第6章1：井壁失稳机理及控制方法

<现代油气井工程理论和方法>第六章：

井壁失稳的力学机理

与控制方法目录基本概念地应力和岩石力学参数测定地层的坍塌压力和破裂压力及其影响因素解决井壁失稳的基本方法应用举例双南地区地层孔隙压力分布规律研究双南地区地层破裂压力分布规律研究双南地区地层坍塌压力分布规律研究结论（双南地区）一、基本概念—几个压力的定义地层孔隙压力（Pp）：是指作用在岩石孔隙内流体（油气水）上的压力；对应当量密度p；地层破裂压力（Pf）：使地层破裂的最小井内液柱压力；对应当量密度f；地层坍塌压力（Pc）：使井壁岩石产生剪切破坏而造成坍塌掉块的最小井内液柱压力；当量密度c；井内流体循环当量压力（PECD）：由井内液柱重力和循环压耗引起的压力，其大小与流体循环当量密度（ECD）和井深有关。基本概念—井壁不稳定性机理当PECD<Pp时，则井涌，甚至引起井喷；当PECD>Pf时，则井漏；当PECD<Pc时，则井塌或缩径；当Pc

Pp时，则井壁稳定性要求：Pp<PECD<Pf；泥浆密度窗口：=f—p当Pp

<Pc时，则井壁稳定性要求：Pc<PECD<Pf；泥浆密度窗口：=f—c当Pf

Pc时，则井壁不塌就漏，无法压力控制。vHhHsurfaceIn-situstressstateofanpointintheformationcanbeexpressedbythreeprinciplestresses(v,H,h)。Thein-situstressanisotropymaybedescribedbytheanisotropiccoefficient(K)whichisdefinedasK=H/h

.二、地应力及岩石力学参数测定二、地应力及岩石力学参数测定地应力测量技术：凯塞尔效应法:凯塞尔效应是岩石具有记忆其应历史上所承受的最大应力的能力。岩石加载过程中，声发射强度显著增大处所对应的载荷应力为凯塞尔点应力。测定在与柱状岩芯轴线垂直的水平面内，以45度的角增量的三块岩样和轴向岩样的凯塞尔点应力，根据张量理论可解释岩芯所处地层的地应力状态。地应力测量技术地应力测量实验系统地应力声发射测量曲线根据声发射实验结果计算地应力式中：表示有效应力系数；为0与最小水平地应力（h）的夹角，它的转向应使h

轴与Min{0，45

，90}有最小的夹角。典型的水力压裂试验曲线

某深探井破裂试验曲线，1994年1月31日现场破裂试验法确定水平地应力破裂试验宜在技术套管鞋以下钻出几米裸眼后进行从破裂试验压力曲线上可以确定以下数据：破裂压力Pf，它反映了井内液压使地层破裂而形成裂缝；延伸压力Ppro，它反映了保持裂缝扩展所需压力值；瞬时停泵压力Ps，它反映了能维持住裂缝开启的液压值；裂缝重张压力Pr，重新启动注入泵使闭合的裂缝重开。计算公式（最小和最大水平地应力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

琼002井试验井段(井深H=4340m)的地应力：

水平地应力非均匀性系数：凯塞尔效应法计算结果水力破裂试验法计算结果双南地区地应力声发射法测定结果地应力方向：椭圆井眼长轴方位在N70—85E之间构造应力系数：1=1.02764，2=0.34162渤海油田地应力声发射法测定结果岩石力学参数测试通过岩石动静态力学参数的测定，找出横波速度、静泊松比、杨氏模量与纵波速度、岩石密度、泥质含量、围压、轴压差应力的相互关系，以及内粘聚力和内摩擦角的关系。可以利用声波测井资料求得动态弹性参数，然后利用由实验确定的动静转换关系式，对动态弹性参数进行静态转换。双南地区静态岩石力学参数测试结果渤海油田静态岩石力学参数测试结果动静态弹性参数转换关系(砂泥岩地层）式中：SD表示岩样所承受的轴向应力与围压之差，亦即在实际测井中等于地层上覆应力与泥浆压力之差；s、Es和d、Ed分别表示静态和动态的泊松比、弹性模量。岩石强度参数与声波速度的系式三、地层的坍塌压力和破裂压力

