地应力及井壁稳定机理讲课材料

地应力测定及井壁失稳的力学机理

邓金根石油大学（北京）岩石力学研究室介绍的内容：地应力测定技术及纵横向分布规律井壁失稳的力学机理井壁失稳实例分析地应力测量技术及分布规律有关地应力的内容地应力的概念地应力的来源地应力的测量方法地应力区域分布规律的数值模拟地应力纵向分布规律地应力：地下某深度处岩石受到的周围岩体对它的挤压力。一般在深度H处和岩体所受到的地应力可用三个主地应力来表示，一个为垂直向主地应力；另二个为相互垂直的二个水平主地应力。大多数情况下三个主地应力值是不相等的。不同构造区域、不同性质地层地应力大小不同。地应力的概念:

v

hmax

hminH地表地应力大小表示方法地应力的来源：上覆岩体的自重；地质构造运动产生的构造应力；地温梯度的不均匀性和地层中的水压梯度。盆地南缘山前第一排构造带地质模型上覆地层压力大水平向地应力小上覆地层压力小水平向地应力大图6新疆博格山前推覆构造模式图油田地应力研究中采用的一般方法应用构造地质力学方法研究地应力的相对大小及大致方位应用井壁崩落法确定最大水平主地应力的方位应用压裂井井下电视确定最小水平主地应力方位应用水力压裂法确定最小水平主地应力大小Kaiser效应试验确定水平主地应力大小

h

v

H根据断层特点确定地应力分布规律及地应力方向：

最大水平主地应力方向平行断层延伸方向

上覆地层压力

v>最大水平主地应力H>最小水平主地应力h最大地应力方向最大水平主应力方向的确定方法测量方法：井壁崩落法，椭圆形井眼的长轴方向即为最小水平主地应力方向最小水平主地应力方向最大水平主地应力方向σHσhσHσh井眼坍塌破坏形状地应力测定方法上覆岩层压力由密度测井曲线经积分求出。水平主地应力测定方法主要有：

1、现场水力压裂试验法；

2、室内凯塞尔效应法

3、岩芯差应变试验法；

典型的水力压裂试验曲线出现剪切裂缝破裂漏失停泵裂缝闭合裂缝重张时间井口压力利用水力压裂试验数据计算地应力：地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水平主地应力。瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于PFcp，两者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等。水力压裂法测定地应力裂缝闭合点（B点）确定方法：利用裂缝闭合前后压力降低速度不同来确定。主要确定方法为：作出曲线的切线，其交点即为裂缝的开始闭合点。此外还有其它方法。如：（1）最大曲率点法（2）P---Log（t）图（3）Log（P）----Log（t）图试验装置及试验步骤凯塞尔效应法测定地应力的原理图声发射数压应力凯塞尔效应点凯塞尔效应测定地应力取芯方法岩样尺寸

25

50mm～～～～6井B5井-2100-2200-2300-2400-2500-2600-2700-2800-2900-3000-3100F10F11F3F81F5海拔（m）W2ⅣW2ⅣW2ⅤW2ⅥW3ⅢF412mm日产油:175m3日产气:3039m3～～～～～～～～～～～～～？图例油层水层干层可能油层？(TVD:3120.00m)(TVD:2812.57m)？NNW10mm日产油:211m3日产气:28187m3B565剖面位置示意图T′T

涠洲12-1油田北块6井~B5井油藏剖面图W2ⅤW2ⅥW3Ⅲ19mm日产油:675m3日产气:52722m3W3Ⅲ？？05001000m正断层涠洲12-1油田北块B5井~5井油藏剖面图-2200-2300-2400-2500-2600-2700-2800-2900-3000海拔（m）B5井5井SSEW2ⅣW2ⅣW2ⅤW2ⅤW2ⅥW2ⅥW3ⅢW3ⅢW2ⅣW2ⅤW2ⅥW2ⅣW2ⅤW2ⅥF4F9F82F3F210mm日产油:211m3日产气:28187m314mm日产油:328m3日产气:43166m3～～～～～～～～图例油层水层干层～～～～～～～（TVD:3031.10m）（TVD:2812.57m）16mm日产油:557m3日产气:91347m36mm日产油:26m3日产气:少量12mm日产油:94m3日产气:少量B565剖面位置示意图T′T0500m250正断层涠洲12-1油田区块划分位置图00.51.0km278000280000282000284000286000108°56′108°52′108°53′108°54′108°55′20°51′20°49′20°50′230400023060002308000230200023030002305000230700020°51′20°49′20°50′2304000230600023080002302000230300023050002307000108°52′108°53′108°54′108°56′278000280000282000284000286000108°55′WZ12-1-6WZ12-1-5中块3井区南块中块4井区北ILN2490XLN1955F2F82F4F5F1F3N3N1NN2F9F81F10块F11F2AFAWZ12-1-B5N1aN1b最大水平主地应力方向N100

