石油鉆井任意井眼的井壁穩(wěn)定性研究.pdf

1、井壁穩(wěn)定性問題是石油鉆井過程中普遍存在而且是一直是困擾石油工業(yè)界的一個(gè)重大問題，一直受到國內(nèi)外石油鉆井界專家們的關(guān)注，是國內(nèi)外鉆井技術(shù)界一直堅(jiān)持不懈努力攻關(guān)的重要內(nèi)容。研究表明井壁穩(wěn)定性問題既有力學(xué)問題，也有化學(xué)問題，而化學(xué)問題最終仍然反映到力學(xué)問題上。井壁穩(wěn)定性研究是多學(xué)科發(fā)展共同的結(jié)果，譬如化學(xué)、彈性力學(xué)、測井解釋等，本文重點(diǎn)是進(jìn)行力學(xué)分析，但涉及到測井方法的應(yīng)用。本文將現(xiàn)今對地應(yīng)力、巖石力學(xué)參數(shù)的測井法進(jìn)行了歸納和總結(jié)，因測井法本

2、身就是一門復(fù)雜的學(xué)科，所以本文并未對測井法做深入的研究。
　　鉆井液密度在井壁穩(wěn)定控制中起著舉足輕重的作用，它是在諸多因素中唯一可控的因素。本文主要工作就是求解防止井壁失穩(wěn)的鉆井液密度。本文根據(jù)線彈性理論建立模型推導(dǎo)出求井壁圍巖受力公式，并分別與常用的三個(gè)剪切破壞準(zhǔn)則Mohr-Columb準(zhǔn)則、Drucker-Prager準(zhǔn)則、修正 Lade準(zhǔn)則聯(lián)立，代入井下深處巖石的巖石參數(shù)，便可求解出防止井壁坍塌的鉆井液極限密度。研究表明在相

3、同參數(shù)條件下，三個(gè)剪切準(zhǔn)則的求解結(jié)果差異較大。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則得到的安全密度窗口過于保守，根據(jù) Druck-Prager準(zhǔn)則安全鉆井液密度窗口可能與實(shí)際相差很大，得出錯(cuò)誤的結(jié)論。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則沒有考慮中間主應(yīng)力對巖石的破壞作用，而 Druck-Prager準(zhǔn)則則過于夸大了中間主應(yīng)力對巖石的破壞作用。因此，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、Druck-Prager準(zhǔn)則均不能很好的反映中間主應(yīng)力對巖石破壞作用的影響。M

4、odified-Lade準(zhǔn)則彌補(bǔ)了這兩個(gè)準(zhǔn)則的不足，能準(zhǔn)確的體現(xiàn)中間主應(yīng)力對巖石的破壞作用的影響。
　　因絕大多數(shù)巖石都表現(xiàn)出一定程度的彈塑性，即巖石在破壞前會(huì)經(jīng)由一段塑性變形，而非直接脆性破壞。所以又運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對井壁巖石進(jìn)行彈塑性分析，將二者的結(jié)果進(jìn)行對比。本文給出參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，從模擬結(jié)果觀察井壁井徑坍塌擴(kuò)大率，因此可以得知，鉆井液密度對井徑擴(kuò)大率有很大的影響，當(dāng)鉆井液密度小于某一臨界值時(shí)井徑擴(kuò)大率急劇增加

5、，當(dāng)鉆井液密度大于臨界值時(shí)，鉆井液的密度變化對井徑擴(kuò)大率影響較小。實(shí)際鉆井中，只要控制鉆井液密度大于其臨界值，即可保持井壁不發(fā)生坍塌，從而提高機(jī)械鉆速，保證鉆井安全運(yùn)作，降低費(fèi)用。井壁穩(wěn)定線彈性模型雖然能很好的描述脆性地層的破壞特性，但并不能完全真實(shí)地體現(xiàn)深部彈塑性巖層的力學(xué)行為。從這個(gè)意義上講，對井下深處巖石應(yīng)用線彈性模型求解鉆井液密度，其預(yù)算結(jié)果將偏大將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，而運(yùn)用彈塑性模型計(jì)算鉆井液密度更加適用于實(shí)際應(yīng)用。
　　

6、地應(yīng)力在井壁穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，本文從四種不同的地應(yīng)力狀況研究了地應(yīng)力與井斜角、方位角、井周角之間的一般規(guī)律，即：在兩水平地應(yīng)力相等的情況下，井斜角為零時(shí)，坍塌壓力不隨方位角和井周角變化；在水平應(yīng)力不等，垂直應(yīng)力最大時(shí)，井斜角由π/6到π/3變化時(shí)，各方位井壁穩(wěn)定性差別增大。井斜角由π/6到π/2變化時(shí)，沿著小角度方位角鉆進(jìn)井壁才安全；垂直應(yīng)力為中間值時(shí)，井斜角在π/3到π/2變化時(shí)，沿小角度方位角鉆進(jìn)，井壁不坍塌；垂直應(yīng)力為最小