1、第七章 井眼穩(wěn)定性評價井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定地層破裂（井眼壓力過高、拉伸破壞、井漏）地層破裂（井眼壓力過高、拉伸破壞、井漏）泥巖、致密砂巖和疏松產(chǎn)層的差別泥巖、致密砂巖和疏松產(chǎn)層的差別井眼坍塌（井眼壓力過低、剪切破壞、井塌）井眼坍塌（井眼壓力過低、剪切破壞、井塌）硬脆性巖層高應力硬脆性巖層高應力水化敏感性泥頁巖，力學與化學的耦合水化敏感性泥頁巖，力學與化學的耦合泥巖、巖鹽層縮徑泥巖、巖鹽層縮徑2cos)31 (2)1 (2)(2cos)431 (2)1 (2)(44222222442222rRrRPPrRrRrRrRPPrRhHhHpmhHhHpmr2cos)(2)(rhHhHpmpmPPPP122

2、(12)Opp/2圖5.34 鉆孔壁上應力隨角的分布tpHhSmfSPPPt3井眼失穩(wěn)現(xiàn)象井眼失穩(wěn)現(xiàn)象起下鉆遇阻；甚至卡鉆；起下鉆遇阻；甚至卡鉆；大鉤負荷加大；大鉤負荷加大；劃眼；劃眼；扭矩加大；扭矩加大；循環(huán)時返出巖屑棱角分明循環(huán)時返出巖屑棱角分明測井井徑擴大。測井井徑擴大。l l高構造應力地區(qū)，如逆掩斷層、山前構高構造應力地區(qū)，如逆掩斷層、山前構造帶或大傾角地層造帶或大傾角地層l l異常高孔隙壓力異常高孔隙壓力l l水敏感地層水敏感地層l l裂縫性地層裂縫性地層l l低強度地層低強度地層易于發(fā)生井壁失穩(wěn)的地區(qū)易于發(fā)生井壁失穩(wěn)的地區(qū)垂直于地層層理鉆進井眼較穩(wěn)定；垂直于地層層理鉆進井眼較穩(wěn)定；

3、對裂縫性地層，提高鉆井液密度不一定有助于防止對裂縫性地層，提高鉆井液密度不一定有助于防止坍塌；坍塌；崩落后的井眼比圓形井眼更穩(wěn)定；崩落后的井眼比圓形井眼更穩(wěn)定；構造運動劇烈地區(qū)有可能通過優(yōu)化井眼方位來改善構造運動劇烈地區(qū)有可能通過優(yōu)化井眼方位來改善穩(wěn)定性；穩(wěn)定性；減少井眼裸露時間是有益的減少井眼裸露時間是有益的強抑制、嚴封堵、合理密度是防蹋鉆井液設計的方強抑制、嚴封堵、合理密度是防蹋鉆井液設計的方向向冷卻鉆井液有助于防塌冷卻鉆井液有助于防塌Fig.1: Mohr fracture envelopes for quartzitic shale at two saturation status (

4、After Colback and Wiid, 1965)泥頁巖水化膨脹泥頁巖水化膨脹泥頁巖吸水膨脹引起膨脹壓力泥頁巖吸水膨脹引起膨脹壓力泥頁巖吸水引起強度、剛度弱化泥頁巖吸水引起強度、剛度弱化泥頁巖水化引起孔隙壓力上升泥頁巖水化引起孔隙壓力上升膨脹壓力與泥頁巖與鉆井液的礦化度有關膨脹壓力與泥頁巖與鉆井液的礦化度有關泥頁巖膨脹可近似用滲透壓力計算泥頁巖膨脹可近似用滲透壓力計算表1 幾種巖石的彈性參數(shù)（據(jù)Chenevert，1964）巖石巖石楊氏模量楊氏模量E/106psi(GPa)波松比波松比各向異性系數(shù)各向異性系數(shù)Leuders灰?guī)r灰?guī)r3.5 (24.6)0.220.97Arkansas砂巖

