第6章1：井壁失穩(wěn)機理及控制方法

<現(xiàn)代油氣井工程理論和方法>第六章：

井壁失穩(wěn)的力學機理

與控制方法目錄基本概念地應力和巖石力學參數(shù)測定地層的坍塌壓力和破裂壓力及其影響因素解決井壁失穩(wěn)的基本方法應用舉例雙南地區(qū)地層孔隙壓力分布規(guī)律研究雙南地區(qū)地層破裂壓力分布規(guī)律研究雙南地區(qū)地層坍塌壓力分布規(guī)律研究結(jié)論（雙南地區(qū)）一、基本概念—幾個壓力的定義地層孔隙壓力（Pp）：是指作用在巖石孔隙內(nèi)流體（油氣水）上的壓力；對應當量密度p；地層破裂壓力（Pf）：使地層破裂的最小井內(nèi)液柱壓力；對應當量密度f；地層坍塌壓力（Pc）：使井壁巖石產(chǎn)生剪切破壞而造成坍塌掉塊的最小井內(nèi)液柱壓力；當量密度c；井內(nèi)流體循環(huán)當量壓力（PECD）：由井內(nèi)液柱重力和循環(huán)壓耗引起的壓力，其大小與流體循環(huán)當量密度（ECD）和井深有關(guān)?；靖拍睢诓环€(wěn)定性機理當PECD<Pp時，則井涌，甚至引起井噴；當PECD>Pf時，則井漏；當PECD<Pc時，則井塌或縮徑；當Pc

Pp時，則井壁穩(wěn)定性要求：Pp<PECD<Pf；泥漿密度窗口：=f—p當Pp

<Pc時，則井壁穩(wěn)定性要求：Pc<PECD<Pf；泥漿密度窗口：=f—c當Pf

Pc時，則井壁不塌就漏，無法壓力控制。vHhHsurfaceIn-situstressstateofanpointintheformationcanbeexpressedbythreeprinciplestresses(v,H,h)。Thein-situstressanisotropymaybedescribedbytheanisotropiccoefficient(K)whichisdefinedasK=H/h

.二、地應力及巖石力學參數(shù)測定二、地應力及巖石力學參數(shù)測定地應力測量技術(shù)：凱塞爾效應法:凱塞爾效應是巖石具有記憶其應歷史上所承受的最大應力的能力。巖石加載過程中，聲發(fā)射強度顯著增大處所對應的載荷應力為凱塞爾點應力。測定在與柱狀巖芯軸線垂直的水平面內(nèi)，以45度的角增量的三塊巖樣和軸向巖樣的凱塞爾點應力，根據(jù)張量理論可解釋巖芯所處地層的地應力狀態(tài)。地應力測量技術(shù)地應力測量實驗系統(tǒng)地應力聲發(fā)射測量曲線根據(jù)聲發(fā)射實驗結(jié)果計算地應力式中：表示有效應力系數(shù)；為0與最小水平地應力（h）的夾角，它的轉(zhuǎn)向應使h

軸與Min{0，45

，90}有最小的夾角。典型的水力壓裂試驗曲線

某深探井破裂試驗曲線，1994年1月31日現(xiàn)場破裂試驗法確定水平地應力破裂試驗宜在技術(shù)套管鞋以下鉆出幾米裸眼后進行從破裂試驗壓力曲線上可以確定以下數(shù)據(jù)：破裂壓力Pf，它反映了井內(nèi)液壓使地層破裂而形成裂縫；延伸壓力Ppro，它反映了保持裂縫擴展所需壓力值；瞬時停泵壓力Ps，它反映了能維持住裂縫開啟的液壓值；裂縫重張壓力Pr，重新啟動注入泵使閉合的裂縫重開。計算公式（最小和最大水平地應力h和H）：InXJ24-1oilfieldinsouth-Chinasea,Azimuthofthemaximumhorizontalin-situstress:isN120°－125°E.ThedesignedazimuthofaERWpathis116°.Porepressuer：0.99MPa/100mVerticalstress：2.22MPa/100mMaximumhorizontalstress：1.92MPa/100mMinimumhorizontalstress：1.45MPa/100mCasestudy