E左右

h

v

H最大水平主地应力WZ12-1-6井壁崩落椭圆长轴方位WZ12－1北油田地应力方向分析非均匀地应力作用下井壁坍塌将形成椭圆形井眼，椭圆井眼长轴为最小水平主地应力方向双井径测井数据:

WZ12-1-6井下部8.5"井眼段(MD:2380～2980m)井眼椭圆长轴方位N120°E是由非均匀地应力造成的井壁坍塌而形成的椭圆井眼吗？C2-4臂井径>钻头直径C1-3臂井径<钻头直径椭圆井眼短轴方位（C1-3臂）：N30°E井眼椭圆长轴方位N120°E，与井眼方位（N118°E）一致，且短轴小于钻头直径，键槽。C1-3C2-4键槽井眼涠洲12－1－1井地层倾角测井数据统计表WZ12-1-1井1400－1800米井段水平主地应力方位图（N50E）WZ12-1-1井1800－2890米井段水平主地应力方位图（N140E）WZ12-1-6井双井径确定的最大地应力方向：N30EWZ12-1-1井1800米以上井段最大地应力方向：N50E1800米以下井段最大地应力方向：N140E根据断层走向确定的最大地应力方向：N100E左右W12-1-1井地层倾角测井数据确定的主地应力方位，数据比较完整、可靠。在本阶段的涠二段坍塌压力分析中，我们采用了W12-1-1井1800米以上的最大水平地应力方向N50E：W12-1-1北油田地应力方位的初步确定Kaiser效应法测定W12-1油田地应力结果上覆地层压力v>最大水平主地应力H>最小水平主地应力hBZ25-1构造地震剖面图BZ25-1构造断层特征：重力正断层BZ25-1构造油藏预测剖面图BZ25-1构造断层特征：重力正断层地质力学方法研究结果地应力相对大小：最大水平地应力大致方位：N600-750E

BZ25-1-2井地应力方位频率图最大水平主地应力方位N65-70ENE最大水平主应力方位椭圆长轴方位BZ25-1-5井地应力频率图最大水平主地应力方位N70E

N椭圆长轴方位E最大水平主应力方位BZ25-1构造地应力方位与临近区域比较结果BZ25-1构造地应力大小与临近区域比较结果准噶尔盆地区域应力场示意图井眼形状法确定地应力方向

------水平主应力方向的玫瑰图井眼形状法确定南缘地区主地应力方向第三系底最大地应力方位分布声发射Kaisir效应法测定地应力实验结果准噶尔盆地南缘地应力大小测定结果准噶尔盆地南缘地应力值为：最大水平主地应力：2.3-2.85MPa最小水平主地应力：1.7-2.10MPa上覆地层压力：2.3-2.45MPa地应力分布规律：最大水平主地应力>上覆地层压力>最小水平主地应力区域地应力场横向分布规律计算板壳法计算地应力场：板受力—>弯曲变形—>曲率变化—>地层受力—>地应力板壳法计算地应力场计算公式：板壳法预测地应力场横向分布计算实例板壳法研究区域板壳法预测地应力场横向分布计算实例板壳法下第三系底最大地应力分布板壳法下第三系底最大地应力方位分布地应力纵向分布规律计算不同深度，不同性质的地层其地应力大小及非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而线性增大，对不同地层要分层计算地应力。地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构造运动产生的构造应力，用公式表示为：地应力纵向分布规律计算由上覆地层产生的水平地应力，可根据弹性变形力学理论，假设在水平方向的变形受到限制，即（εx）V=（εy）V=0，由此可得到：该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的地应力纵向分布规律计算模式

由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的构造运动变形量分别为εH、εh；并假设在构造运动过程中各地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：地应力纵向分布规律计算模式

