井壁稳定.pptx

第一节第一节 井壁失稳的原因及危害井壁失稳的原因及危害 在在石石油油钻钻井井中中，井井眼眼稳稳定定(boreholestability)问问题题是是世世界界范范围围内内普普遍遍存存在在的的问问题题。每每年年由由此此造造成成的的直直径径经经济济损损失失达达数数亿亿美美元元之之巨巨。因因此此国国内外许多研究机构都在致力于此项研究。内外许多研究机构都在致力于此项研究。在在钻钻井井之之前前，深深埋埋在在地地下下的的岩岩层层受受到到上上覆覆岩岩层层压压力力（overburdenpressure）、最最大大水水平平地地应应力力(maximuhorizontalinsitestress)、最最小小水水平平地地应应力力(minimum horizontal in site stress)和和孔孔隙隙压压力力(porepressure)的共同作用，处于平衡状态。的共同作用，处于平衡状态。第八章第八章 井井 壁壁 稳稳 定定打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。井壁失稳问题的工程分类：井壁失稳问题的工程分类：缩径缩径(out of gauge holes)(out of gauge holes)：井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；井漏井漏(lost circulation)(lost circulation)：井眼压力大于地层破裂压力；井眼压力大于地层破裂压力；井塌井塌(borehole collapse)(borehole collapse)：井眼压力小于地层破裂压力，井眼压力小于地层破裂压力，同时容易发生井喷同时容易发生井喷(blowout)(blowout)事故。事故。井壁失稳问题的工程现象：井壁失稳问题的工程现象：n起下钻遇阻，甚至卡钻n大钩负荷加大n划眼n扭矩加大n循环时返出岩屑棱角分明n测井井径扩大 一、井壁不稳定的危害一、井壁不稳定的危害 在在我我国国各各大大油油田田的的长长期期勘勘探探开开发发过过程程中中，井井壁壁不不稳稳定定问问题题一一直直比比较较突突出出。如如环环渤渤海海湾湾地地区区主主要要表表现现为为馆馆陶陶、明明化化镇镇组组泥泥页页岩岩地地层层的的水水化化膨膨胀胀，造造成成缩缩径径卡卡钻钻事事故故；东东营营底底、沙沙河河街街、孔孔店店组组泥泥页页岩岩地地层层的的剥剥落落掉掉块块，造造成成井井径径扩扩大大(out(out of of gauge gauge hole hole)、坍坍塌塌卡卡钻钻(stuck(stuck drill drill pipe pipe)、电电测测质质量量低低下下、固固井井不不合合格格等等工工程程事事故故；一一些特殊层位如：生物灰岩、裂隙性玄武岩、软弱砂岩的井塌井漏等。些特殊层位如：生物灰岩、裂隙性玄武岩、软弱砂岩的井塌井漏等。这这些些事事故故的的发发生生会会严严重重拖拖延延了了钻钻井井周周期期，明明显显增增加加钻钻井井成成本本，并并给给后后续续工工作作带带来来不不利利影影响响。严严重重时时可可使使部部分分井井眼眼报报废废甚甚至至使使整整个个井眼报废。井眼报废。二、井壁不稳定的原因及其研究方法二、井壁不稳定的原因及其研究方法 1 1、井壁不稳定的原因、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度(shear strength)(shear strength)而产生剪切破坏（而产生剪切破坏（shear failure,shear failure,表现为井眼坍塌表现为井眼坍塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse (collapse pressure)pressure)；如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力(tensile stress)(tensile stress)大于岩石的抗拉强度大于岩石的抗拉强度(tensile strength)(tensile strength)时，将时，将产生拉伸破坏（产生拉伸破坏（tensile failure,tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压表现为井漏），此时的临界井眼压力定义为破裂压力力定义为破裂压力(fracture pressure)(fracture pressure)。因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近的应力状态的应力状态(stress state)(stress state)，达到稳定井眼的目的。，达到稳定井眼的目的。2 2、井壁失稳与岩石破坏类型的关系、井壁失稳与岩石破坏类型的关系 井井壁壁失失稳稳(unstable(unstable borehole)borehole)时时岩岩石石的的破破坏坏类类型型主主要要有有两两种种：拉伸破坏拉伸破坏(tensile failure)(tensile failure)、剪切破坏（、剪切破坏（shear failure)shear failure)。