不同条件下井壁稳定实验研究
第八章-井壁稳定
a r2 2P w 1 2 H h 1 a r2 2 1 2 H h 1 3 r a 4 4 c2 os
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
z v 2 H h a r 2 c2 o s 1 2 1 1 2 f P w P p
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的 是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近 产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个 井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
1、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度 (shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌 扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse pressure)； 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将 产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压 力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近 的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的情 况，井壁围岩的应力状态：
井壁稳定问题(2)
井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对 井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力 状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力 学性能,使岩石强度降低;
另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便 会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将 这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同 纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当 长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国 内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来 看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理 论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角 的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力 状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐 减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱 动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、 页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的 发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相 互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。
井壁稳定性研究-西南石油大学
3、有助于取全、取准所要求的各种资料； 4、减小和防止油层损害，以利于发现和评价油气层 5、优化完井方案（完井方式、射孔方案）
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
二、井壁失稳的表现形式
井壁不稳定
剪切破坏
漏失
张性破裂
缩径、扩径
盐岩蠕变 泥岩水化膨胀
井眼周围岩石所受载荷不平衡引起
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
则井壁稳定性系数：
[ 1 ] K [ c ]
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
由井壁3个主应力分量的有效应力表达式，可以得到以下3种可能的关系：
（I） 3 e < 1e < 2 e （II) 1e < 3 e < 2 e
（III) 3 e < 2 e < 1e
二、井壁失稳的表现形式
形成井眼垮塌
min
形成张性裂缝
max
pw
max
min
西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
三、影响井壁稳定的基本因素
影响井壁稳定的因素 客观因素 岩石强度 地层岩性组成 岩石地质环境 岩石结构特征 地应力 地质构造特征 工艺措施 主观因素 钻井液 钻井液密度
2 x y x rw ( )(1 2 ) ( 2 r 4 3rw - xy (1 4 ) Sin 2 Pwf r
y)Cos 2 r
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三、井周应力分布
y H 1 Sin 2 H 2 Cos 2
zz Sin 2 ( H 1C os 2 H 2 Sin 2 ) v C os 2
井壁稳定性预测方法及应用之研究
1 评价方法在实践中对井壁稳定的影响因素相对较多，单纯的依靠室内的实验以及经验知觉推理的方式是无法获得精准的信息的，对此必须要对钻井区域进行系统的分析，了解对井壁失稳影响的各种因素问题，综合钻井过程中出现的各种问题与现场的实际资料信息，基于地区的实验测定数据为主要的信息基础，通过模糊综合的评判方式，对此钻井井壁的稳定性进行系统的、综合的分析，这样才可以避免通过经验判别的方式对其进行分析的弊端与不足，可以在根本上提升整个井壁的稳定性评价的科学性以及精准性。