5、2.8 (19.7)0.200.61Green River頁巖4.3 (30.2)0.200.84二疊系頁巖3.5 (24.6)0.240.73)ln(0PPVRTPspMody和Hale提出泥頁巖井壁附近的孔隙壓力可按下式推算：0)()(lnpshwmwpPAAVRTPtpHhSmfSPPPt3)1()1(2)3(P22cKKPCKphH破裂壓力與坍塌壓力破裂壓力與坍塌壓力井眼穩(wěn)定分析所需資料井眼穩(wěn)定分析所需資料區(qū)域地質構造；巖性剖面；區(qū)域地質構造；巖性剖面；測井資料（井徑、聲波、密度、自然伽瑪?shù)龋y井資料（井徑、聲波、密度、自然伽瑪?shù)龋╀浘Y料；錄井資料；巖心、巖塊或巖屑；巖心、巖塊或巖屑

6、；鉆井設計任務書、井史及完井地質報告；鉆井設計任務書、井史及完井地質報告；巖心、巖性、巖相、巖石物性分析資料；巖心、巖性、巖相、巖石物性分析資料；地層漏失試驗及事故記錄；地層漏失試驗及事故記錄；其他部門的研究成果（地質、開發(fā)部門）；其他部門的研究成果（地質、開發(fā)部門）；鉆井過程中的其他測試資料鉆井過程中的其他測試資料分析步驟分析步驟1。判斷井眼失穩(wěn)性質（化學、力學、疏松巖層、。判斷井眼失穩(wěn)性質（化學、力學、疏松巖層、塑性巖層）塑性巖層）2。了解構造背景、準確判定地應力特征；。了解構造背景、準確判定地應力特征；3。分析巖性剖面，收集巖心、測井等資料；。分析巖性剖面，收集巖心、測井等資料；4。應用

7、分析軟件進行分析；。應用分析軟件進行分析；5。將分析結果與鉆進實際進行對比；進行必要的。將分析結果與鉆進實際進行對比；進行必要的修正；修正；6。結合鉆井液特性、井眼軌跡進行預測，并提出。結合鉆井液特性、井眼軌跡進行預測，并提出維護井眼穩(wěn)定的措施。維護井眼穩(wěn)定的措施。1。建立了巖石彈性參數(shù)和強度參數(shù)與波速、。建立了巖石彈性參數(shù)和強度參數(shù)與波速、孔隙度等的經(jīng)驗關系式孔隙度等的經(jīng)驗關系式2。建立了利用測井資料進行地應力及井壁。建立了利用測井資料進行地應力及井壁穩(wěn)定評價的方法和軟件穩(wěn)定評價的方法和軟件井壁穩(wěn)定性的測井評價技術井壁穩(wěn)定性的測井評價技術 測井資料回放參數(shù)選擇菜單 實際測井資料回放曲線 地應

8、力及巖石力學特性剖面 計算結果打印選擇菜單 巖石力學參數(shù)經(jīng)驗關系式地應力及井壁穩(wěn)定計算Wellbore Stability ModellingPlanned stability(breakouts in red)Actual stability(breakouts in red)Key advantages : Visual correlation Facilitates communication Knowledge captureMud weight 12.0 ppgDepth 1202.5 mTVD 1173.4mStress az.Stress h1Stress h2.Advanced

9、 Visualization and Decision SupportWellbore Stability AnalysisReal-Time Wellbore Stability ControlDevelop tools to advise the driller in real-time on mud weights, drilling practices and well trajectoriesreal-time monitoring and prediction of wellbore instability problemsdevelopment of new mechanics

10、models for instability predictiongeneration of field-scale stress modelsIntegrated approach to wellbore instability controlDesignExecuteEvaluateData-gatheringMEM constructionWell stability planDrilling planMonitor drillingDetect instabilityData acquisitionInterpret observationsUpdate modelRecommend

11、$Real-time!GMIWellCheck: Wellbore Planning Output Plotstresses & pressures vs. depthanalysisextensionsmap viewstresses & pressures at specific depthcasing & mud window informationmud windowcasing diagramcritical pressuremud window boundswellbore trajectorycross-section viewPlanning phase

12、 for 2/8-A3C - data gathering generation of Mechanical Earth Model state of stress, rock properties, failure mechanisms calculation of mud weight window for traditional wellbore instabilities identification of non-classic problems such as fracture zonesProblem section: 4000 m of 12.25 hole, tangent

13、and drop.Planning phase - drilling strategy classical mud weight window is too narrow; cannot avoid instability low mud weight breakouts high mud weight destabilize fractured zones what to do? breakout problems are controllable by good hole cleaning; fracture zones are uncontrollable Strategy: keep

