一种考虑合理井筒破损的气体钻井井壁力学稳定性分析方法

王 怡， 陈军海， 项根苍， 张建龙

(1页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室 2中国石化石油工程技术研究院3中石化工程公司江汉钻井一公司)

气体钻井是有效解决井漏、泥页岩水化膨胀与坍塌、提高钻井速度的钻井方式之一，气体钻井对地层的要求也十分苛刻，主要是干的、微湿的和固结性较好的低渗透、高水敏的非高压地层，而在软弱地层(如固结性很差的地层和气体敏感性地层)或地质构造作用强烈的地层中可能引起井壁力学失稳，必须考虑地层适用性[1]。目前，初步形成了几种气体钻井井壁稳定性理论，但在实际应用过程中，目前形成的方法都是基于井壁地层的极限平衡状态下推演而来，即井壁不出现任何破损，但在非均匀地应力作用下，随着井深的增加，井壁自然出现合理、工程允许的井壁破损以达到释放井眼形成后的二次重分布的井周应力集中，目前已经形成的分析方法均未考虑这种工程允许的力学平衡现象，因而往往出现井壁力学稳定性分析结果远低于气体钻井实际实施井段的问题，本文针对这种工程现象提出了一种考虑工程允许的合理井筒破损的气体钻井井壁力学稳定性分析方法，在实际应用中达到了很好预测结果。

一、传统的气体钻井井壁力学稳定性分析模型

气体钻井采用高压缩气体，压力波动大，对井壁的冲蚀作用显著，从力学角度开展气体钻井井壁稳定性分析，是论证气体钻井技术可行性的基础工作[1-5]。传统的分析方法通过以下经典的井壁稳定性预测公式进行预测判断可以实施气体钻井的井段：

(1)

这种认为计算的坍塌压力小于地层孔隙压力就可保证气体钻井井壁稳定，但实际由于气体钻井适用于不显著出水、出气的地层，实际井内压力几乎为零，这种条件下地层孔隙压力状态和地层的力学状态与钻井液条件下的情况不尽相同，这种方法具有一定的局限性。

而文献提出的方法，其力学原理简单明确，根据弹性力学理论，不考虑的渗透性，井壁表面上的径向、切向和垂向的应力分别为：

在直井状态时，对于走滑断层(垂向应力为中间主应力)，当采用气体钻井钻进时，钻井液柱压力近似为0，在井壁地层处，环向应力σθ为最大主应力时，

σr=0

(3)

σθ=3σH-σh

(4)

带入M-C判断准则中，井壁没有坍塌扩径的稳定条件是：

(5)

将式(3)与式(4)代入式(5)得：

3σH-σh≤T

(6)

这种方法适合于脆性地层，但这种方法并未考虑工程容许范围内井筒破损对气体钻井的影响。

二、考虑合理井筒破损的气体钻井井壁力学稳定性分析方法

钻井工程中井壁在各向异性地应力作用下，必然会出现一定的坍塌扩径情况，一定程度的坍塌扩径既不会影响钻井安全，还能够使井壁围岩坍塌卸载后趋于稳定。对某工区经过工程统计分析，发现在钻井过程中井筒坍塌宽度可以达到90°，不会引起井下复杂，见图1。根据Zoback关于井壁渐进坍塌过程的研究[6]，实际钻井过程中受实际钻井条件(如岩石强度、气体排量的影响等)，井壁并不会总能达到这个极限扩径状态，因而，通过井周应力及坍塌扩径分析，对于直井可以采用井筒90°坍塌的应力状态，作为气体钻井力学井壁稳定性评价的判定条件：

σH+σh≤T

(7)

图1 成像测井解释结果

同时，进一步推导了对于任意角度斜井的情况下，气体钻井力学井壁稳定性评价的判定条件。大地坐标系下的井周应力表示为：

(8)

式中：σv—覆岩层地应力；σH—水平最大主地应力；σh—水平最小地应力；Ω—井斜方位角；Ψ—井斜角。

井筒坐标系下的井周应力表示为：

(9)

斜井井壁的最大最小主应力可以表示为：

同样，应用斜井90°井筒破损条件状态下的应力平衡状态：

可以有效预测地层的当量岩石强度，与不同井斜角下的地层强度相比，可以判定气体钻井的稳定性。

三、气体钻井井壁力学稳定性分析实例

应用建立的分析模型结合测井资料对某井的气体钻井井壁力学稳定性进行了分析，图2为某井的井径情况，成像测井显示部分层段井筒坍塌宽度达到90°(图1)，但均未引起井下复杂，按照90°容许坍塌宽度进行分析是合理的。表1为实例井的工程地质参数，图3为新旧模型的分析结果，不难发现，按照传统的井筒无破损的极限平衡分析法时，在近1 400 m位置、1 900 m位置以及大于2 100 m以深层段均出现了综合地层强度低于井周应力的情况，即不能保持井壁稳定，得到限制气体钻井的结论，而采用本文方法考虑了实际容许井筒破损条件后，气体钻井的允许层段达到2 130 m。

图2 某井的井径扩大率

注：1 in=25.4 mm。

图3 考虑合理井筒破损的气体钻井井壁力学稳定性分析

参数σH/(MPa·100m-1)σh/(MPa·100m-1)σv/(MPa·100m-1)σH方位/°地层黏聚力值域/MPa地层内摩擦角值域/°最大井深/m最大井斜角/°量值2.671.992.4685417.87～40.0430.9～52.0421128.9

四、结论

本文结合井筒合理破损的工程现象，基于井径特征分析、测井资料分析及力学稳定性理论，发展了一种任意井斜条件下的考虑合理井壁破损的气体钻井井壁力学稳定性分析模型。分析结果表明，这种方法力学原理明确，应用简单，且与实际情况更为吻合，建立的模型是准确可靠的，可以有效的为气体钻井的井壁力学稳定性分析提供基础参考。

[1]金衍, 陈勉, 卢运虎,等. 一种气体钻井井壁稳定性分析的简易方法[J].石油钻采工艺,2009,6(6):48-52.

[2]蒋祖军, 张杰, 孟英峰,等. 气体钻井井壁稳定性评价方法分析[J]. 天然气工业, 2007, 11(11):68-70.

[3]邓虎, 杨令瑞, 陈丽萍,等. 气体钻井井壁稳定性分析[J]. 天然气工业, 2007, 2(2):49-51.

[4]聂臻, 夏柏如, 邹灵战,等. 气体钻井井壁稳定性模型的建立[J]. 天然气工业, 2011, 31(6):71-76.

[5]李皋, 孟英峰, 刘厚彬,等. 气体快速钻井井壁失稳研究[J]. 钻采工艺, 2013, 36(4):26-30.

[6]Zoback M D, Townend J, Grollimund B R. Steady-state failure equilibrium and deformation of intraplate lithosphere. Int GeolRev 2002, 44:383-401.