2 模糊综合评价方式存在问题及解决方法模糊综合评价法是在上个世纪产生的一红可以处理经典数学中无法解决的迷糊问题，在不同的领域中均有较为广泛的应用，但是其还是存在一定的不足，在计算过程中人为因素会对直接对权重产生不良的影响，对此在实践中必须要对其进行系统的分析。
（1）权重。
在模糊综合分析方式中，所谓的权重就是根据工作人员自身经验累计已确定的一种对环境中各种因素进行评价的方式与手段，在一些问题相对较为复杂、实际影响因素种类相对较为繁多的时候，会导致权重出现分配不科学以及不合理的问题，这种状况直接影响了整体的评价结果与精准性，因此在实践中必须对权重的进行科学合理的确定、精准的判断，利用约束规划相关模型利用拉格朗日函数推导全新的权重方式。
在实践中，如果矩阵A判断为具有完全一致性，通过对其整体一致性的矩阵判断性质可以以了解：第一，在矩阵A中的任一指定行与不同行之间的对应元素中的比值为常数；第二，在任意指定的i行以及第j列中可以得到a ik/ a jk=a ij；第三，基于一致性，的判断矩阵中，又获得a ij=ωi/ωj。
因此，在判断矩阵A=（a ij n）Xn，的满足一致性的时候，则：ωi=a ijωj，其中i就是判断矩阵A中的第i行中第j 列的元素；ωi以及ωj则分别表示权重向量ω中i以及j个分量。
可以说，客观的事物自身的复杂性，直接的告知了在构建完全一致性的互反判断矩阵的的困难程度，但是如果要构建判断矩阵最接近完善一致性的互反判断矩阵，则就要认为此判断矩阵的一致性较为良好，而后在引入εij，同时εij=ωi-a ijωj，这样就会构建一个最优化的约束条件。
弱面地层斜井井壁稳定性分析
4 地层弱面对斜井稳定性的影响
file:///F|/qikan_htm抽取_2000before/kjqk(200810)/sydxxb/sydx99/sydx9904/990409.htm（第 5／7 页）2010-1-1 7:18:56
石油大学学报
维持井壁稳定所需的钻井液密度安全下限值越小，井壁稳定性越好，低密度钻井的 安全性就越高。假设倾角地层弱面内摩擦角为20°，弱面粘聚力为5 MPa，本体内摩擦 角为35°，粘聚力为15MPa，泊松比为0.25，孔隙压力为18MPa，地应力状态为 σH=48MPa，σv=40MPa，σh=35MPa,引进井斜角和井斜方位（实际井斜方位与最大地
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其中
(4)
A=cosα{cosα(1-2cos2θ)sin2β+ 2sin2βsin2θ}+(1+2cos2θ)cos2β，
B=cosα{cosα(1-2cos2θ)cos2β2sin2βsin2θ}+(1+2cos2θ)sin2β，
C=(1-2cos2θ)sin2α,
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式中，pp为孔隙压力；pm为井内钻井液柱压力；δ为系数，当井壁不可渗透时δ为0，
井壁渗透时δ为1；φ为孔隙度；ζ为有效应力系数；ν为泊松比。 假设井壁泥饼完好，则不考虑钻井液滤液的渗流效应，此时与斜井对应的柱坐标系 中井壁上的最小、最大有效主应力可表示为
The stress distribution on the wall of directional well is analysed, and a borehole stability model for the formation with dip angle in directional well is established. The influences of dip angle and trend on borehole stability are discussed. The wells through weak-face formation in directional well are apt to be unstable. The stability of directional well depends on the formation dip and trend, deviation and direction. In some weak-face formations, vertical wells are much difficult to be drilled through, but directional wells can be drilled successfully because the stability of directional well is much better. Key words: drilling; borehole stability; directional wells; weakly consolidated formation; drilling fluid
泥岩地层井壁稳定性研究
52U Η + 5r2 × 5 2U r + 5r5Η
( 1- 2Λ) 5E 5 Ur 3- 4Λ + = 0 2 ( 1- Λ) rE 5r 2 ( 1- Λ) r2 5Η
5 Ur 5r 5Η
r
( 3) ( 4) ( 5)
UΗ Ur 1 5 +
z= Ε
5 Uz 5z
3 刘向君, 1969 年生; 1995 年毕业于西南石油学院石油工程系, 获工学博士学位; 现在西南石油学院完井中心工作。 地址:
( 637001) 四川省南充市。 电话: ( 0817) 2224433 转 2910。
( 1) ( 2)
可见, 在柱坐标系下, 从静力学出发建立的平衡 方程与无水化过程时的平衡方程形式完全相同。 但 这里的径向应力 ( Ρr ) 、 周向应力 ( ΡΗ) 、 剪切应力 ( ΣrΗ) 包括钻开地层由于载荷不平衡引起的应力和水化膨 胀应力两部分。 几何方程为: Ε r=
= Ε Η
r
及 P ierre 页岩岩心, 对泥页岩在不同水活度溶液中 的膨胀动力学过程进行了全面深入的研究, 实验证 明: 材料的膨胀百分比与材料所吸收的水分重量百 分比成正比; 实验也证明, 页岩水化可以用扩散吸附 过程加以描述。Yew C H 等首先利用泥页岩地层的 这一实验结果, 提出了一种计算井眼周围水化应力 分布的模型。 本文将以均匀各向同性的线—弹性力 学井壁稳定性模型为基础和出发点, 引用 Yew C H