14、mud weight low manage breakouts with good hole cleaning before increasing mud weight monitor cavings and mud losses for warning of fracture zones儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題 ARCO 公司研究發(fā)現(xiàn)，在膠結差的儲層段鉆進有一個安公司研究發(fā)現(xiàn)，在膠結差的儲層段鉆進有一個安全鉆井周期問題，超過這個安全鉆井周期，井下復雜情況全鉆井周期問題，超過這個安全鉆井周期，井下復雜情況多，井眼穩(wěn)定面臨的問題多。原因是成巖程度低、疏松的多，井眼穩(wěn)定面臨的問題多

15、。原因是成巖程度低、疏松的砂巖層段打開井眼后有一個井眼收縮過程，井壁周圍的圍砂巖層段打開井眼后有一個井眼收縮過程，井壁周圍的圍巖由于蠕變而逐漸向井眼收縮變形，影響這一過程的因素巖由于蠕變而逐漸向井眼收縮變形，影響這一過程的因素包括地應力和地層強度參數(shù)以及泥漿密度。包括地應力和地層強度參數(shù)以及泥漿密度。ARCO 公司公司對安全鉆井周期有一個較為簡單的經(jīng)驗公式，按照對安全鉆井周期有一個較為簡單的經(jīng)驗公式，按照35的的井眼收縮程度估算安全鉆井周期。井眼收縮程度估算安全鉆井周期。儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題儲層

16、安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題儲層安全鉆井周期問題坍塌失效從早期的沖刷到過度脫落,再到井眼變形和坍塌失效的示意圖井噴井和救援井之間的井眼貫穿問題 鉆這口救援井也花費了大量的時間。其中鉆這口救援井也花費了大量的時間。其中一個主要的問題是沒有能力檢測到該井噴一個主要的問題是沒有能力檢測到該井噴井井,這是因為該井井底沒有金屬套管。出于這是因為該井井底沒有金屬套管。出于這個原因這個原因,在井噴井周圍鉆的救援井為在井噴井周圍鉆的救援井為S形形,以獲得足夠的信息確定該井的準確位置。以獲得足夠的信息確定該井的準確位置。圖11-30描述了救援井馬上要鉆入井噴井時的情況。在這一階段,2

17、口井之間的距離只有7m(20ft),并且存在下面一些基本問題:(1)在救援井安裝了篩管,并進行了固井。在鉆井噴井之前,是否應該在篩管下部做漏失實驗? 可能的結果是: 如果漏失實驗順利進行,能夠核實油井的完整性,并且井下救援作業(yè)也能安全進行。 如果漏失實驗過程中,鉆井液進入井噴井,這種情況就會更加糟糕。局部的連通會導致2口井都發(fā)生井噴。(2)如果沒在篩管下部進行漏失實驗,怎么確定完整性,特別是救援井存在井控風險。 為了回答上面的問題,我們需要牢記井噴井的井眼壓力相對較低,所以相對應的井筒切向應力較高。而救援井則有高泥漿比重和低切向應力。由于上述原因,問題解決起來沒有開始想象的那么困難。如果裂縫在

18、救援井開始并向井噴井擴展,裂縫將會遇到切向應力產(chǎn)生的高應力。裂縫可能無法穿透,而轉向另一個方向。 圖11-31描述了這個現(xiàn)象。應該進行漏失實驗以確定救援井的完整性。由于井噴井的低井應該進行漏失實驗以確定救援井的完整性。由于井噴井的低井眼壓力導致的高切向應力使得潛在的裂紋可能無法穿透井噴井。眼壓力導致的高切向應力使得潛在的裂紋可能無法穿透井噴井。連通時的井壁坍塌連通時的井壁坍塌 下一個問題是如果井噴井和救援井已經(jīng)連通下一個問題是如果井噴井和救援井已經(jīng)連通起來起來,實際的裂縫貫穿過程是什么樣子。實際的裂縫貫穿過程是什么樣子。 在救援井篩管下面鉆進時在救援井篩管下面鉆進時,2個井眼的距離逐個井眼的距