H水平构造应力地应力纵向分布规律计算模式不同深度地层的分层地应力计算模式：εH、εh—表示构造运动激烈程度的构造应力系数，由实测地应力值反算。μ---泊桑比，E----弹性模量σH、σh———分别为最大、最小水平主地应力地应力纵向分布规律计算实例井壁失稳的力学机理及应用我国井壁失稳现象十分严重，是目前制约西部勘探开发速度的最主要因素。如新疆呼图壁构造、安4井、西5井；塔西南柯深1井；东秋5井软泥岩；塔中地区破碎性灰岩地层等都存在严重的井壁失稳问题，使用的泥浆密度高达2.0~2.6g/cm^3。造成井壁失稳问题有泥浆化学因素及力学不平衡两大因素。1.概述井壁失稳的力学原因井壁不稳定都可归结为井壁岩石所受的应力超过其本身的强度，使其产生剪切或拉伸破坏而造成的。凡是影响井壁受力状态及井壁岩石强度的因素都将直接影响到井壁的稳定性。井壁失稳的类型：坍塌或缩径；地层破裂漏失井壁失稳多发井段山前构造带高地应力区泥页岩地层（占井壁失稳的90％），包括：软泥岩、硬脆性泥页岩破碎带（灰岩、泥页岩）膏盐层（缩径）高陡地层井壁稳定的影响因素地应力大小、方向及非均匀性地层强度；层理面泥浆理化性质井斜角、方位角地层孔隙压力

钻井周期需要回答的力学问题：需要多大的泥浆密度才能稳定井壁？井壁坍塌与原地应力、孔隙压力及岩石强度的关系？是不是泥浆密度越大井壁一定越稳定？泥浆性能及钻井周期对井壁坍塌的影响规律及如何定量预测坍塌周期？

确定安全泥浆密度窗口？研究井壁失稳问题的力学思路求出井壁围岩任一点处的应力判断井壁岩石是否破坏或破坏时的泥浆密度？测定地层强度参数岩石的强度破坏准则与地应力及泥浆柱压力有关一点的应力状态

a

r

r=3

a=1

h

H

v

H>h

maxplanesslipplanes

1

1

2

2

3

1>2>3

3PrincipalStressesTriaxialTestStressesInSituStresseszInpetroleum,weusuallyassumethatsvisaprincipalstress用三个主应力来表示一点的应力状态有效应力

?Itisthepartofthetotalstress(s)carriedbytherock(sometimecalledmatrixstress)Theremainderofthetotalstressiscarriedbytheporefluidpressure(po)s+posssssss+po

1

1

3

3

n

岩石强度破坏准则摩尔—库仑准则：当剪切破坏面上所受的剪切力大于岩石本身的的粘聚强度与内摩擦力之和时，岩石将发生剪切破坏：

>C+·n式中：=tg

－内摩擦系数

C－粘聚力－内摩擦角地层强度测定及利用测井资料确定地层力学参数井壁稳定性研究需测定的地层特性参数岩石弹性模量、泊桑比；地层强度参数：粘聚力和内摩擦角；不同应力状态下的岩芯纵、横波速度；地层密度；地层孔隙弹性参数。地层矿物组份；水化性质地层强度特性试验目的测定岩石的强度参数；动、静弹性力学参数；纵横波速度；密度；孔隙弹性系数，为井壁稳定性研究提供基础标定数据。研究应力状态对纵、横波速度的影响，建立起利用测井资料确定岩石力学参数的经验转换关系式通过沿层理面不同方向取芯试验，建立地层强度与层理面夹角的经验关系式，为定向井井眼稳定性计算及井眼轨迹设计提供依据。地层强度特性试验研究试样的制备有二类：常规试验的取样：将取自现场的岩芯在同一横截面上用小金刚石钻头取3～5个岩样作为一组，以进行不同围压下的强度试验。定向岩芯试验的取样：将取自现场的岩芯沿与层理面成不同角度方向钻取小岩样，研究层理面对地层强度的影响。

岩芯获取25mm50mm沿不同方向取芯钻井中取出岩芯岩石层理面强度实验方法单轴抗压强度三轴抗压强度实验装置图地层强度特性试验研究试验方法：常规三轴应力条件下的全应力—应变试验，并同步测出加载过程中岩样的纵、横波速度。由于岩样较少，为了节省宝贵的泥岩岩样，可进行多次加载试验，即在同一块岩样进行变围压的强度试验。2-1号岩样的全应力---应变试验曲线泥岩地层强度摩尔圆正应力剪应力MPaMPa地层强度特性试验研究根据试验结果，可建立如下相关关系式动、静弹性参数转换模式：纵、横波速度转换关系式：岩石强度参数与测井资料的相关关系地层强度与层理面夹角的相关关系式实验结果处理流程图动、静弹性模量实验点及回归曲线DSI测井数据纵、横波速度相关关系

回归曲线（呼002井）地层强度特性试验研究岩石强度参数与测井数据的相关关系：式中：C——岩石的粘聚力；μd——动态泊桑比ρ——地层密度(g/cm^3)；Vcl——泥质含量Vp——纵波速度（ft/s）；A——系数粘聚力与层理面夹角相关关系的实验点及回归曲线地层强度特性试验研究