剪切破坏又分为两种类型剪切破坏又分为两种类型:一一种种是是脆脆性性破破坏坏，导导致致井井眼眼扩扩大大，这这会会给给固固井井、测测井井带带来来问问题题。这这种种破破坏坏通通常常发发生生在在脆脆性性岩岩石石中中，但但对对于于弱弱胶胶结结地地层层由由于于冲冲蚀蚀作作用用也可能出现井眼扩大；也可能出现井眼扩大；另另一一种种是是延延性性破破坏坏，导导致致缩缩径径，发发生生在在软软泥泥岩岩、砂砂岩岩、岩岩盐盐等等地层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。地层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。实实际际上上井井壁壁稳稳定定与与否否最最终终都都表表现现在在井井眼眼围围岩岩的的应应力力状状态态。如如果果井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。3 3、井壁失稳的原因、井壁失稳的原因 通过以上分析，可以发现，影响井壁稳定的因素概括起来可分为四通过以上分析，可以发现，影响井壁稳定的因素概括起来可分为四大类：大类：（1 1）地质力学因素，原地应力状态）地质力学因素，原地应力状态(in site stress state)(in site stress state)、地、地层孔隙压力层孔隙压力(formation pore pressure)(formation pore pressure)、原地温度、地质构造特征、原地温度、地质构造特征(geological structural feature)(geological structural feature)等。这些因素是不可改变的，只能等。这些因素是不可改变的，只能准确地确定它们。准确地确定它们。（2 2）岩石的综合性质，岩石的强度）岩石的综合性质，岩石的强度(rock(rock strengthstrength)和变形和变形(deformationdeformation)特征等、孔隙度特征等、孔隙度(porosityporosity)、含水量、粘土含量、含水量、粘土含量(clay clay content content)、组成和压实情况等。、组成和压实情况等。（3 3）钻井液）钻井液(drilling fluid)(drilling fluid)的综合性质，化学组成、连续的综合性质，化学组成、连续相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对它们的物理力学性质的影响非常的大。它们的物理力学性质的影响非常的大。（4 4）其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身）其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身结构参数（井深、井斜角、方位角结构参数（井深、井斜角、方位角azimuth angle azimuth angle）、压力激动和）、压力激动和抽吸抽吸(surge and swab pressure)(surge and swab pressure)等。等。这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变得非常复杂。得非常复杂。易于发生井壁失稳的地区n高构造应力地区，如逆掩断层、山前构造带或大倾角地层n异常高孔隙压力n水敏性地层n裂缝性地层n低强度地区n垂直于地层层理钻进井眼较稳定n对裂缝性地层，提高钻井液密度不一定有助于防止坍塌n崩落后的井眼比圆形井眼更稳定n构造运动剧烈地区有可能通过优化井眼方位来改善稳定性；n减少井眼裸露时间是有益的n强抑制、严封堵、合理密度是防塌钻井液设计的方向n冷却钻井液有助于防塌 4 4、井壁稳定的研究方法、井壁稳定的研究方法 井壁稳定性井壁稳定性(borehole stability(borehole stability )的研究方法目前主要有三的研究方法目前主要有三种：一是泥浆化学研究，二是岩石力学研究，三是化学和力学藕种：一是泥浆化学研究，二是岩石力学研究，三是化学和力学藕合起来研究。合起来研究。泥浆化学方面研究泥浆化学方面研究:从泥浆化学方面研究井壁稳定，主要研究泥页岩水化膨胀的从泥浆化学方面研究井壁稳定，主要研究泥页岩水化膨胀的机理，寻找抑制泥页岩水化膨胀机理，寻找抑制泥页岩水化膨胀(hydrate expansion )(hydrate expansion )的化学的化学添加剂和泥浆体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。添加剂和泥浆体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。