瓊002井試驗井段(井深H=4340m)的地應力：

水平地應力非均勻性系數(shù)：凱塞爾效應法計算結(jié)果水力破裂試驗法計算結(jié)果雙南地區(qū)地應力聲發(fā)射法測定結(jié)果地應力方向：橢圓井眼長軸方位在N70—85E之間構(gòu)造應力系數(shù)：1=1.02764，2=0.34162渤海油田地應力聲發(fā)射法測定結(jié)果巖石力學參數(shù)測試通過巖石動靜態(tài)力學參數(shù)的測定，找出橫波速度、靜泊松比、楊氏模量與縱波速度、巖石密度、泥質(zhì)含量、圍壓、軸壓差應力的相互關(guān)系，以及內(nèi)粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系。可以利用聲波測井資料求得動態(tài)彈性參數(shù)，然后利用由實驗確定的動靜轉(zhuǎn)換關(guān)系式，對動態(tài)彈性參數(shù)進行靜態(tài)轉(zhuǎn)換。雙南地區(qū)靜態(tài)巖石力學參數(shù)測試結(jié)果渤海油田靜態(tài)巖石力學參數(shù)測試結(jié)果動靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系(砂泥巖地層）式中：SD表示巖樣所承受的軸向應力與圍壓之差，亦即在實際測井中等于地層上覆應力與泥漿壓力之差；s、Es和d、Ed分別表示靜態(tài)和動態(tài)的泊松比、彈性模量。巖石強度參數(shù)與聲波速度的系式三、地層的坍塌壓力和破裂壓力

及其影響因素研究對于直井來說，井壁應力應是三個主地應力、孔隙壓力和井內(nèi)泥漿柱壓力聯(lián)合作用下的結(jié)果。（一般來說，在水平最小主地應力方位處發(fā)生坍塌，在水平最大地應力方位處發(fā)生破裂）。對于定向井來說，由于上覆巖層壓力與井軸不再重合，水平地應力不再與井軸正交，因此井壁周圍巖石在法向正應力和切向剪應力的聯(lián)合作用下處于三維應力狀態(tài)。井壁巖石在與井軸垂直的平面內(nèi)不僅受到正應力的作用，而且還存在著剪應力，它們對井壁巖石的破壞形態(tài)都有影響。地層巖石破壞準則

地層破裂準則：認為地層受壓破裂為拉伸斷裂機制所控制，即當井壁上的一個有效主應力達到巖石的拉伸強度值時便發(fā)生地層破裂。井壁剪切破壞準則：Mohr-Coulomb準則——假設(shè)只有最大和最小主應力對破壞有影響,該模型認為同性材料抵抗破壞的抗剪力等于沿潛在破壞面滑動時的摩擦阻力與內(nèi)聚力之和；Drucker-Prager準則——認為中間主應力對破壞亦有影響。

地層坍塌壓力及破裂壓力的確定方法在給定巖石強度參數(shù)和原地應力條件下，計算井壁巖石的應力狀態(tài)，并求出其主應力值，代入相應的破壞準則方程中去，即可算出保持井壁穩(wěn)定的坍塌壓力和破裂壓力。對于定向井，井壁上的各主應力值本身既是井眼壓力的函數(shù)，又與井周角θ有關(guān)，因而不能象垂直井那樣得到井壁破壞壓力的解析式，而只能采用數(shù)值迭代法求解。井壁巖石的應力狀態(tài)井眼周圍巖石應力分量井眼橫截面受力狀態(tài)地層坍塌壓力及破裂壓力計算模式坍塌壓力：破裂壓力：

