地应力场对井眼破裂压力的影响规律研究

胡益涛

（中法渤海地质服务有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

井眼破裂压力是石油钻井中重要的基础数据，选择合理的井筒压力是保证安全快速钻井的重要因素[1，2]。不同地质环境中存在不同类型的地应力场，而不同的地应力场中钻井井眼破裂压力具有显著的差异[3]。因此，充分认识地应力场对破裂压力的影响规律，对于合理选择钻井过程中的井筒压力，保证钻井安全具有重要的理论意义。基于此，本文根据岩石力学理论，计算了正断层作用应力区域、逆断层作用力应力区域以及走滑断层作用应力区域三种不同地应力场中的破裂压力，分析了破裂压力在不同地应力场中随井斜角、方位角的变化规律，为不同地应力场中钻进不同井眼轨迹的井眼提供理论指导。

1 地应力场

地应力是由于地质构造运动、地下热交换等因素在漫长地质年代中形成的内应力。地应力的大小可通过主应力张量表示[4]：

式中：σH、σh、σv分别为水平最大地应力、水平最小地应力、上覆地应力。

根据断层类型和形态可判断构造区域内地应力的相对大小和方向[5，6]（见图1）：（1）正断层作用应力区域：σv＞σH＞σh，水平最大地应力方向与断层走向平行；（2）走滑断层作用应力区域：σH＞σv＞σh，水平最大地应力方向与断层走向存在一定夹角；（3）逆断层作用应力区域：σH＞σh＞σv，水平最小地应力方向与断层走向平行。

图1 断层类型与地应力相对大小和方向的关系

2 任意井眼破裂压力计算模型

2.1 井周应力状态

井眼钻开后，产生应力集中，井筒受三向原位地应力和钻井液液柱压力的共同作用。通过坐标转换可得到原位地应力在定向井坐标系中的表示形式[7]：

式中：σv、σH、σh-上覆地应力、水平最大和最小地应力，MPa；α-井斜角；β-井眼方位与 σH方位的夹角；σxx、σyy、σzz、σxy、σxz、σyz-笛卡尔坐标系中的井周应力分量。

对上述各地应力分量及钻井液液柱压力在井周引起的应力进行叠加，得到定向井井周应力分布为式（3）。

2.2 井眼破裂判断准则

井眼破裂主要是由于井筒内压力过高，导致井周应力超过地层强度产生拉伸破坏造成的。通常采用拉伸破坏准则判断井眼是否产生破裂[8]：

式中：σθ、σr、σz-井眼柱坐标系下的切向应力、径向应力和垂向应力；σrθ、σθz、σzr-井眼柱坐标系下的剪应力；Pi-井筒内压力；μ-泊松比；θ-井周角；R-井眼半径；r-地层内任一点到井眼中心的距离。

式中：σ3-井周最小主应力，MPa；St-抗拉强度，MPa。

2.3 破裂压力计算方法

由式（3）可知，井周最小主应力出现在井壁上，即R=r处。根据弹性力学理论，可得到井壁上任一点的最小主应力：

其中：

将公式（5）代入公式（4），通过迭代计算即可得到任意井眼的破裂压力。

3 地应力场对井眼破裂压力的影响规律

计算参数：地层深度3 000 m，水平最大地应力方位N30°E，岩石抗拉强度5 MPa，泊松比0.2，有效应力系数0.8，孔隙压力30 MPa。为了研究地应力场对井眼破裂压力的影响规律，取表1中三种不同断层作用应力区域中的地应力参数分别计算了破裂压力。

3.1 正断层

表1 不同断层作用应力区域地应力计算参数表

正断层作用应力区域钻进的任意井眼破裂压力（见图2）。图中径向代表井斜角，周向代表井眼方位角，颜色代表破裂压力的数值，红色代表破裂压力最大，蓝色代表破裂压力最小。根据计算结果可知，在正断层作用应力区域，垂直于水平最大地应力方位钻大斜度井（井眼方位角为N120°E，井斜角大于60°）破裂压力最高，钻井过程中井眼破裂的风险最小；平行于水平最大地应力方位钻大斜度井（井眼方位角为N30°E，井斜角大于60°）破裂压力最低，钻井过程中井眼破裂的风险最大。

图2 正断层作用应力区域任意井眼破裂压力

3.2 走滑断层

走滑断层作用应力区域钻进的任意井眼破裂压力（见图3）。根据计算结果可知，在走滑断层作用应力区域，当井眼方位角为 N80°～160°E，且井斜角大于 75°破裂压力最高，钻井过程中井眼破裂的风险最小；当井斜角低于30°时破裂压力最低，钻井过程中井眼破裂的风险最大。

图3 走滑断层作用应力区域任意井眼破裂压力

3.3 逆断层

逆断层作用应力区域钻进的任意井眼破裂压力（见图4）。根据计算结果可知，在逆断层作用应力区域，平行于水平最大地应力方位钻小斜度井（井眼方位角为N30°E，井斜角小于45°）破裂压力最高，钻井过程中井眼破裂的风险最小；垂直于水平最大地应力方位钻大斜度井（井眼方位角为N120°E，井斜角大于60°）破裂压力最低，钻井过程中井眼破裂的风险最大。

图4 逆断层作用应力区域任意井眼破裂压力

4 结论

（1）地应力场不同，井眼破裂压力随井眼轨迹的变化呈现出不同的变化规律，现场应当根据实际地应力环境优化井眼轨迹，降低井眼破裂风险。

（2）正断层条件下，沿垂直于水平最大地应力方位钻大斜度井破裂压力最高，平行于水平最大地应力方位钻大斜度井破裂压力最低；走滑断层条件下，沿垂直于水平最大地应力方位钻大斜度井破裂压力最高，平行于水平最大地应力方位钻小斜度井破裂压力最低；逆断层条件下，平行于水平最大地应力方位钻小斜度井破裂压力最高，垂直于水平最大地应力方位钻大斜度井破裂压力最低。