根据上述模式利用纵、横波，密度、井径、伽玛测井曲线可求得地层的如下参数：岩石动静弹性模量、泊桑比地层强度参数：粘聚力和内摩擦角；不同应力状态下的岩芯纵、横波速度；地层倾角对地层强度的影响规律实现利用测井数据研究井壁稳定性的目的井壁失稳的类型最小水平主地应力若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。泥浆密度低损坏区坍塌最大水平主地应力

a

r=3

a=1

r最大水平主地应力最小水平主地应力泥浆密度高泥浆密度过大：地层剪切破坏产生大量径向微裂缝形成剪切破碎带（造成泥浆的大量侵入使井壁失稳）剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁

r

a=3

r=1

a渗漏压力pBDpCLpLOTpressuretimepwLOTexamplesXLOT“knee”stoppumpingpLOTactualclosurepressure地层坍塌压力及破裂压力剖面坍塌压力：井壁不发生坍塌时的最低泥浆密度：

若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。破裂压力：使井眼产生拉伸破坏而漏失的井内泥浆密度。钻井安全泥浆密度窗口剪切坍塌崩落泥浆密度下限剪切破坏形成剪切破碎带的泥浆密度上限地层破裂压力（拉伸破坏）大斜度井井壁应力分布计算模型：大斜度井井壁应力分布计算模型：大斜度井井壁应力状态计算的基本公式：大斜度井井壁应力分布计算模型：式中：

H,h---最大，最小水平主地应力；

V---上覆地层压力A，B，C，D，E，F，G，H，J---与井斜角、方位角、圆周角有关的系数井壁稳定性分析计算软件“井壁稳定力学分析系统”（SBSA）软件，利用测井资料可以分析计算：主地应力剖面岩石弹性参数和强度参数剖面安全泥浆密度窗口剖面稳定的井眼轨迹及方位泥页岩吸水对井壁稳定的影响规律定向井安全泥浆密度窗口井斜角当量泥浆密度安全区坍塌区剪切破碎区压裂漏失区稳定的井眼方位：正南北向侧钻前侧钻后坍塌压力破裂压力剪切破坏压力上限建议密度建议套管下深原套管下深利用测井资料计算呼2井（直井）安全泥浆密度随井深的变化曲线塔西南地层坍塌压力及破裂压力剖面西5井井壁坍塌、扩径严重在2020~3360米都有不同程度的井壁坍塌井径扩大率最大达21寸西5井双井径测井数据在2250~2850米井段及3140~3240米井段大段规则的椭圆井眼。椭圆长轴：14~18寸椭圆短轴：12~12.5寸该井段泥浆密度1.25~1.37g/cm^3之间典型的泥浆密度过低不能平衡地应力的结果3240米后井眼坍塌更严重，椭圆长短轴方向交替变化，不规则，但井段很短（小于20米）分析原因：地层破碎、键槽划眼、震击处理事故等两类岩石椭圆井眼方向西5井复杂情况西3井和西4井的泥浆密度为1.20—1.40g/cm3，而西5井高达1.66g/cm3，仍有严重阻卡和复杂事故。需要回答的问题是：除了泥浆性能参数外，地质和岩石力学的确切影响因素是什么？如果泥浆确实具有对硬脆性微裂缝泥岩具有良好的封堵和低水化膨胀性能，那么，是否可将密度降至1.20-1.40g/cm3。西湖背斜过西5井A9010A测线地震地质解释剖面西5井地应力剖面最大水平主地应力：2.30~2.40之间最小水平主地应力：1.50~1.70之间存在构造地应力地应力在本井段变化不大没有异常高地应力层段存在西5井坍塌压力及破裂压力剖面西5井各地层合理泥浆密度本计算结果没有考虑泥浆对地层的侵泡作用没有考虑起下钻的压力波动西5井钻井复杂原因在2000—2980米井段使用的泥浆密度在1.25~1.40之间，小于坍塌压力1.36~1.40，不能有效地平衡地应力是造成井壁失稳的根本原因，该井段大段椭圆井眼也说明了此观点。下部井段（3000~3300米）开始使用的泥浆密度为1.40g/cm^3，小于坍塌压力1.50~1.55之间，造成多次卡钻事故及划眼，使井壁破碎和破坏泥饼是加剧该井段复杂的主要原因下部井段用1.55~1.65的泥浆密度钻井较为合理。