及其影响因素研究对于直井来说，井壁应力应是三个主地应力、孔隙压力和井内泥浆柱压力联合作用下的结果。（一般来说，在水平最小主地应力方位处发生坍塌，在水平最大地应力方位处发生破裂）。对于定向井来说，由于上覆岩层压力与井轴不再重合，水平地应力不再与井轴正交，因此井壁周围岩石在法向正应力和切向剪应力的联合作用下处于三维应力状态。井壁岩石在与井轴垂直的平面内不仅受到正应力的作用，而且还存在着剪应力，它们对井壁岩石的破坏形态都有影响。地层岩石破坏准则

地层破裂准则：认为地层受压破裂为拉伸断裂机制所控制，即当井壁上的一个有效主应力达到岩石的拉伸强度值时便发生地层破裂。井壁剪切破坏准则：Mohr-Coulomb准则——假设只有最大和最小主应力对破坏有影响,该模型认为同性材料抵抗破坏的抗剪力等于沿潜在破坏面滑动时的摩擦阻力与内聚力之和；Drucker-Prager准则——认为中间主应力对破坏亦有影响。

地层坍塌压力及破裂压力的确定方法在给定岩石强度参数和原地应力条件下，计算井壁岩石的应力状态，并求出其主应力值，代入相应的破坏准则方程中去，即可算出保持井壁稳定的坍塌压力和破裂压力。对于定向井，井壁上的各主应力值本身既是井眼压力的函数，又与井周角θ有关，因而不能象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。井壁岩石的应力状态井眼周围岩石应力分量井眼横截面受力状态地层坍塌压力及破裂压力计算模式坍塌压力：破裂压力：

式中：K=ctg(45-Φ/2)；

H—井深(m)；

b—井壁不发生坍塌的最小泥浆密度；

H，h—最大，最小水平地应力(MPa)；

—考虑岩石非线性性质的修正系数； f—地层破裂压力当量密度；

St—抗拉强度。岩石强度参数的确定现场的岩芯在室内进行模拟井下条件的高温高压试验岩石的C，，St，，等参数地层测井数据解释Vp、Vs、和VclK（=H/h）对地层破裂压力及坍塌压力的影响井眼方向对井壁稳定性的影响

最大水平地应力与最小水平地应力的比值（地应力非均匀系数K），对坍塌压力和破裂压力有显著的影响：该比值越大，则坍塌压力与破裂压力的差值（泥浆密度窗口）就越小，钻井作业就越困难，甚至出现既漏又塌的灾难性事故。因此，上覆压力为中间主应力时，若直井安全，则斜井和水平井也一定安全，上覆压力为最大主应力时，只要垂井是不安全的，则斜井和水平井也一定不安全地应力状态及钻进方向对井壁稳定性的影响

钻进方向VHhH>V>h

最不稳定

V>H>h最不稳定H>h>V最不稳定地应力状态中国不同地区地应力分布规律陆上多数油田和渤海湾地区：H>V>h大庆长垣构造（不包括外围探区）：H>h>

V南海油田、苏北油田、新疆玛湖浅层及辽河油田双南地区等：V>H>h因此，各地区的地应力数值应具体测定。定向井坐标变换图1.1井斜角和井斜方位角对破裂压力和坍塌压力的影响

(垂向地应力处于中间、井壁不渗透、摩尔-库伦准则

)

曲线1,2,3表示井斜角为30,60,90度时的坍塌压力曲线1,2,3表示方位角为30,60,90度时的坍塌压力

曲线4,5,6表示井斜角为30,60,90度时的破裂压力曲线4,5,6表示方位角为30,60,90度时的破裂压力图1.5井斜角和井斜方位角对破裂压力和坍塌压力的影响