( 7) w = f ( ∃w ) = k 1 ・∃w + k 2 ∃w Ε 其中, ∃w ( r , t ) 是指径向剖面上随时间而变化的吸 附水增量。 已知任意时刻地层含水量的分布 w ( r ,
鹤岗煤田煤层气井井壁稳定性研究
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。
井壁稳定性 调研ppt课件
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
煤层气井壁稳定性—极限平衡法
近井壁围岩应力分析
井壁围岩为连续体
割理引起的诱导应力分析 考虑多条割理分布的煤层应力场分析
16
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
参考文献
发展历史
目录
研究现状
存在问题
实例分析
2
PART 1
参考文献展示
参考文献
3
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
4
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
研究目的
阐明煤层中端割理和面割理等不连续面对 井壁稳定的影响
建模假设
煤岩块体用可变形块体来模拟 本构方程选用摩尔-库伦模型 。 面割理和端割理的本构模型 选用摩尔-库伦节理模型
18
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
井周应力场分析
井周热应力表达式：
井周渗力场变化表达式：
27
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
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不同条件下井壁稳定实验研究
Ξ
王功军1,王冬梅2
(1.长江大学工程技术学院石油资源系;2.荆州职业技术学院医药卫生系)
摘 要:本实验通过两种不同的泥浆进行井壁稳定实验:其一是常温常压条件下采用清水、8%KC l 、3%KC l+5%阳离子液体成膜剂、3%KC l+5%阳离子液体成膜剂+0.3%PLU S+5%油酸二乙醇胺等代替泥浆进行实验,以及实际井中应用的水基及油基泥浆进行实验,由于这些泥浆密度相对较大,声波在这种井液中能量衰减增大,所以出现所得到的回波信号不明显,无法正确辨认出回波致点的问题;其二是高温高压条件下的实验,要在常温常压的基础上对井壁加温加压,这样就出现了新的问题,就是整套设备在加压条件下的密闭问题。
并把两种条件下的所得到的数据运用相应的软件进行处理,处理出来的图像加以对比分析。
关键词:泥浆;井壁;声波;回波信号
1 常温常压条件下的井壁稳定实验
考虑到实验所使用的泥浆密度不大以及近场远场的问题,通过理论计算,声系使用探头的频率采用1M Hz,采用的数据采集软件为DA P3.11系统。
在实验过程中主要采用清水、8%KC l 、3%KC l
+5%阳离子液体成膜剂、3%KC l+5%阳离子液体
成膜剂+0.3%PLU S +5%油酸二乙醇胺等代替泥浆进行实验,数据采集后用DA P 3.11系统自带的图形处理工具〔1〕,所得处理图如下图(数据来源实测数据)。
图1
图中回波信号较为明显,但这些曲线数据的单位都为Λs 的时间单位,回波信号前面有一段由于同步信号产生的自激回波,这段信号是我们所不需要的,而且十条波形的排列方式也不能形象地表现井壁实际情况。
所以我们编写了一套针对数据处理的
软件。
该软件通过输入十条波形中回波至点值,考虑到声波在不同井液中的不同声速,把所有采得的时间单位数据转为距离单位数据,并删除不需要的数据,最后运用grapher 绘图软件进行绘图。
7
8 2008年第19期 内蒙古石油化工Ξ
收稿日期5:2008-0-12
图2
图中横坐标单位为m m,图中的红点代表每条波形的回波致点,左上方的数据代表传播的距离。
接下来采用了实际井中应用的水基及油基泥浆进行实验,由于这些泥浆密度相对较大,声波在这种井液中能量衰减增大,所以出现所得到的回波信号不明显,无法正确辨认出回波致点的问题。
另外,由grapher绘图软件绘制的效果图中虽然较为形象地模拟出了井壁的实际情况,但一幅效果图只能表现一个时间一个方向的井壁情况,无法做到对同一时间各个方向井壁情况以及同一方向不同时间井壁变化情况的成像分析〔2〕。
针对实验过程出现的这些问题,我们考虑出了一些改进的方案
①针对声波能量在泥浆中能量衰减增大的问题,我们提出了两个解决方法,一是降低声系中声波探头的频率,从1M Hz降低为800KH z,这样可以增大声波能量;二是提出在声系探头前端部分灌入聚合树脂,声波在聚合树脂中的能量衰减幅度远远小于声波能量在泥浆中的衰减,而且不会影响到实际测量结果。
②根据graphe r效果图的缺陷,编写了新的绘图软件,完成了对同一时间各个方向井壁情况以及同一方向不同时间井壁变化情况的成像。
2 高温加压条件下的井壁稳定实验
与此同时,要在常温常压的基础上对井壁加温加压,这样就出现了新的问题,就是整套设备在加压条件下的密闭问题。
根据以上的所有问题,制作了新的声系,这次声系比原来声系有了几点改进:
①因为泥浆有一定腐蚀性,第一个声系腐蚀较为严重,所以这次声系用不锈钢制作。
②在多种泥浆中进行实验后,声波探头的频率选定为800KHz。
③采用在声系探头前端部分灌注聚合树脂的方法,减短了声波在泥浆中传播的距离,能量的衰减幅度大大降低了。
④采用高压胶布包裹未密闭的地方,然后用耐高温胶封闭。
经过实验,这种方法可以确保在高温高压环境下声系的正常工作。
在实验过程中有几点要注意:
①泥浆循环速度不能过大,最好不要超过15,因为泥浆循环所带来的振动波会掩盖住所需要的回波信号。
②泥浆循环时间不宜过长,因为采用的是劣质土加蓬松土压制的井壁,这种井壁与实际页岩井壁还有一定的区别,泥浆长时间的循环会使井壁表面形成一层声波速度与泥浆中声波速度较为接近的膜层,这样就造成反射界面不够明显,影响实验数据的正常采集。
〔参考文献〕
[1] E.L.B ige l ow Ce m entEva luat ion1990by
W estern I n terna tionl,Inc.Hou ston,T exa s.
[2] 慈建发,何世明等.钻前井壁力学稳定性研究
[]天然气工业,6(6)
88内蒙古石油化工 2008年第19期
J.200.。