式中：K=ctg(45-Φ/2)；

H—井深(m)；

b—井壁不發(fā)生坍塌的最小泥漿密度；

H，h—最大，最小水平地應力(MPa)；

—考慮巖石非線性性質(zhì)的修正系數(shù)； f—地層破裂壓力當量密度；

St—抗拉強度。巖石強度參數(shù)的確定現(xiàn)場的巖芯在室內(nèi)進行模擬井下條件的高溫高壓試驗巖石的C，，St，，等參數(shù)地層測井數(shù)據(jù)解釋Vp、Vs、和VclK（=H/h）對地層破裂壓力及坍塌壓力的影響井眼方向?qū)诜€(wěn)定性的影響

最大水平地應力與最小水平地應力的比值（地應力非均勻系數(shù)K），對坍塌壓力和破裂壓力有顯著的影響：該比值越大，則坍塌壓力與破裂壓力的差值（泥漿密度窗口）就越小，鉆井作業(yè)就越困難，甚至出現(xiàn)既漏又塌的災難性事故。因此，上覆壓力為中間主應力時，若直井安全，則斜井和水平井也一定安全，上覆壓力為最大主應力時，只要垂井是不安全的，則斜井和水平井也一定不安全地應力狀態(tài)及鉆進方向?qū)诜€(wěn)定性的影響

鉆進方向VHhH>V>h

最不穩(wěn)定

V>H>h最不穩(wěn)定H>h>V最不穩(wěn)定地應力狀態(tài)中國不同地區(qū)地應力分布規(guī)律陸上多數(shù)油田和渤海灣地區(qū)：H>V>h大慶長垣構(gòu)造（不包括外圍探區(qū)）：H>h>

V南海油田、蘇北油田、新疆瑪湖淺層及遼河油田雙南地區(qū)等：V>H>h因此，各地區(qū)的地應力數(shù)值應具體測定。定向井坐標變換圖1.1井斜角和井斜方位角對破裂壓力和坍塌壓力的影響

(垂向地應力處于中間、井壁不滲透、摩爾-庫倫準則

)

曲線1,2,3表示井斜角為30,60,90度時的坍塌壓力曲線1,2,3表示方位角為30,60,90度時的坍塌壓力

曲線4,5,6表示井斜角為30,60,90度時的破裂壓力曲線4,5,6表示方位角為30,60,90度時的破裂壓力圖1.5井斜角和井斜方位角對破裂壓力和坍塌壓力的影響

(垂向地應力為最大時、井壁不滲透、摩爾-庫倫準則）

曲線1,2,3表示井斜角為30,60,90度時的坍塌壓力曲線1,2,3表示方位角為30,60,90度時的坍塌壓力

曲線4,5,6表示井斜角為30,60,90度時的破裂壓力曲線4,5,6表示方位角為30,60,90度時的破裂壓力巖石物性對井壁穩(wěn)定性的影響粘聚力和內(nèi)摩擦角增大，井壁穩(wěn)定性提高，鉆井就安全（圖1.2）；硬脆性泥頁巖相對于易變形的泥頁巖來說，井壁穩(wěn)定性稍好些，易漏不易塌，泥漿密度調(diào)整范圍較?。▓D1.3）；泥漿造壁性能不好，井壁穩(wěn)定性降低，鉆井就不安全（圖1.4）；鉆遇孔隙壓力異常高壓地層時，易漏易塌，井壁穩(wěn)定性降低。圖1.2粘接強度(Ｃ)和內(nèi)摩擦角()對坍塌壓力值的影響

（注：左圖中1－坍塌壓力，2－破裂壓力;

右圖中的井眼壓力為坍塌壓力）

圖1.3泊松比對坍塌壓力、破裂壓力的影響

(注：圖中1－坍塌壓力；2－破裂壓力)圖1.4滲透性對坍塌壓力、破裂壓力的影響

（垂向地應力為中間主應力）

（左圖：方位角為60度，右圖：井斜角為30度）

四、解決井壁失穩(wěn)的基本方法化學方法：鉆井液體系性能與所鉆地層理化特性相匹配化學強化固井壁力學方法：確定合理泥漿密度優(yōu)化井眼方向設(shè)計優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，封固不穩(wěn)定井段改善工藝操作，減少動力載荷作用提高機械鉆速，減少裸眼時間五、應用舉例雙南地區(qū)地層孔隙壓力分布規(guī)律雙南地區(qū)地層破裂壓力分布規(guī)律雙南地區(qū)地層坍塌壓力分布規(guī)律結(jié)論