(垂向地应力为最大时、井壁不渗透、摩尔-库伦准则）

曲线1,2,3表示井斜角为30,60,90度时的坍塌压力曲线1,2,3表示方位角为30,60,90度时的坍塌压力

曲线4,5,6表示井斜角为30,60,90度时的破裂压力曲线4,5,6表示方位角为30,60,90度时的破裂压力岩石物性对井壁稳定性的影响粘聚力和内摩擦角增大，井壁稳定性提高，钻井就安全（图1.2）；硬脆性泥页岩相对于易变形的泥页岩来说，井壁稳定性稍好些，易漏不易塌，泥浆密度调整范围较小（图1.3）；泥浆造壁性能不好，井壁稳定性降低，钻井就不安全（图1.4）；钻遇孔隙压力异常高压地层时，易漏易塌，井壁稳定性降低。图1.2粘接强度(Ｃ)和内摩擦角()对坍塌压力值的影响

（注：左图中1－坍塌压力，2－破裂压力;

右图中的井眼压力为坍塌压力）

图1.3泊松比对坍塌压力、破裂压力的影响

(注：图中1－坍塌压力；2－破裂压力)图1.4渗透性对坍塌压力、破裂压力的影响

（垂向地应力为中间主应力）

（左图：方位角为60度，右图：井斜角为30度）

四、解决井壁失稳的基本方法化学方法：钻井液体系性能与所钻地层理化特性相匹配化学强化固井壁力学方法：确定合理泥浆密度优化井眼方向设计优化井身结构设计，封固不稳定井段改善工艺操作，减少动力载荷作用提高机械钻速，减少裸眼时间五、应用举例双南地区地层孔隙压力分布规律双南地区地层破裂压力分布规律双南地区地层坍塌压力分布规律结论

5.1、双南地区地层孔隙压力分布规律资料收集与处理：收集了双南地区双201等15口井的声波测井资料（见表4），建立了数据库，并编制了相应的计算机处理软件系统。声波时差正常趋势线的确定：利用正常压实地层泥页岩声波时差点进行回归求得，如表5所示。地层密度正常趋势线的确定：如表6所示。地层孔隙压力梯度的确定:选用常用的经验系数法和Eaton法。经试算分析得到了适用于双南地区的Eaton法指数n=0.3，取地层水密度w=1.00g/cm3。双南地区高压地层统计结果如表7所示。表4：双南地区声波时差资料统计结果表5：双南地区声波时差正常趋势线方程系数表6：双南地区地层密度正常趋势线方程表7：双南地区高压地层统计结果双南地区地层孔隙压力分布规律第四系平原组（Qp）：地层孔隙压力变化不大，地层孔隙压力梯度当量密度一般在1.00～1.01g/cm3之间变化，平原组属静水压力系统，无压力异常。上第三系明化镇组（Nm）：地层孔隙压力变化不明显，地层孔隙压力梯度当量密度值在1.00～1.01g/cm3之间，属静水压力系统，无压力异常。上第三系馆陶组（Ng）：地层孔隙压力梯度当量密度变化不大，一般在1.00～1.05g/cm3之间，压力异常较小。下第三系东营组（Ed）：地层孔隙压力变化较明显，地层孔隙压力梯度当量密度值一般在1.00～1.18g/cm3之间，属压力异常过渡带。下第三系沙河街一二组（Es1）：地层孔隙压力变化明显，地层孔隙压力梯度当量密度值在1.00～1.201g/cm3之间，属异常高压地层。5.1、双南地区地层破裂压力分布规律从双南地区几口井的井漏记录可以看出：当时的泥浆密度在1.28~1.50g/cm3之间，而计算得出对应井段的地层破裂压力在1.70~1.93g/cm3之间，在这种情况下为什么还会发生井漏呢？表1：辽河油田双南地区钻井事故统计双南地区地层破裂压力分布规律研究我们认真地查阅了发生井漏井的井史，经分析总结得出：井漏大部分发生在下完钻开泵时，这是由于泥浆动塑比过大，环空流动阻力大，致使开泵激动压力大，鳖漏地层；有部分发生在下钻过程中，这是由于下钻时激动压力造成的。根据几口井当时的泥浆性能，我们作了瞬间激动压力计算，双南地区起下钻的激动压力附加值在0.05-0.12g/cm3

，而刚开泵时激动压力可达0.4-0.53g/cm3。另外，在双南地区上部地层存在胶结疏松地层（如明化镇下部），这也是发生井漏的另外一个原因。建议以后在本地区钻井施工过程中，在下钻时坚持多段循环泥浆，来降低开泵时的激动压力大小