力学方面的研究力学方面的研究:岩石力学研究主要包括原地应力状态岩石力学研究主要包括原地应力状态(in site stress(in site stress state)state)的确定、岩石力学性质的确定、岩石力学性质(rock mechanical(rock mechanical character)character)的测定、井眼围岩应力的测定、井眼围岩应力(stresses around(stresses around borehole)borehole)分析，最终确定保持井眼稳定的合理泥浆密度分析，最终确定保持井眼稳定的合理泥浆密度(mud weight)(mud weight)。化学和力学藕合研究化学和力学藕合研究 泥浆化学和岩石力学藕合起来研究，尽可能多地搜集井泥浆化学和岩石力学藕合起来研究，尽可能多地搜集井眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂情况），尽可眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂情况），尽可能准确地估计岩石的性能，确定起主要作用的参数有哪些。能准确地估计岩石的性能，确定起主要作用的参数有哪些。井眼稳定分析所需资料n区域地质构造；岩性剖面n测井资料（井径、声波、密度、自然伽玛等）n录井资料n钻井设计任务书、井史及完井地质报告n岩心、岩性、岩相、岩石物性分析资料；n地层漏失试验及事故记录n其他部门的研究结果（地质、开发部门）n钻井过程中的其他测试资料分析步骤n判断井眼失稳性质（化学、力学、疏松岩层、塑性岩层）n了解构造背景、准确判定地应力特征；n分析岩性剖面，收集岩心、测井资料；n应用分析软件进行分析n将分析结果与钻进实际进行对比，进行必要的修正；n结合钻井液特性、井眼轨迹进行预测，并提出维护井眼稳定的措施。第二节第二节 井眼围岩应力分布井眼围岩应力分布 要进行井壁稳定的力学分析，首要任务之一就是确定井壁围岩的应力要进行井壁稳定的力学分析，首要任务之一就是确定井壁围岩的应力分布规律。分布规律。一、直井井壁围岩的应力分布一、直井井壁围岩的应力分布 下图是直井井眼下图是直井井眼(vertical borehole)(vertical borehole)力学模型，在力学模型，在X X方向无限远处方向无限远处作用有最大水平主应力，在作用有最大水平主应力，在Y Y方向无限远处作用有最小水平主应力，在井方向无限远处作用有最小水平主应力，在井眼内部作用有钻井液的静液压力，地层内部作用有地层孔隙压力。眼内部作用有钻井液的静液压力，地层内部作用有地层孔隙压力。由于地层是线弹性的，遵循叠加原理，图由于地层是线弹性的，遵循叠加原理，图8-18-1可分解为图可分解为图8-28-2所示的两个模所示的两个模型的叠加。一是厚壁筒型的叠加。一是厚壁筒(thick-wall cylinder)(thick-wall cylinder)模型，一是单向受压大板模型，一是单向受压大板小孔应力集中模型。这两个模型都是经典的弹性力学问题，具有解析解。小孔应力集中模型。这两个模型都是经典的弹性力学问题，具有解析解。图图8-1井壁围岩的应力分析井壁围岩的应力分析图图8-2线弹性地层井眼周围应力分布线弹性地层井眼周围应力分布单向受压无限大板小孔应力集中模型的解为：单向受压无限大板小孔应力集中模型的解为：厚壁筒模型的解为：厚壁筒模型的解为：当井内流体与地层流体相互渗透时，还应考虑流体渗滤的作用所当井内流体与地层流体相互渗透时，还应考虑流体渗滤的作用所引起的附加应力场引起的附加应力场 。将以上三方面综合起来（或叠加起来），即得直。将以上三方面综合起来（或叠加起来），即得直井井壁围岩应力分布：井井壁围岩应力分布：上式中：上式中：一一分为最大和最小水平主应力；分为最大和最小水平主应力；垂直主应力；垂直主应力；地层中的原始孔隙压力；地层中的原始孔隙压力；井眼压力；井眼压力；波松比；波松比；当井壁有渗透时，当井壁有渗透时，；当井壁无渗透时，；当井壁无渗透时，。Fig.6Co-ordinatesystemforadeviatedborehole 二、斜井围岩应力分布规律二、斜井围岩应力分布规律 斜井斜井(deviated borehole)(deviated borehole)时，所建时，所建立的坐标系需要转换，再经过一系列的比立的坐标系需要转换，再经过一系列的比较复杂的数学运算，可以得到井壁围岩的较复杂的数学运算，可以得到井壁围岩的应力分布（略）。应力分布（略）。Transformationsystem 已知井眼的应力分布规律后，根据一定的强度准则，就可以判断已知井眼的应力分布规律后，根据一定的强度准则，就可以判断井壁是否发生失稳破坏。井壁是否发生失稳破坏。一、井壁坍塌一、井壁坍塌 井井壁壁坍坍塌塌时时，井井壁壁上上发发生生的的是是剪剪切切破破坏坏，常常用用的的破破坏坏准准则则有有Mohre-CoulombMohre-Coulomb准则和准则和Drucker-PragerDrucker-Prager准则。准则。