石油鉆井任意井眼的井壁穩(wěn)定性研究.pdf

1、井壁穩(wěn)定性問題是石油鉆井過程中普遍存在而且是一直是困擾石油工業(yè)界的一個重大問題，一直受到國內(nèi)外石油鉆井界專家們的關注，是國內(nèi)外鉆井技術界一直堅持不懈努力攻關的重要內(nèi)容。研究表明井壁穩(wěn)定性問題既有力學問題，也有化學問題，而化學問題最終仍然反映到力學問題上。井壁穩(wěn)定性研究是多學科發(fā)展共同的結果，譬如化學、彈性力學、測井解釋等，本文重點是進行力學分析，但涉及到測井方法的應用。本文將現(xiàn)今對地應力、巖石力學參數(shù)的測井法進行了歸納和總結，因測井法本

2、身就是一門復雜的學科，所以本文并未對測井法做深入的研究。
　　鉆井液密度在井壁穩(wěn)定控制中起著舉足輕重的作用，它是在諸多因素中唯一可控的因素。本文主要工作就是求解防止井壁失穩(wěn)的鉆井液密度。本文根據(jù)線彈性理論建立模型推導出求井壁圍巖受力公式，并分別與常用的三個剪切破壞準則Mohr-Columb準則、Drucker-Prager準則、修正 Lade準則聯(lián)立，代入井下深處巖石的巖石參數(shù)，便可求解出防止井壁坍塌的鉆井液極限密度。研究表明在相

3、同參數(shù)條件下，三個剪切準則的求解結果差異較大。Mohr-Coulomb準則得到的安全密度窗口過于保守，根據(jù) Druck-Prager準則安全鉆井液密度窗口可能與實際相差很大，得出錯誤的結論。Mohr-Coulomb準則沒有考慮中間主應力對巖石的破壞作用，而 Druck-Prager準則則過于夸大了中間主應力對巖石的破壞作用。因此，Mohr-Coulomb準則、Druck-Prager準則均不能很好的反映中間主應力對巖石破壞作用的影響。M

4、odified-Lade準則彌補了這兩個準則的不足，能準確的體現(xiàn)中間主應力對巖石的破壞作用的影響。
　　因絕大多數(shù)巖石都表現(xiàn)出一定程度的彈塑性，即巖石在破壞前會經(jīng)由一段塑性變形，而非直接脆性破壞。所以又運用大型有限元軟件ANSYS對井壁巖石進行彈塑性分析，將二者的結果進行對比。本文給出參數(shù)進行數(shù)值模擬，從模擬結果觀察井壁井徑坍塌擴大率，因此可以得知，鉆井液密度對井徑擴大率有很大的影響，當鉆井液密度小于某一臨界值時井徑擴大率急劇增加

5、，當鉆井液密度大于臨界值時，鉆井液的密度變化對井徑擴大率影響較小。實際鉆井中，只要控制鉆井液密度大于其臨界值，即可保持井壁不發(fā)生坍塌，從而提高機械鉆速，保證鉆井安全運作，降低費用。井壁穩(wěn)定線彈性模型雖然能很好的描述脆性地層的破壞特性，但并不能完全真實地體現(xiàn)深部彈塑性巖層的力學行為。從這個意義上講，對井下深處巖石應用線彈性模型求解鉆井液密度，其預算結果將偏大將會產(chǎn)生很大的誤差，而運用彈塑性模型計算鉆井液密度更加適用于實際應用。
　　

6、地應力在井壁穩(wěn)定性起著至關重要的作用，本文從四種不同的地應力狀況研究了地應力與井斜角、方位角、井周角之間的一般規(guī)律，即：在兩水平地應力相等的情況下，井斜角為零時，坍塌壓力不隨方位角和井周角變化；在水平應力不等，垂直應力最大時，井斜角由π/6到π/3變化時，各方位井壁穩(wěn)定性差別增大。井斜角由π/6到π/2變化時，沿著小角度方位角鉆進井壁才安全；垂直應力為中間值時，井斜角在π/3到π/2變化時，沿小角度方位角鉆進，井壁不坍塌；垂直應力為最小