结论西5井2000~3400米井段存在构造地应力，但地应力变化连续，不存在地应力异常高值。双井径测井数据表明西5井最大水平主地应力方位在南北向，3250米以下地层椭圆井眼长轴方向部分井段（井段长小于20米）反向是人为的原因（键槽、划眼、处理卡钻事故）或破碎性夹层。西5井2000~3400米井段有2个小欠压实层，大部分井段正常压实，孔隙压力正常西5井钻井复杂原因主要是开始时使用的泥浆密度较低，没有平衡地应力，造成井壁坍塌和地层破碎，加剧井壁失稳。下部方案：加强封堵，使用泥浆密度1.55~1.65泥页岩水化规律及坍塌周期定量预测技术泥页岩吸水造成井壁失稳机理泥页岩中含有水敏性粘土矿物，当与钻井液接触时，在水力梯度和化学势梯度的驱动下，引起水和离子的传递而吸水泥页岩水化膨胀产生水化应力，使井眼受力恶化泥页岩吸水使强度降低，弹性模量减小，塑性增大，井壁稳定恶化水化与时间相关，导致井壁周期性坍塌通过测定泥浆滤液在泥页岩井壁中的渗透运移规律及由此产生的水化应力和造成的地层强度变化，可使化学作用产生的力学效应定量化，实现坍塌周期的定量预测。泥页岩的吸水量产生的膨胀应力地层强度膨胀系数及地层弹性参数地层强度与吸水量的相关关系给定任一钻井时间泥页岩吸水系数＝E×坍塌压力与钻井时间的相关关系技术思路化学作用转换成力学作用，并使之定量化。实现力学化学耦合。需要确定的参数泥页岩吸水扩散系数（与泥页岩理化性能、裂缝分布、泥浆密度及泥浆性能相关）泥页岩吸水膨胀系数（与泥页岩组分有关）泥页岩强度及弹性参数与含水量的相关关系泥页岩吸水扩散系数的测量方法为了研究井壁上的泥页岩吸水量与吸水时间的关系，其关键是首先要测得泥页岩的吸水扩散系数。国内外尚没有模拟井下温压条件下吸水扩散系数的实验测试方法及装置，建立了一套全新的泥页岩水化扩散系数的实验测定方法、实验装置推导了根据测定数据求解扩散系数的计算公式对泥页岩在不同泥浆体系下的吸水规律进行了测定得出了实验岩样的吸水扩散系数。泥页岩扩散系数试验测定结果人造泥页岩滤液：KCl

溶液泥浆渗入面泥页岩岩样井壁泥页岩吸水扩散实验装置试验方法：给高压室中的岩样一端侵水7天，然后降温卸载，迅速取出岩样，沿轴向方向等距离取样，用烘干称重法测量距进水端不同位置处的含水增量。

吸水扩散系数计算方法实验条件为一维扩散：erfc（）为误差补偿函数方程简化为：

Y=a+bX

吸水扩散系数计算方法采用迭代法求解得到：

吸水扩散方程：Cf值是随泥页岩类型和钻井液性质而变化的泥页岩强度及弹性参数与含水量相关关系的实验测定实验方法：模拟井下温压条件下的变含水的三轴强度实验试样：取自新疆油田呼图壁、西湖、安集海、霍尔果斯等构造通过实验结果的回归拟合，建立了泥页岩弹性模量和强度参数随含水量变化影响规律的相关经验关系式，为计算水化后井壁围岩的应力及评价井眼的稳定性提供了依据。强度实验方法单轴抗压强度三轴抗压强度实验装置图2-1号岩样的全应力---应变试验曲线泥页岩水化后含水量增大，使弹性模量急剧下降，可降低1个数量级。弹性模量与含水量的相关式：含水量增大，泊松比增大，其经验关系式为：

=0.2+1.3w粘聚力与含水量的关系：C=CB–KS(W–WB)MPa曲线1：H=1500~2500m，或

=2.18~2.30，有KS=250；曲线2：H=2500~4000m，或

=2.30~2.50，有KS=350；曲线3：H=4000~5500m，或

=2.50~2.60，有KS=450。321含水量对内摩擦角

的影响的实验结果：

=

B–187.5

(W–WB)泥页岩水化产生的膨胀应变实验曲线12曲线1（零围压）：

v=0.0708（

W）+11.08K1（

W）2曲线2（15Mpa

围压）

：

v=0.0333（

W）+0.832（

W）2曲线1的膨胀应变远大于曲线2物理方程：弹性模量及泊松比与含水量有关，即与时间相关用差分法求得

r，再根据平衡方程求

建立了泥页岩井壁应力的力学化学耦合计算模式井壁稳定及坍塌周期预测软件软件功能：井壁稳定安全泥浆密度窗口计算泥页岩井壁含水量的时空变化规律泥页岩吸水后井壁产生的膨胀压力及应力状态的变化规律坍塌压力随钻井时间的变化规律及预测坍塌周期泥页岩井壁坍塌周期预测软件输入界面井壁稳定预测软件

