorable protective suggestions for wellhole stability in this oilfield.Reasonable design of directional wellhole track is one of effective measures to prevent wellhole instability in Weizhou XX oilfield of western South China Sea.

directional well；wellhole track；wellhole stability；hole angle；drift azimuth

TE243

A

1673-1980（2011）06-0051-04

2011-05-03

徐一龙（1981-），男，硕士，工程师，研究方向为海洋钻井工艺。