19、離逐漸減小。圖漸減小。圖11-32表示井之間的應力集中系表示井之間的應力集中系數(shù)。救援井具有最高的井眼壓力數(shù)。救援井具有最高的井眼壓力,其相對應的其相對應的切向應力較低。切向應力較低。 許多工程師假設許多工程師假設2個相鄰井眼之間會發(fā)生破裂。筆者認為個相鄰井眼之間會發(fā)生破裂。筆者認為這是不正確的。這是不正確的。 破裂應該在某一限定的區(qū)域發(fā)生破裂應該在某一限定的區(qū)域發(fā)生,而且不會發(fā)生大范圍的而且不會發(fā)生大范圍的擴展擴展,從而可能給井下救援作業(yè)帶來困難。實際情況是從而可能給井下救援作業(yè)帶來困難。實際情況是,2個個井眼之間的區(qū)域會發(fā)生坍塌井眼之間的區(qū)域會發(fā)生坍塌,從而在它們之間留下一個很從而在它們之

20、間留下一個很大的洞。就這個實際例子的情況而言大的洞。就這個實際例子的情況而言,在在2個井眼之間距離個井眼之間距離大約大約1m 的時候的時候,鉆頭突然下降了鉆頭突然下降了1m,并且泥漿發(fā)生了很大并且泥漿發(fā)生了很大體積的漏失。很短時間之后體積的漏失。很短時間之后,井噴井被壓井泥漿壓死井噴井被壓井泥漿壓死,并且并且停止自噴。筆者的觀點是這種現(xiàn)場問題只會在停止自噴。筆者的觀點是這種現(xiàn)場問題只會在2個井眼之個井眼之間發(fā)生大規(guī)模坍塌。間發(fā)生大規(guī)模坍塌。 由圖由圖11-32可以看到整個失效過程。當可以看到整個失效過程。當2口井之間距離較大口井之間距離較大時時,它們的應力集中效應都較低。隨著它們相互靠近它們的

21、應力集中效應都較低。隨著它們相互靠近(在圖在圖11-32中向左移動中向左移動),相鄰井眼應力效應影響增加相鄰井眼應力效應影響增加,相應的應相應的應力集中效應增加。在一個確定的點力集中效應增加。在一個確定的點,應力超過巖石強度應力超過巖石強度,井井噴井停止井噴。也就是說噴井停止井噴。也就是說2口井之間距離越近口井之間距離越近,井眼之間的井眼之間的巖石失效越多。實際上巖石失效越多。實際上,井眼坍塌始自井噴井井眼坍塌始自井噴井,并以爆炸性并以爆炸性的方式快速向救援井擴展。這與現(xiàn)場動態(tài)中觀察到的現(xiàn)象的方式快速向救援井擴展。這與現(xiàn)場動態(tài)中觀察到的現(xiàn)象相一致。相一致。 圖圖11-33進一步說明了在井壁發(fā)生

22、坍塌的瞬間進一步說明了在井壁發(fā)生坍塌的瞬間,爆炸式坍塌爆炸式坍塌的過程。的過程。 圖圖11-35給出了這給出了這2口井的可鉆性數(shù)據(jù)。當口井的可鉆性數(shù)據(jù)。當井噴井首次鉆穿井噴井首次鉆穿Mandal砂巖時砂巖時,巖層可鉆性巖層可鉆性的值增加了的值增加了10倍倍,并立刻發(fā)生循環(huán)漏失。此并立刻發(fā)生循環(huán)漏失。此可鉆性的突然增加現(xiàn)象也見于上侏羅系儲可鉆性的突然增加現(xiàn)象也見于上侏羅系儲層。實際上蓋層的可鉆性很低層。實際上蓋層的可鉆性很低,而高壓儲層而高壓儲層一般孔隙度較高一般孔隙度較高,使得它的可鉆性較高。使得它的可鉆性較高。 救援井是鉆井噴井一年之后開鉆的。我們注意到救援井是鉆井噴井一年之后開鉆的。我們注

23、意到這這2口井下到大約口井下到大約4675m之前時之前時,可鉆性的值幾乎可鉆性的值幾乎是相同的。在此深度時兩井眼間距為是相同的。在此深度時兩井眼間距為6.4m。在此。在此深度之下深度之下,救援井的可鉆性值有大幅增加。我們相救援井的可鉆性值有大幅增加。我們相信在這一年的時間里信在這一年的時間里,超過超過18000bbl/d的地下潛流的地下潛流,會導致巖層的孔隙壓力下降及巖石性質的變化會導致巖層的孔隙壓力下降及巖石性質的變化(可可能沉降能沉降)。 眾所周知眾所周知,當救援井靠近井噴井時當救援井靠近井噴井時,救援井會救援井會“回回家家”,即鉆井方向直接指向井噴井。圖即鉆井方向直接指向井噴井。圖11-

