【《井周应力分析概述》3300字】

PAGEPAGEVI井周应力分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u24603井周应力分析概述 1120151.1井周应力方程 171011.2井应力分布 371131.3井周应力影响因素分析 3249861.4井周地层剪切失稳区域分布规律 41.1井周应力方程原地应力一般由3个相互垂直的主应力，即水平最大主应力σH、水平最小主应力σℎ、垂向主应力σv图2-1斜井井周坐标转换将原地应力转换到井眼坐标系下可得：式中：，，，，，为原地应力转换到井眼直角坐标系下不同方向的应力分量，Mpa。运用Fairhurst方程，同时考虑井底液柱压力pw和孔隙压力p式中：：σr，σθ，σz，τrθ，τθz，τ1.2井应力分布钻井过程破坏了地层应力的自然平衡状态，使井周出现应力集中。地下一定深处的原地应力一般用三个主应力来描述，即垂向应力、最大水平主应力和最小水平主应力。垂向主应力也称岩层上覆压力，它是由地层的总重量引起的。可用测井资料中的密度曲线数据积分获得。井周应力状态是井壁稳定性力学分析的基础，通常用柱坐标系下的p1、p2和1.3井周应力影响因素分析根据建立的井周应力计算模型，井周应力的影响因素主要包括地质参数和钻井参数两大类，其中地质参数主要包括原地应力、孔隙压力、岩石参数等，而钻井参数主要包括钻井液密度和井眼轨迹参数。1.3.1地应力对井壁应力的影响分析首先受到地应力类型的影响，地应力是造成井周应力集中的主要因素，其中典型的三类地应力机制包括潜在正断型（）、潜在走滑型（）和潜在逆断型（）３种类型，见图2-3-1。图2-3-1地应力类型示意图其次受地应力非均质性的影响，不同的地应力类型主要影响力在井周位置的分布情况，而且应力大小则主要受地应力非均质程度（）的影响。1.4井周地层剪切失稳区域分布规律为了分析井周地层在层理等弱面影响下破坏失稳区域的特征，采用Matlab软件编制了计算程序，并根据页岩地层础参数（见表2-4）进行分析，其中岩石强度参数取上文试验结果。考虑到目前页岩气水平井井斜角一般为80°~100°，同时考虑层理影响和不考虑层理影响２种情况，分别计算了沿0°、90°、75°、165°和345°不同方位钻进井斜角为80°~100°井眼时井周地层剪切破坏的附加内聚力指数分布情况。表2-4页岩地层基础参数参数数值井深／ｍ2420.0最大水平地应力/MPa76.30最大水平地应力方位/（°）0最小水平地应力/MPa55.15垂向地应力/MPa61.97地层压力/MPa21.49井筒压力/MPa25泊松比0.22有效应力系数1.0岩石黏聚力/MPa16.62岩石内摩擦角/（°）31.75层理面黏聚力/MPa5.28层理面内摩擦角/（°）20.82层理倾角/（°）7.0层理倾斜走向方位角/（°）3451.4.1沿最大水平主应力方向钻进沿最大水平主应力方向0°钻进水平井时的计算结果如图６所示。为了直观地表达计算结果，图中井径采用井眼半径的无因次长度表示，并以井斜横截面方式表达井周地层剪切破坏失稳区域（其坐标关系见图４（ｃ），图中深蓝色区域为稳定区域，彩色区域为剪切破坏失稳区域）。从图６可以看出，存在以下３种情况：井周地层在井眼横截面方向线两端靠近井壁位置发生本体剪切破坏，坍塌失稳区域呈对称分布（见图６（ａ））；井周地层发生层理面剪切滑移破坏的位置在井眼横截面方向线两端的上下侧，形成４个（２对轴对称）不对称的坍塌区域，其中一对失稳区域向井眼高边和低边偏转大约40°，另一个失稳区域向井眼高边和低边偏转大约10°（见图６（ｂ））；井眼失稳区域是图６（ａ）和图６（ｂ）的并集，实际井眼的坍塌深度和宽度主要受弱面控制，井眼崩落宽度达112°，扩径率约25°，说明沿0°方向钻进井眼稳定性较差（见图６（ｃ））。