—结果输出界面

井壁稳定预测软件

—结果输出界面

井壁稳定预测软件

—水化应力坍塌周期分析界面井眼周围泥页岩地层含水量的时空变化规律时间增大15天泥页岩吸水的水化层厚度小于0.18米水化后，切向应力最大值不在井壁上，而是在距井壁2～7厘米处，该距离随水化时间增大而向前移动。因此，井壁失稳不是在井壁上，而是在井壁内部2～7厘米处，此种破坏与时间有关，表现为周期性坍塌，且塌块尺寸较大，塌块较多，对钻井的危害也较大非均匀地应力下井壁应力随水化时间的变化规律水化作用改变了保持泥页岩井壁稳定所需的井内静液柱压力，在没有水化时坍塌压力为1.53，在水化初期，坍塌压力反而降低，在50小时左右最小，为1.48，而后，随着水化时间增加，坍塌压力急剧增大，经过大约三十天的时间，坍塌压力增至1.80，随后坍塌压力渐趋稳定无水化时的坍塌压力有水化时坍塌压力随时间的变化若使用1.65的泥浆密度钻进，则坍塌周期为5~7天新疆泥页岩水化对井壁稳定影响的计算结果温度对井壁稳定性影响规律研究MAURY就热膨胀对井壁稳定性的影响分析对中硬岩石，温度每增加10C则产生0.4MPa的温差应力；对坚硬岩石，温度每增加10C则产生1.0MPa的温差应力；在一口深井中，井壁温度变化25～500C是常见的，所以在井壁上有可能产生25-50MPa的变温应力。在4000-5000米深的井循环及停止循环时，有可能这部分温差应力与原井壁应力联合作用超出岩石的强度，而引起井壁的坍塌。关键要研究井壁温度的变化及温度对地层强度的影响？热应力计算方法？温度对地层强度的影响规律试验结果建立了岩石强度与温度间的相关关系冷泥浆循环进入井筒，将造成下部井段降温，上部井段升温井筒中存在一个同温点，在同温点一下，地层受钻井液的冷却作用，温度降低；同温点以上，地层被钻井液加热，温度升高。井壁温度变化规律研究钻井过程中井筒温度分布规律钻进过程中井壁温度变化规律循环时间对井壁温度分布规律的影响套管鞋处地层温度随循环时间变化规律循环时间对井壁温度的影响规律（井底）

超过15小时后井壁温度将趋于恒定钻井及循环过程中井壁温度变化规律影响井壁温度的主要因素为钻井液比热及热传导系数，地层比热及热传导系数，其中两个传热系数的影响比较明显；钻井液的密度、排量、地层密度等因素对井壁温度的影响不是很突出，是次要因素；钻井过程中，钻井速度决定了上部地层与钻井液的接触时间，钻井速度越慢，井壁温度变化越剧烈；钻井过程中，裸眼段地层中温度变化最大的点在套管鞋下方，应当引起重视；循环过程中，当循环一定时间后，井底温度趋于某一恒定值，温度变化不再受循环的影响。井壁温度降低井周附加应力场软地层，循环4小时的温度变化，将使井壁产生近7MPa热应力井壁温度升高井周附加应力场坍塌压力预测模型破裂压力预测模型考虑热膨胀应力的坍塌压力破裂压力计算模型温度升高对坍塌、破裂压力的影响

KS-1井循环4小时井壁温度变化引起的附加坍塌压力KS-1井循环16小时坍塌压力与不考虑温度变化情况的对比东湾1井循环8小时井壁温度变化对坍塌压力的影响高温对井壁稳定影响规律随着循环时间的增加，坍塌压力逐渐降低，当循环超过10～15小时后，井壁温度基本处于平衡状态。井壁温度达到相对平衡的时间与钻井液及地层热力学性能有关，且井深的影响最突出，随井深的增加，井壁温度变化大、相对平衡需要的循环时间增加地层弹性参数，尤其是弹性模量对温度变化引起的附加坍塌压力的影响强烈，温度变化在高弹性模量低泊松比的硬脆性泥页岩、灰岩地层的影响远大于对低弹性模量高泊松比的疏松砂岩、软泥岩的影响；在同温点以下，井壁温度降低，使得坍塌压力降低，利于井壁稳定；同温点以上，井壁温度升高，坍塌压力升高，对井壁稳定不利，但影响幅度较小高温对井壁稳定影响规律KS-1井的计算结果表明，对于6000米以上的井，井壁温度变化将使坍塌压力降低0.25～0.35g/cm3，对DW-1井三开井段的计算结果表明，对于4300米左右的井，井壁温度变化对坍塌压力的影响为0.10～0.15g/cm3，循环使维持井壁稳定需要的泥浆密度降低，有利于井壁稳定。对于高温高压井，在地面设置泥浆冷却系统，加快泥浆循环速度有利于保持井壁稳定。高陡破碎地层钻井复杂工程实例新疆霍尔果斯构造地处天山山前第三排构造带，在该区先后打探井10几口，至今未能钻穿高倾角（地层倾角高达55

