鹤岗煤田煤层气井井壁稳定性研究

1、鹤岗煤田煤层气井井壁稳定性研究摘要：煤层气井近井壁的裂纹受到地应力和裂纹应力的双重影响，极易扩展失稳造成井壁坍塌。文章利用断裂力学方法，考虑煤层气井井壁的特殊失稳机理，分析了裂纹的类型和尖端应力场等因素，求解直井近井壁张开型裂纹的应力强度因子，建立了煤层气井井壁稳定评价模型。应用该模型结合鹤煤1井的实际情况确定了该井煤层段的合理的钻井液密度窗口。关键词：煤层气井；应力强度因子；井壁稳定；近井壁裂纹；尖端应力场中图分类号：td823文献标识码：a文章编号：1009-2374（2012）01-0140-03煤岩的机械强度低，存在着互相垂直的天然裂纹，均质性差，导致煤层段井壁极不稳定，在钻井过程中极

2、易发生井壁坍塌、井漏、卡钻等井下事故。由于煤层的井壁失稳机理异常复杂，导致常规的井壁稳定理论无法适用于煤层气井的井壁稳定机理。目前对煤层气井井壁失稳的研究还无法满足现场应用的需要，无法正确评估煤层气井井壁稳定。本文利用断裂力学的方法，考虑煤层气井井壁的特殊失稳机理，分析了裂纹的类型和尖端应力场，求解直井近井壁张开型裂纹的应力强度因子，建立了煤层气井井壁稳定评价模型。一、煤层气井失稳机理目前对井壁稳定的研究主要从岩石力学角度进行开展。然而对于煤层，岩石力学方法不再适用，主要体现在：（1）通过常规方法无法确定煤岩的内聚强度，由于煤岩存在天然裂缝，导致煤岩的强度存在尺寸效应；（2）煤岩受到很低的载荷

3、时，裂纹尖端出现应力集中，裂缝扩展也会导致煤层失稳；针对煤层的特点，本文利用断裂力学的方法来分析煤层的失稳问题。依据断裂力学分析，岩石作为一种典型含有缺陷的脆性材料，其破坏过程实质就是微裂缝产生、扩展及贯通的过程。当钻遇煤层时，一方面围岩的地应力将重新分布，使得近井壁应力集中；另一方面弥散分布的微裂纹表面受到的应力也将重新分布，裂纹尖端将出现应力集中。当井壁应力超过围岩的强度时，井壁围岩破坏，进而使得井壁失稳；当裂纹尖端应力超过岩石的断裂韧度时，裂纹会扩展失稳，达到一定条件时造成井壁失稳坍塌。在上述两种失稳现象中，若占主导地位的是围岩的强度破坏，可用弹塑性理论推导的强度准则来判断井壁失稳；若是

4、裂纹失稳则需要用断裂力学的理论来解决。鉴于煤层中存在大量微小的正交割理组，割理一旦张开或延展就会相互沟通，极易造成井壁坍塌。因此假设：只要裂纹开始扩展，就视为裂纹已破坏，从而造成煤层气井井壁失稳。二、近井壁裂纹的类型和尖端应力场断裂力学将材料中存在的裂纹分为三个基本型式如图1所示，i型为张开型，裂纹面上点的位移与裂纹面垂直，由于法向位移造成裂缝上下表面张开；ii型为滑开型，质点位移平行于裂纹面，但与裂缝前缘垂直，由于切向位移引起上下表面滑开；iii型为撕开型，质点位移平行于裂缝面，同时也与裂纹前缘相平行。在煤层中近井壁附近的裂纹大多是i型或ii型裂纹，统称为压剪型裂纹。在求解裂纹的尖端应力场时

5、，通常假定裂纹为一长轴椭圆如图2所示。以椭圆中心为原点，轴沿着长轴方向、轴沿着短轴方向构建裂纹处的局部坐标，则压剪型裂纹尖端的应力场可以表示为：（1）式中：和分别为裂纹尖端附近点的极径和极角；、和分别为正应力和剪应力分量，；为1型裂纹尖端应力强度因子，与受力状态、裂纹形状和位置有关，。三、直井近井壁裂纹应力强度因子的求解在裂纹尖端附近的区域内，应力与应力强度因子成正比，应力强度因子越大表明裂纹尖端的应力越集中，应力强度因子代表了裂纹尖端受载和变形强度，是裂纹扩展趋势或裂纹扩展推动力的度量。对裂纹尖端附近应力场的分析和求解，可以归结为求解其应力强度因子。计算直井近井壁裂纹的应力强度因子，假设：（1）裂纹在垂直于井眼轴线的的截面上；（2）假定裂纹为贯穿性裂纹。假定存在任一裂纹长为，设，