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第八章井壁稳定讲述
井壁失稳问题的工程现象: 起下钻遇阻,甚至卡钻 大钩负荷加大 划眼 扭矩加大 循环时返出岩屑棱角分明 测井井径扩大 易于发生井壁失稳的地区 高构造应力地区,如逆掩断层、山前构造带或大倾角地层 异常高孔隙压力 水敏性地层 裂缝性地层 低强度地区 垂直于地层层理钻进井眼较稳定 对裂缝性地层,提高钻井液密度不一定有助于防止坍塌 崩落后的井眼比圆形井眼更稳定 构造运动剧烈地区有可能通过优化井眼方位来改善稳定性; 减少井眼裸露时间是有益的 强抑制、严封堵、合理密度是防塌钻井液设计的方向 冷却钻井液有助于防塌 井眼稳定分析所需资料 区域地质构造;岩性剖面 测井资料(井径、声波、密度、自然伽玛等) 录井资料 钻井设计任务书、井史及完井地质报告 岩心、岩性、岩相、岩石物性分析资料; 地层漏失试验及事故记录 其他部门的研究结果(地质、开发部门) 钻井过程中的其他测试资料 分析步骤 判断井眼失稳性质(化学、力学、疏松岩层、塑性岩层) 了解构造背景、准确判定地应力特征; 分析岩性剖面,收集岩心、测井资料; 应用分析软件进行分析 将分析结果与钻进实际进行对比,进行必要的修正; 结合钻井液特性、井眼轨迹进行预测,并提出维护井眼稳定的措施。 s1+s2 2(s1+s2) O p p/2 q sq 图8-4 井壁围岩应力随q角的分布 从上式可以看出,最小水平主应力降低,就意味着剪切破坏下限的升高。对于斜井,井壁上存在剪应力分量,应先求出主应力分量(公式复杂) ,再利用破坏准则(failure criterion )求解。 三、井壁破裂的判据 对于拉伸破坏一般采用最大拉应力理论: 其中 为井壁上的最小主应力; 为地层的抗拉强度。 对于直井,均匀水平地应力的情况,有: 对于直井,非均匀水平地应力的情况 : * * 第一节 井壁失稳的原因及危害 在石油钻井中,井眼稳定(borehole stability )问题是世界范围内普遍存在的问题。每年由此造成的直径经济损失达数亿美元之巨。因此国内外许多研究机构都在致力于此项研究。 在钻井之前,深埋在地下的岩层受到上覆岩层压力(overburden pressure) 、最大水平地应力(maximu horizontal in site stress )、最小水平地应力(minimum horizontal in site stress )和孔隙压力(pore pressure )的共同作用,处于平衡状态。 第八章 井 壁 稳 定 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; 井漏(lost circulation ): 井眼压力大于地层破裂压力; 井塌(borehole collapse ): 井眼压力小于地层破裂压力, 同时容易发生井喷(blowout )事故。 一、井壁不稳定的危害 在我国各大油田的长期勘探开发过程中,井壁不稳定问题一直比较突出。如环渤海湾地区主要表现为馆陶、明化镇组泥页岩地层的水化膨胀,造成缩径卡钻事故;东营底、沙河街、孔店组泥页岩地层的剥落掉块,造成井径扩大(out of gauge hole )、坍塌卡钻(stuck drill pipe )、电测质量低下、固井不合格等工程事故;一些特殊层位如:生物灰岩、裂隙性玄武岩、软弱砂岩的井塌井漏等。 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,
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