）破碎性安集海河组地层。霍10井2002年8月22日开钻（现仍在钻进中），在1890～2400米高倾角破碎性安集海河组地层钻井过程中，发生井漏8次，井壁不稳定造成卡钻6次，使用的泥浆密度达高达2.2g/cm3，历时半年多。霍10井施工运行进度曲线Q2-19Q2-23窿9Q2-21窿111Q2-22Q2-24Q2-20Q2-15Q2-18窿110鱼儿红窿8玉门窿九井窟窿山逆掩推覆体老地层挤压破碎严重，倾角在70°以上，钻井过程存在井漏、缩径、井径不规则等井下复杂问题，井斜难控制，钻井速度十分缓慢，每天几米。高陡破碎地层的钻井难点山前高陡破碎地层是受造山构造运动的挤压而形成的，存在巨大的构造地应力，蕴藏着巨大的变形能，需要使有高密度的泥浆来稳定井壁。高陡破碎地层的钻井难点高密度泥浆侵入地层天然裂缝，在起钻抽吸压力的作用下，被泥浆浸泡的高倾斜破碎地层向井眼产生侧滑移动变形，导致井眼缩小，使得起钻频繁遇阻。霍10井在2000米井深使用的泥浆密度为2.15，近似等于或超过上部岩石的自重，将导致裂缝张开，泥浆大量侵入地层，严重时发生井漏（该井发生了8次井漏）。遇阻后必须倒划眼，倒划眼对松动的破碎性地层的扰动，可导致突发性大量井壁坍塌而卡钻（霍10井六次卡钻都是在倒划眼的过程中发生的）。

井下电视测井观测到：

裂缝岩体的剪切位移造成井眼缩径现象井下电视测井显示的破碎性地层在井眼周围产生的剪切位移的情况剪切位移造成井眼缩径的实例（现场实测结果）井径扩大与井眼缩径同时存在的现象BP公司的TonyAddis在研究Cusiama油田山前构造带井壁稳定性时，成功的应用了这一理论分析了井壁坍塌井径扩大与井眼缩径同时存在的问题。

D天然裂缝开启，剪切位移时使测量的井眼半径扩大裂缝岩体的剪切位移形成的井眼形状Maury应用离散元方法对破碎性地层井壁稳定性进行了分析：由于剪切位移的影响，各破碎层之间，井壁发生错动，引起井径变化。数值分析的离散模型破碎段各层产生剪切位移后的井眼形状破碎性地层井眼直径大，井壁稳定性差！！Dusseault

研究破碎性地层井壁稳定性时发现井壁是否稳定与井眼尺寸有关，井眼尺寸越大井壁越不稳定。在研究层理发育的各向异性地层井壁稳定性时发现井壁稳定性与井眼轴线和地层层理面的夹角有关，认为应尽可能以垂直与层理面的方式进入地层，才能保持井壁稳定性。裂缝发育的破碎性地层层理发育的各向异性地层各向异性地层钻井复杂的原因破碎性地层向下倾方向产生的单侧移动变形造成井径缩小，是造成起下钻遇阻及卡钻的最重要原因。应变能释放及应力作用造成井壁坍塌。解决方法：合理的密度泥浆封堵改变钻井方式——沿垂直地层倾角方向定向钻井；空气钻井。需要解答的问题：高陡破碎地层中是否存在一个合理的泥浆密度？如何确定？解决高陡破碎地层钻井复杂的前提：减少泥浆侵入天然裂缝——有效封堵，如何优选封堵剂颗粒的尺寸？其它解决高陡破碎地层钻井复杂的方法——沿垂直地层倾角方向定向钻井，如何确定稳定的井眼轨迹？霍10井声波正常压实趋势线及孔隙压力孔隙压力声波时差霍10井三个压力剖面霍10井地层孔隙压力及坍塌压力霍10井沙湾组地层为正常孔隙压力，其值在1.2以内。进入安集海河组地层后，孔隙压力提高，最大为1.9，最低1.2，高低压层序共存。霍10井地层坍塌压力在各层分别为：沙湾组：井段：1400~1650：坍塌压力：1.45~1.50

