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钻井工艺大斜度井水平井井壁力学稳定性技术现状廖扬强1,余庆2(1中原油田钻井三公司技术科2中原油田钻井二公司技术发展部)摘要:井壁不稳定是大斜度井和水平井钻井中必须考虑的问题,文中从力学方面对井壁稳定性技术现状进行了回顾,主要包括岩石破坏形式、井壁周围应力状态方程、岩石强度准则、岩石破坏模式和方法等几个方面。介绍了井壁力学稳定理论的现场应用方法和应用情况。关键词:井壁稳定;岩石破坏形式;应力状态方程;大斜度井;水平井中图分类号:TE21文献标识码:A文章编号:1006-768X(2003)03-007-04影响井壁稳定的因素非常复杂,文中仅从力学的角度对井壁稳定性技术进行回顾。确定井壁周围应力状态的结构模型较多,根据其力学假设的不同,大致可以分为弹性模型、弹塑性模型2种。1921年H.M.Westergard在不考虑井内液柱压力的情况下,按弹塑性区给出了井壁周围正应力分量等于远离井眼的上覆压力,并给出了井眼稳定的求解条件。1957年Hubbert和Willsh证明了从正断层段到逆掩断层段的地应力变化。依据coulomb破坏准则提出地壳最大主应力与最小主应力比的最大值为3∶1,并推出了井壁周围应力分布公式。1979年W.B.Bradly把井壁周围地层模拟为沿井眼线平面应变的线弹性体,不考虑渗透流体的作用,井壁周围应力同时用Kirseh解和Faihust解来描述,给出了用极坐标系表示的应力状态方程。并且引入应力云的数学概念,利用Von-Mises岩石破坏准则和平均有效正应力对斜井的压性破坏及张性破坏进行了形象的描述。近十几年来,由B.S.Andow,C.Hsiao,K.S.Hansern等人,以地应力、各向同性岩石弹性平面变形理论为依据,研究了钻井时井壁周围应力变化的原因,并给出应力分量计算公式。1988年Bernt.S.Andnoy利用线弹性理论考虑地层的各向异性,提供了井壁稳定性的分析方法。R.F.Mitchell等人综合考虑钻井液密度、岩性、井眼尺寸及地应力等因素,用有限元法、弹性理论和无因次参数群的形式分析了井眼发生塑性流动的状态和井壁不稳定现象。近年来具有代表性的井壁周井壁力学稳定性技术从1940年开始,国外专家学者从岩石力学破坏机理入手,依据井眼稳定和失稳理论来解决井眼坍塌、缩径和破裂问题,并在理论分析和模拟试验方面进行了大量研究。近十几年来,在井壁力学稳定预测分析方法方面取得了较大进展,特别是1987年V.M.Marry、J.M.Sanzay和B.S.Aandnov等人指出:应该用应力理论、岩石破坏准则、弹性理论和数学方法对各向同性(异性)地层井壁的稳定性及岩石的破坏形式进行综合分析,使井壁力学稳定问题的研究和应用进入了一个新时期。11岩石的破坏形式与井壁周围应力方程111岩石破坏形式在一定深度的岩层处于受压状态而存在着原地应力,当井眼形成时,井眼周围岩石必然承受已被钻掉岩石原承担的部分载荷,结果在井壁周围岩石中产生应力集中现象,若井筒液压支承不足(过小)或岩石强度不够,井壁将破坏。通过岩石力学、破坏准则、基础力学和数学方法对井壁岩石的不稳定性—坍塌、缩径破裂形式综合分析,将井壁失稳的破坏模型归纳为以下4种:正压差作用引起的水力压裂破坏;负压差作用引起的挤毁和坍塌;塑性流动引起的缩径及挤毁坍塌;挤压剪切破坏引起的坍塌。具有代表性的破坏形式如图1～图3所示。112井壁周围应力状态方程收稿日期:2003-02-25作者简介:廖扬强,工程师,1987年毕业于西南石油学院钻井工程专业,现主要从事定向井方面的技术工作及技术管理工作。电话联系地址:(475300)河南兰考。·8·钻采工艺2003年τθr=0τrz=0τθz=2(τyzcosθ-τxzsinθ)方程组3:原地主地应力方程围应力状态方程有:μσT1=1-μ(σO-PP)+A(σO-PP)+PPμσT2=1-μ(σO-PP)+B(σO-PP)+PPε1E2μ(σ0-2PP)σT1=1+αPP++1-μ1-μ2图1井眼破坏形式ε1E2μ(σ0-2PP)σT1=1+αPP+-1-μ1-μ2方程组1:井壁周围应力方程σT1=1(P0α2+P+A)11W-fracP2σr=(σx+σy)1-(σxσy)+-·r222页岩A=16179-1106P0砂岩A=17142-1106P01+3α-4α421+3α-4α42sin2θ+Pα2cos2θ+τr4r4xyr4r2wr2hσ0=∫gρdhα23α4σθ=11(σx+σy)(σx-σy)1+1+0+cosr2α2r422σ0=1915-1121×10-3H+8178×10-2H2-10143×10-113α42θ-τxy1+sin2θ-P3r4wr2HG0=01168H010334G0=011745H