谈谈定向井井壁稳定问题

陈涛

摘要：从岩石力学、地球物理测井、工程录井、环空水力学和钻井液化学等方面分析定向井井壁稳定问题，以实现对钻井液性能、井身结构及其它工程参数的优化设计。

关键词：定向井岩石应力；地层压力；地层破裂压力液柱压力数学模型

引言

导致井眼出现失稳问题的因素包括天然的原因和人为的原因。在天然的原因方面包括：地质构造类型和原地应力，孔隙度渗透性及孔除中的流体压力等；在人为的原因方面包括：钻井液的性能，泥页岩化学作用的强弱，钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。导致井眼失稳的最根本因素就是在形成井眼的过程中，井眼四周的应力场、化学力出现了变化，导致井壁应力集中的问题，致使井内钻液的压强不可以和底层的地应力重新建立起平衡的关系。如果井内的钻井液液柱比坍塌的压力还要低的时候，井壁的岩石就会被破坏，这时候的塑性岩石会对井中产生塑性的流动，最后出现缩径的问题，而脆性的岩石就可能会发生坍塌的问题，导致井径的增大，如果当钻井液的液柱压力要比破裂时压力还要高的情况下，井壁内四周的岩石就会被拉伸导致出现井漏的问题。此外，钻井液的密度最好是让井内的液柱和地层孔隙的压力能够互相平衡。

一、井壁应力分布

因为上覆岩层的压力不能很好的和井轴重合，原来的水平地应力也就不能和井轴正交，所以井眼四周的岩石在切向正应力与法相正应力的共同作用之下处在三维应力的情况之下。不仅正压力作用在井轴垂直平面井壁四周的岩石，剪应力也作用在井轴垂直平面与岩石之上，它们都严重的影响着井壁岩石的形态，对井壁岩石有破坏作用。

二、井壁岩石破坏准则

当前许多人为拉伸断裂的机制操纵着地层的压裂情况，也就是说，如果当一个有效的主应力的大小能够与岩石拉伸的强度值相同时就会发生底层破裂的情况。

三、岩石强度参数的确定

为了能够对全井段进行连续预测，仅凭室内岩心试验是不够的。而要充分利用相关的间接资料，其中最完整的莫过于测井资料。因此，将测井资料的处理与岩心试验结合起来，确定所需要的地层参数。同时，还利用巴西试验和水压致裂法求取特定处的抗拉强度。

四、坍塌压力破裂压力和孔隙压力的确定

在给定的井斜角、原地应力条件下，首先把原地应力场转换成井眼坐标系下的应力场，然后计算井壁岩石的应力，并求出其主应力值。再把求得的主应力值代入相应的破坏准则中去，计算保持井眼稳定的坍塌压力和破裂压力。对于定向井，井壁上各主应力值本身既是井眼压力的函数，又与井周角0有关，因而不能像垂直井那样得到井壁破坏压力的解析式，而只能采用数值迭代法求解。对于孔隙压力，将声波时差法（尤其是经验系数法）与其它方法（如dc指数法等）相结合来评价地层孔院压力剖面。

五、定向井环空中波动压力

钻井过程中，由于管柱在钻井液中的运动引起井内压力的瞬态波动，此压力与井眼内静液柱压力一起构成了稳定井眼的实际压力。但该压力随钻井液性能、起下钻速度、井眼形状钻具组合井眼深度等而发生变化称之为波动压力，该压力对稳定井眼系统具有重要的意义。因此，建立了定向井同心环空、偏心环空中牛顿流体、非牛顿流体的稳态波动压力模型，并研究了波动压力系数的变化规律。

六、岩石力学和钻井液化学进行耦合研究

泥页岩是一种水敏性粘土矿物，其与钻井液的相互作用是必然的，不过不同的岩石与不同的钻井液作用的程度不一样。但是力学和化学的关联的钻研就是计算出包括这种化学作用产生的井壁四周的岩应力，然后依据强度的条件来确定出井的四周或者是四周的岩坍塌的压力。钻井液对泥页岩水化导致井壁围岩的侵水区域的出现。在侵水区域中，岩石的含水量、弹性的模量与强度的参数是不断的改变的，由于围岩成为不断改变的非均的质体，导致耦合的分析非常的复杂。在这个方面建立出水化效应的地应力的耦合模型，给出井眼稳定的水化效应。

根据上述理论模型，编制了定向井井眼稳定软件，框图如图所示。

结论

针对上覆岩层压力为中间主应力和最大主应力两种情况，进行了数值模拟，认识如下：

1.角度对井壁破坏的影响

井斜角对破裂压力和坍塌压力值的影响。当上覆的压力作为中间主应力的环境之下，当方位角的数值一定不变时，随着井斜的角度不断的扩大，坍塌临界压力值会不断的减小。说明在这种条件下，井斜角越大钻井越安全，当上覆压力成为最大的主应力时，破裂临界压力值一般趋于减小，坍塌临界压力值增大。这种条件下，井斜角越小钻井越安全。在上覆压力为中间主应力条件下，方位角对临界井眼压力的影响随井斜角的增大而变大。当方位角增大时，破裂和坍塌临界压力都有增大趋势。在上覆压力为最大主应力条件下，随方位角增大坍塌临界压力略有减小，而破裂临界压力较明显地增大。说明在这种条件下，方位角越大钻井越安全。

2.井壁渗透性对井眼临界压力值的影响。

井壁的渗透性对坍塌临界压力的计算值影响不大，而对破裂临界压力值影响较大。考虑渗透井壁计算出的破裂和坍塌临界压力比非渗透井壁的破裂和坍塌临界压力略低。

3.地应力状态对井眼临界压力的影响。

在不同的地应力条件下，破裂临界压力和坍塌临界压力随井斜角或方位角增大的变化趋势不同，而且其差别非常明显。这说明在确定安全钻井的钻井液密度时，必须准确了解地层应力状态。

4.波动压力对井壁的影响

对波动压力的研究表明管柱的偏心减小了波动压力的数值，环空间隙的减小（或钻柱直径与井眼直徑之比的增加）将导致波动压力的增加；对幂率流体随稠度系数和流态指数的增加，波动压力将增加；对于宾汉流体随塑性粘度的增大，波动压力将增加。由于大斜度井的井壁坍塌压力和破裂压力均与井眼的井斜角和方位角有关，因此对大斜度井来说，即使在同一区块也没有统一的坍塌压力和破裂压力剖面，而应该根据实际的井眼条件或者设计的井身剖面进行具体计算。

【结束语】

建立坍塌的压力剖面、孔隙的压力剖面与波动压力所导致的附加的钻井液的密度可以为设计正确的井身的结构，确定套管的下深，控制和避免出现喷、漏、塌等安全性事故的问题与科学的为钻井液的密度提供依据。

参考文献：

[1]唐志强.基于井壁崩落的定向井坍塌压力计算模型[D].西南石油大学，2015.

[2]尹虎，唐志强，黄晓川.定向井井壁崩落与钻进方向优化分析[J].钻采工艺，2014，37（03）：31-33+7.