井段：1650~1826：坍塌压力：1.60~1.65安集海河组：井段：1826~1980：坍塌压力：1.85~1.90

井段：1980~2070：坍塌压力：1.75~1.80

井段：2070~2250：坍塌压力：1.90~2.00卡钻原因分析1800~1950米井段使用泥浆密度过低，造成井壁大量坍塌，是造成第一次坍塌卡钻的主要原因。下部地层安全泥浆密度窗口过小，地层倾角大，地层破碎，钻井时使用泥浆密度过高，使得多次发生漏失，这使井眼周围岩石中的天然裂缝重新开启，引起剪切位移，造成井眼缩径，起下钻频繁遇阻。起下钻压力波动及划眼对破碎漏失层的扰动，导致突发性井壁大量坍塌而卡钻，这可能是霍10井后续4次卡钻的主要原因下部井段的缩径是破碎地层的剪切位移造成的，不是由于使用的泥浆密度过低而造成的软泥岩塑性变形。霍10井地层破裂压力及井漏分析霍10井1800~2250米井段地层破裂压力在2.25~2.40之间，变化不大。本计算中没有考虑地层破碎及渗漏对地层破裂压力的影响，若存在低压渗漏层或破碎地层，则破裂压力下降10~20%以上。该井多次发生井漏，可以认为是在破碎地层及低压渗透层发生的（或上部塔西河组），加强封堵是提高破碎渗透地层破裂压力的唯一手段。高陡破碎地层井壁失稳的技术对策F.J.Santarelli在研究裂缝性地层井壁稳定性时提出，提高泥浆密度和降低泥浆密度都是维持井壁稳定的办法，但提高泥浆密度往往会恶化井壁稳定；加强封堵，降低泥浆失水，改善流变特性效果更明显。JonyAddis提出利用优化井眼轨迹方法克服井壁不稳问题，用控制进入高倾地层的井斜角、方位角来降低钻井风险－－用定向钻井解决高陡地层的钻井复杂问题。国外的研究结果表明，井眼直径越大，破碎性地层出现复杂情况的可能性越大，因此有必要对井眼直径进行优化－－减小井眼直径降低钻井风险。霍10井技术对策霍10井2000～2300米井段钻井复杂的原因与使用的泥浆密度过高2.15～2.18有关，使用密度2.0左右比较适宜，但现在降密度风险大，应不低于2.10。若上部破碎地层发生了漏失，则下部钻进卡钻风险巨大。起下钻压力波动及划眼对破碎漏失层的扰动，可能导致突发性井壁大量坍塌而卡钻（这可能是引发该井后续4次卡钻的主要原因）。增加泥浆的封堵性，使用可变直径钻头以减少划眼（划眼将破坏泥饼）及压力激动，十分有利于保持井壁稳定。条件许可应尽快下技术套管，适当降密度及由于井径变小，将有利于该井安全快速钻进。可否考虑用沿垂直层理面的定向钻井方式钻过该井段。沿垂直地层倾角方向定向钻井，解决高陡破碎地层钻井复杂问题

WZ12-1N构造涠州组泥页岩坍塌原因及对策

涠洲12－1油田井壁稳定分布图SI2MP55MI3MI26SI1B5SP1SP4MP1SP2红箭头表示井眼不稳粉红箭头表示稳定性居中录箭头表示井眼稳定涠洲12－1油田井壁稳定情况调研结果从涠洲12－1油田15口井泥浆使用情况看：使用水基泥浆所钻的三口井井壁不稳定。直井及井斜角小于10度的井井壁稳定性好（使用油基泥浆，密度1.4左右）。斜井当井斜角在45

－50

度之间时，井壁不稳定现象严重。黑箭头表示正准备开发的井B18井属相对稳定的方位，大井斜角及长裸眼段是造成井下复杂的根本原因。图中各园环表示不同井斜角（0～90

）N泡水前岩石完整坚硬泡水后岩石水化分散WZ12－1油田岩心强度试验结果岩石强度试验结果涠二段泥页岩地层以伊利石为主，层理发育，且层理间含有蒙托石，遇水后层理面极易吸水膨胀，造成本段地层的水化分散，因此在钻进本段地层时应采用油基泥浆；地层强度实验结果表明涠二段泥页岩地层受层理面的影响，地层层理面与最大主应力（井眼坐标系下与井斜角、方位角有关）之间的夹角对强度的影响不容忽视，通过实验得出岩石抗压强度受弱面面的影响，强度下降2～3倍，是大斜度井井壁失稳的主要原因。W12-1N油田涠二段地层坍塌

压力随井斜方位变化规律W12-1N油田涠二段地层坍塌压力随井斜方位变化规律W12-1油田涠二段泥页岩地层井壁失稳分析涠二段泥页岩井段井壁不稳主要是由于本段地层层理发育，岩石强度存在明显的各向异性，当井斜角在430-60