米泉1井地层三个压力剖面的建立与应用-Read.doc

前言 米泉1井位于新疆准噶尔盆地南缘博格达山前构造带七道湾背斜设计井深3600m，先后钻遇了泥岩、砂岩、粉砂岩、碳质泥岩、煤层以及煤线等复杂地层，地层夹角45°－67°，最大76°。为控制井眼轨迹，先后起下钻16次，更换钻具组合达13次。但由于地层倾角的不确定性，导致该井多处井段全角变化率超标。在钻遇大段煤层后，井壁泥岩、砂岩、煤层掉块就一直不断，造成井眼多次复杂。由于钻井周期长，井壁垮塌严重；钻进到深部地层后，碳质泥岩段缩径速度又过快，因此当上部井壁不稳定时，就在井眼中形成上塌下缩的复杂情况，导致共出现了次严重的卡钻事故，被迫提前完钻从岩石力学角度看,井壁稳定与否取决于井眼围岩的应力大小与地层强度的比较。若井眼围岩的应力小于地层强度,井眼是稳定的;若井眼围岩的应力大于地层强度,井壁将产生破坏,导致井下情况复杂。井眼围岩的应力大小与井眼液柱压力也有关,若钻井液密度降低,井眼围岩应力就升高,当井壁应力超过岩石的抗剪强度时,就要发生剪切破坏(表现为掉块); 通常井壁岩石的应力状态可用径向应力，周向应力，垂向应力和剪应力来表示(图1)。本文仅以垂直井的情况并把井眼简化为平面应变问题来分析，约定取压应力为正号，拉应力为负号。 根据线性孔隙弹性理论，在井壁为不可渗透的情况下，井壁上（）的有效应力为： 式中 和——径向、切向、垂向的有效正应力和剪，应力；——水平间最大和最小主地应力；——上覆地层压力；——有效应力系数(Biot系数);——距离处的孔隙压力，设泥浆水渗入地层符合达西平面径向流规律，可近似地取；——井内液柱压力和地层孔隙压力；——研究点的矢径与最大地应力间夹角；——井眼半径。 然后把3个主应力分量代入库仑-摩尔准则或德鲁克—普拉格准则，表达式就得到了坍塌压力模型;把3个主应力分量代入拉伸破坏准则表达式就得到了破裂压力模型,坍塌压力。 从力学的角度来说（如图2），造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力低，使得井壁围岩的应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的。 坍塌压力模型（库仑-摩尔准则） 坍塌压力模型（德鲁克—普拉格准则） 式中 破裂压力模型 对于正常压力泥页岩地层,随着埋深的增加,地层的孔隙度逐渐降低,声波时差逐渐减小。出现异常压力后,声波时差随埋深增加的规律被打破,出现异常声波时差现象。通过建立声波时差的正常趋势线,从而得出地层孔隙压力的计算模型 孔隙压力模型 其中　Gp———地层孔隙压力当量钻井液密度, g/cm3;　Go———上覆岩层压力当量钻井液密度, g/cm3;　Gn———地层水静水压力当量钻井液密度, g/cm3;Δtn———正常趋势线上的声波时差,us/m;Δts———实际的声波时差,us/m;c———常数,一般取值范围在0.1～10.0之间 1.2　计算模型中主要参数的确定 1.2.1　水平主地应力的确定 假定同一区块内沉积岩层为横观均质弹性体，且在上覆层重力和水平构造力的作用下各层间保持位移的连续性，即水平主地应力的大小是随地层性质变化的,它主要来源于上覆岩层压力和构造运动产生的构造力，在地应力的作用下，纵向各层在平面内的两个水平主方向上的应变分别对应相等，据此由广义胡克定律得到作用在各层的两个水平主地应力表达式： 式中、——两个水平主方向上的地应力系数，同一区块内为常数且不随岩性和空间位置变化，由水力压裂试验确定；、——分别为地层的静态弹性模量(MPa)和静态泊松比；——地层孔隙压力，MPa； ——有效应力系数(Biot系数)，=1—，故0≤1;——岩石的骨架压缩率和容积压缩率，对于泥页岩可取为=0.4~0.5。——分别代表两个水平方向上的主地应力和上覆岩层压力，MPa； 1.2.2　地层弹性参数 根据纵、横波在岩石中的传播特性，可推得动态弹性模量Ed和动态泊松比ud与纵波速度Vp和横波速度Vs间的关系式： ——岩石的密度，g／cm3； Vp和Vs——纵波速度和横波速度，m／s； 但是,在一般情况下岩石并不是均质各向同性弹性材料,内部存在着孔隙、裂隙、节理、层理等结构面,使得用上面公式确定的力学参数与室内实验值之间存在差异。把由上面公式确定的力学参数定义为动态力学参数,由室内实验得到的力学参数定义为静态力学参数,地层压力计算模型用的是静态力学参数。通过岩石力学性能实验可以把动态力学参数转换成静态力学参数。对取自米泉1井不同岩性的16块岩心试样进行了三轴应力状态下的动、静弹性参数同步测试,通过回归处理就得到了动、静态参数转换模型。 (R = 0.902) (R = 0