5.1、雙南地區(qū)地層孔隙壓力分布規(guī)律資料收集與處理：收集了雙南地區(qū)雙201等15口井的聲波測井資料（見表4），建立了數(shù)據(jù)庫，并編制了相應的計算機處理軟件系統(tǒng)。聲波時差正常趨勢線的確定：利用正常壓實地層泥頁巖聲波時差點進行回歸求得，如表5所示。地層密度正常趨勢線的確定：如表6所示。地層孔隙壓力梯度的確定:選用常用的經(jīng)驗系數(shù)法和Eaton法。經(jīng)試算分析得到了適用于雙南地區(qū)的Eaton法指數(shù)n=0.3，取地層水密度w=1.00g/cm3。雙南地區(qū)高壓地層統(tǒng)計結(jié)果如表7所示。表4：雙南地區(qū)聲波時差資料統(tǒng)計結(jié)果表5：雙南地區(qū)聲波時差正常趨勢線方程系數(shù)表6：雙南地區(qū)地層密度正常趨勢線方程表7：雙南地區(qū)高壓地層統(tǒng)計結(jié)果雙南地區(qū)地層孔隙壓力分布規(guī)律第四系平原組（Qp）：地層孔隙壓力變化不大，地層孔隙壓力梯度當量密度一般在1.00～1.01g/cm3之間變化，平原組屬靜水壓力系統(tǒng)，無壓力異常。上第三系明化鎮(zhèn)組（Nm）：地層孔隙壓力變化不明顯，地層孔隙壓力梯度當量密度值在1.00～1.01g/cm3之間，屬靜水壓力系統(tǒng)，無壓力異常。上第三系館陶組（Ng）：地層孔隙壓力梯度當量密度變化不大，一般在1.00～1.05g/cm3之間，壓力異常較小。下第三系東營組（Ed）：地層孔隙壓力變化較明顯，地層孔隙壓力梯度當量密度值一般在1.00～1.18g/cm3之間，屬壓力異常過渡帶。下第三系沙河街一二組（Es1）：地層孔隙壓力變化明顯，地層孔隙壓力梯度當量密度值在1.00～1.201g/cm3之間，屬異常高壓地層。5.1、雙南地區(qū)地層破裂壓力分布規(guī)律從雙南地區(qū)幾口井的井漏記錄可以看出：當時的泥漿密度在1.28~1.50g/cm3之間，而計算得出對應井段的地層破裂壓力在1.70~1.93g/cm3之間，在這種情況下為什么還會發(fā)生井漏呢？表1：遼河油田雙南地區(qū)鉆井事故統(tǒng)計雙南地區(qū)地層破裂壓力分布規(guī)律研究我們認真地查閱了發(fā)生井漏井的井史，經(jīng)分析總結(jié)得出：井漏大部分發(fā)生在下完鉆開泵時，這是由于泥漿動塑比過大，環(huán)空流動阻力大，致使開泵激動壓力大，鱉漏地層；有部分發(fā)生在下鉆過程中，這是由于下鉆時激動壓力造成的。根據(jù)幾口井當時的泥漿性能，我們作了瞬間激動壓力計算，雙南地區(qū)起下鉆的激動壓力附加值在0.05-0.12g/cm3

，而剛開泵時激動壓力可達0.4-0.53g/cm3。另外，在雙南地區(qū)上部地層存在膠結(jié)疏松地層（如明化鎮(zhèn)下部），這也是發(fā)生井漏的另外一個原因。建議以后在本地區(qū)鉆井施工過程中，在下鉆時堅持多段循環(huán)泥漿，來降低開泵時的激動壓力大小