另外，随着井斜角增大，井眼稳定性变好，井斜角80°井眼最不稳定，但整体变化幅度不大。图６０°方向水平井井周剪切破坏区域分布计算结果表明，考虑层理和本体剪切破坏计算得到的井周地层失稳区域形状并非传统的“狗耳朵”形状。D.Okland等人采用与井下岩样性质相似的露头岩样进行了厚壁圆筒测试，发现层理与厚壁圆筒轴向夹角对井眼稳定影响较大：当厚壁圆筒轴向垂直于层理时，井眼相对稳定；当厚壁圆筒轴向平行于层理时，井眼十分不稳定，此时将形成比“狗耳朵”形状更大、更复杂的崩落区域，该崩落区域呈轴对称分布，垮塌后的井眼形状类似于方形（见图７（ａ））。这与LiYufeei等人的计算结果（见图７（ｂ））基本吻合。造成这种现象的原因是：１）井周地层沿层理等弱面剪切滑动；２）钻井液侵入导致流体渗入及压力增加，从而造成垮塌；３）存在多个层面，造成碎裂而崩落，如层理面、节理和裂缝等；４）破碎性地层井眼高边在重力作用下垮塌。图７井周失稳区域形状1.4.2水平主应力方向钻进区域向井眼高边和低边偏转大约25°（见图８（ｂ））；实际井眼的坍塌深度和宽度完全受弱面控制，井眼崩落宽度达108°，扩径率大约15%见图８（ｃ））。另外，随着井斜角增大，井眼稳定性先变差后略微变好，井斜角90°井眼最不稳定，但整体变化幅度不大。图890°方向水平井井周剪切破坏区域分布1.4.3沿层理面走向方向钻进沿层理走向方向75°钻进水平井时的计算结果如图９所示。从图９可以看出，存在以下３种情况：井周地层不会发生本体剪切破坏（见图９（ａ））；井周地层发生层理面剪切滑移破坏的位置仍然在井眼横截面方向线两端的上下侧，形成４个（２对轴对称）对称的坍塌区域，其中一对失稳区域向井眼高边和低边偏转大约４８°，另一对失稳区域向井眼高边和低边偏转大约25°（见图９（ｂ））；实际井眼的坍塌深度和宽度完全受弱面控制，井眼崩落宽度达116°，扩径率大约20%９（ｃ））。另外，随着井斜角增大，井眼稳定性先变差后略微变好，即井斜角90°井眼最不稳定，但整体变化幅度不大。图975°方向水平井井周剪切破坏区域分布1.4.4层理面上倾方向钻进沿层理上倾165°方向钻进水平井时的计算结果如图10所示。从图10可以看出，存在以下３种情况：井周地层在井眼横截面方向线两端靠近井壁位置发生本体剪切破坏，坍塌失稳区域呈对称分布（见图10（ａ））；井周地层发生层理面剪切滑移破坏的位置在井眼横截面方向线两端的上下侧，形成４个（２对轴对称）不对称的坍塌区域，其中一对失稳区域向井眼高边和低边偏转大约45°，另一个失稳区域向井眼高边和低边偏转大约20°（见图10（ｂ））；井眼失稳区域是图10（ａ）和图10（a），实际井眼的坍塌深度和宽度主要受弱面控制，井眼崩落宽度达116°，扩径率约30%，说明沿层理上倾165°方向钻进井眼稳定性较差（见图10（ｃ））。另外，随着井斜角增大，井眼稳定性变差，即井斜角100°井眼最不稳定，这主要是由于沿着层理上倾165°方向钻进井斜角100°井眼时，井眼轴线与地层层面呈3°夹角，且受地应力方向影响，井眼稳定性比较差；若井眼井斜角为97°时，井眼沿着地层层面钻进，此时井眼最不稳定。图10165°方向水平井井周剪切破坏区域分布1.4.5沿层理面下倾方向钻进沿层理下倾345°方向钻进水平井时的计算结果如图11。从图11看出，存在以下３种情况：井周地层在井眼横截面方向线两端靠近井壁位置发生本体剪切破坏，坍塌失稳区域呈对称分布（见图11（ａ））；井周地层发生层理面剪切滑移破坏的位置在井眼横截面方向线两端的上下侧，形成４个（２对轴对称）不对称的坍塌区域，其中一对失稳区域向井眼高边和低边偏转大约45°，另一个失稳区域向井眼高边和低边偏转大约15°（见图11（ｂ））；井眼失稳区域是图11（ａ）和图11（ｂ）的并集，实际井眼的坍塌深度和宽度主要受弱面控制，井眼崩落宽度达120°，扩径率大约30%，这说明沿层理下倾345°方向钻