对对于于直直井井、均均匀匀水水平平原原地地应应力力、不不考考虑虑流流体体渗渗滤滤和和孔孔隙隙压压力力的的情情况，井壁围岩的应力状态：况，井壁围岩的应力状态：第三节第三节井壁的坍塌与破裂井壁的坍塌与破裂 根据井壁上的主应力分量的相对大小不同，可能存在几种破坏情根据井壁上的主应力分量的相对大小不同，可能存在几种破坏情况。在况。在 的情况下，根据的情况下，根据Mohre-CoulombMohre-Coulomb准则有：准则有：若井眼压力低于上式的值，井壁就会发生剪切破坏（井壁坍塌）。若井眼压力低于上式的值，井壁就会发生剪切破坏（井壁坍塌）。随随着着井井眼眼压压力力的的提提高高会会出出现现 的的情情况况，仍仍根根据据莫莫尔尔一库仑准则，有：一库仑准则，有：若井眼压力高于上式的值，井壁就会发生剪切破坏若井眼压力高于上式的值，井壁就会发生剪切破坏（井壁坍塌）。井壁坍塌）。可见剪切破坏存在一个低限和一个高限，在低限和高限之间井壁才能可见剪切破坏存在一个低限和一个高限，在低限和高限之间井壁才能保持稳定。保持稳定。对于直井、非均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力（对于直井、非均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力（pore pressure pore pressure）的情况，井壁围岩的应力状态：）的情况，井壁围岩的应力状态：由上式可以看出，井壁应力分量与圆周角由上式可以看出，井壁应力分量与圆周角 有关，有关，当当 时时，最最大大。对对于于 的的情情况况，剪剪切切破破坏坏（shear shear failure failure）最最 先先 出出 现现 在在 最最 小小 水水 平平 地地 应应 力力(minimum(minimum horizontal in site stress)horizontal in site stress)的方向。的方向。s1s1s2s2RqrZ(reiq)图图8-3 8-3 计算井壁附近应力场的坐标系计算井壁附近应力场的坐标系s1+s22(s1s2)Opp/2qsq图图8-4 8-4 井壁围岩应力随井壁围岩应力随q角的分布角的分布 从从上上式式可可以以看看出出，最最小小水水平平主主应应力力降降低低，就就意意味味着着剪剪切切破破坏坏下下限限的的升升高高。对对于于斜斜井井，井井壁壁上上存存在在剪剪应应力力分分量量，应应先先求求出出主主应应力力分分量量（公式复杂）（公式复杂），再利用破坏准则（，再利用破坏准则（failure criterion failure criterion）求解。）求解。三、井壁破裂的判据三、井壁破裂的判据 对于拉伸破坏一般采用最大拉应力理论：对于拉伸破坏一般采用最大拉应力理论：其中其中 为井壁上的最小主应力；为井壁上的最小主应力；为地层的抗拉强度。为地层的抗拉强度。对于直井，均匀水平地应力的情况，有对于直井，均匀水平地应力的情况，有:对于直井，非均匀水平地应力的情况对于直井，非均匀水平地应力的情况 ：Fig.10Atanyspecifiedpointalongaproposedorexistingwellpath,RockXpertanalysiscanidentifystableboreholeconditionsasafunctionofmudweightandboreholedeviation.某某油油田田井井深深为为26002600米米的的砂砂岩岩地地层层，强强度度符符合合库库仑仑-莫莫尔尔准准则则，其其内内聚聚力力为为6.0Mpa6.0Mpa，内内摩摩擦擦角角43.843.8，泊泊松松比比为为0.20.2，单单轴轴抗抗拉拉强强度度为为0 0。地地层层的的上上覆覆岩岩层层压压力力梯梯度度为为22.6Kpa/m22.6Kpa/m，地地层层孔孔隙隙压压力力梯梯度度为为12.2Kpa/m12.2Kpa/m，假假设设水水平平地地应应力力均均匀匀，且且其其应应力力梯梯度度为为17.0Kpa/m17.0Kpa/m。试确定打开该砂岩层的合理泥浆密度范围？试确定打开该砂岩层的合理泥浆密度范围？第四节第四节 合理泥浆密度窗口的确定合理泥浆密度窗口的确定解：（解：（1 1）原地应力状态的确定原地应力状态的确定 上覆岩层压力上覆岩层压力 水平地应力水平地应力 （2 2）地层孔隙压力地层孔隙压力 （3 3）地层破裂压力）地层破裂压力 当泥浆密度为：当泥浆密度为：（4 4）地层坍塌压力）地层坍塌压力 井壁上的应力分量为：井壁上的应力分量为：(径向应力径向应力)(周向应力周向应力)(轴向应力轴向应力)从从井井壁壁上上的的应应力力分分布布来来看看,最最大大主主应应力力是是在在上上覆覆岩岩层层压压力力方方向向上上,即即:当当 时时,最小主应力所在的方向就有两种可能性最小主应力所在的方向就有两种可能性:若若，则有：，则有：因而：因而：当量泥浆密度为：当量泥浆密度为：若若 ，则有：，则有：因而：因而：当泥浆密度为：当泥浆密度为：因此打开该砂岩层的合理泥浆密度范围是：因此打开该砂岩层的合理泥浆密度范围是：