井周应力与井壁失稳.ppt

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1、石油工程岩石力学PetroleumEngineeringRockMechanics井周应力与井壁失稳1内容提要井眼周围应力状态泥页岩水化坍塌问题层理性地层井壁稳定性问题流变性地层井壁稳定性问题2一、井眼周围地层应力状态意义？井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗口的确定基础出砂预测研究的基础……3假设条件：地层均质各向同性线形弹性，小变形轴向——平面应力或平面应变一、井眼周围地层应力状态三维问题转化为二维问题4直井井眼周围地层应力状态h二维平面应变模型r5直井井眼周围地层应力状态依据线弹性、小变形应

2、力叠加原理对井眼受力进行分解请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中6由钻井液柱压力P引起的应力直井井眼周围地层应力状态无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关7直井井眼周围地层应力状态由水平最大地应力所引起的井周应力分布8直井井眼周围地层应力状态由水平最小地应力所引起的井周应力分布9直井井眼周围地层应力状态钻井液渗流效应10直井井眼周围地层应力状态11直井井眼周围地层应力状态井壁应力状态：12直井井眼周围地层应力状态直井井眼周围应力分布的特点是什么？1314151617利用水力压裂试验数据计算地

3、应力：18坍塌压力、破裂压力19定向井井周地层应力状态20东营组地层斜井井壁稳定性分析最大水平地应力方位：井壁坍塌风险最高坍塌压力随井斜方位的变化21东营组地层斜井井壁稳定性分析最大水平地应力方位：井壁破裂风险最高破裂压力随井斜方位的变化22安全泥浆密度窗口23变质岩地层裸眼完井井壁稳定性分析244.5mm套管以下太古界地层存在低强度砂岩地层，即使是钻井过程中也需较高的泥浆密度来维持井壁稳定，预实现裸眼完井开采，应调整套管下入深度24井壁失稳机理研究的基本力学方法：以孔隙弹塑性力学为基础的均质地

4、层井壁稳定性分析理论和计算方法基本成熟地应力本构模型给定的泥浆密度井周应力应变破坏准则提高泥浆密度结束稳定失稳25泥页岩水化坍塌问题26不同泥浆体系下泥岩吸水特性不同泥浆体系下泥岩膨胀特性27含水量对泊松比的影响含水量对内摩擦角的影响含水量对粘聚力的影响含水量对弹性模量的影响28改进的聚璜泥浆硅酸盐泥浆29具有显著“结构性（层理、裂缝）”的泥页岩地层井壁失稳问题难以像均质地层一样通过提高钻井液密度有效解决，是目前研究的难点（Crook，2002）30霍003井安集海河组泥页岩地层坍塌掉块层理31

5、涠西南油田群，在层理发育的涠二段、流二段泥页岩地层中钻进定向井时，井壁坍塌卡钻等井下复杂时有发生涠二段泥页岩地层（泡水前）涠二段泥页岩地层（泡水后）32涠二段泥页岩涠二段地层坍塌掉块33层理性地层井壁稳定性问题34层理性泥页岩力学特点之一：各向异性试验表明，层理性泥页岩力学性质及强度具有显著各向异性，若轴线与层理面的夹角在20～30之间，岩心强度与垂直层理面强度相比降低了40%，平行层理面的抗拉强度低于垂直层理面的抗拉强度（Chenevert，1965）依据统计，只有10％的地层为各向同性，

6、30％地层弹性模量各向异性比大于1.5。因此井壁稳定性分析中考虑地层各向异性的影响更接近实际情况的（Ong，1994）35层理性泥页力学特点之二：渗透性钻井液及其滤液沿层理面的渗流使泥页岩地层强度逐步降低是引起井下复杂的主要原因之一（Mclellan，1996）BoreholeStabilityinFissileShaleinNortheasternBritishColumbiaMountainRange36层理性泥页岩力学特点之三：层理面非线性数值模拟研究表明：沿层理面的非线性剪切位移是造成井

7、壁失稳的主要原因之一，层理性地层井眼轨迹的优化与均质地层井眼轨迹的优化方案不同，必须考虑层理面因素的影响（K.Yamamoto，2002）37层理性泥页岩地层强度特性地层力学性质具有明显的各向异性，轴向与层理面法线夹角在45～75度之间时强度最低，约为垂直层理面强度的1/5～1/6。层理面的粘聚力、内摩擦角远低于岩石基体的粘聚力、内摩擦角，高倾角下的破坏多为沿层理面的剪切破坏。取心方式38层理性泥页岩地层渗透特性试验设备平行层理面和垂直层理面测试—层理面可能为高渗面39问题的难点考虑因素传统模型

8、层理性泥页岩问题地层本构模型各向同性体各向异性体渗流方式Darcy渗流各向异性渗流渗流对强度的影响无有泥页岩吸水影响强度无沿层吸水层理、裂缝面无有复杂的力学、化学、水动力学耦合问题没有解析解，必须数值求解40计算模型：考虑地层各向异性、渗流等因素的综合影响计算结果之一：井眼周围位移场分布规律41层理性地层井壁破坏点分析定义层理面破坏比最大水平地应力南北方向，破坏点最大值不在最小地应力方位，在应用井壁崩落椭圆法确定水平地应力方位时应当引起注意破坏比大于1，失稳42地层走向对层理性泥页岩坍塌压力的影