24、35對此對此做出了解釋。巖石性質變化做出了解釋。巖石性質變化(可鉆性增加可鉆性增加)的區(qū)域的區(qū)域半徑為半徑為6.4m。在這個區(qū)域以內(nèi)。在這個區(qū)域以內(nèi),巖石可鉆性值更高巖石可鉆性值更高,鉆頭朝著摩阻最小的方向前進。鉆頭朝著摩阻最小的方向前進。 這表明作為鉆頭鉆面唯一測量參數(shù)的可鉆性這表明作為鉆頭鉆面唯一測量參數(shù)的可鉆性,包含包含井眼控制分析有價值的信息。井眼控制分析有價值的信息。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆桿粘卡和循環(huán)漏失是造成鉆井成本升高的兩類主要問題。統(tǒng)計顯示鉆桿粘卡和循環(huán)漏失是造成鉆井成本升高的兩類主要問題。統(tǒng)計顯示,解決此兩類問題的成本可能會占到一口井總費用

25、的解決此兩類問題的成本可能會占到一口井總費用的10%20%,因此代因此代價很高。價很高。本章我們將會關注循環(huán)漏失。循環(huán)漏失可能發(fā)生在鉆井作業(yè)的任何時本章我們將會關注循環(huán)漏失。循環(huán)漏失可能發(fā)生在鉆井作業(yè)的任何時段段,常見于壓力損耗了的油藏常見于壓力損耗了的油藏,鉆井重新進行之前必須進行處理。如果鉆井重新進行之前必須進行處理。如果使用的是水基鉆井液使用的是水基鉆井液,可以通過向井壁泵入堵漏劑可以通過向井壁泵入堵漏劑(LCM)緩解這個問題緩解這個問題,有時還需要固井。油基鉆井液用于處理更加棘手的情況。如果油基鉆有時還需要固井。油基鉆井液用于處理更加棘手的情況。如果油基鉆井液發(fā)生漏失井液發(fā)生漏失,那么

26、情況將很難控制。一般認為這與巖石和鉆井液之那么情況將很難控制。一般認為這與巖石和鉆井液之間潤濕性的差異有關。由于毛細管效應會阻止鉆井液經(jīng)巖石過濾流動間潤濕性的差異有關。由于毛細管效應會阻止鉆井液經(jīng)巖石過濾流動,所以如果保持低的鉆井液黏度所以如果保持低的鉆井液黏度,裂縫將進一步擴展。裂縫將進一步擴展。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 鉆井液公司有很多配方用于阻止鉆井液漏失鉆井液公司有很多配方用于阻止鉆井液漏失,這些配方的這些配方的原理都是用各種顆粒的組合作為橋堵材料。鉆井液公司通原理都是用各種顆粒的組合作為橋堵材料。鉆井液公司通常享有這些配方的專利常享有這些配方的專利,所

27、以不做深入介紹。取而代之的所以不做深入介紹。取而代之的是我們將對造成循環(huán)漏失的機理進行解釋。近些年是我們將對造成循環(huán)漏失的機理進行解釋。近些年來來,Stavanger大學開展了一個研究項目大學開展了一個研究項目,該項目得到了新該項目得到了新的巖石破裂機理模型的巖石破裂機理模型,即著名的即著名的“彈塑性障礙模型彈塑性障礙模型”。Aadny和和Belayneh2004發(fā)表了這項工作的部分內(nèi)容發(fā)表了這項工作的部分內(nèi)容,并作為本章的主體部分。并作為本章的主體部分。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 破裂模型破裂模型 在石油工業(yè)中在石油工業(yè)中,所謂的所謂的Kirsch方程幾乎能夠完

28、全模方程幾乎能夠完全模擬破裂開始的情況。它是假設井壁有穿透性的線擬破裂開始的情況。它是假設井壁有穿透性的線彈性模型彈性模型,即流體可以泵入地層即流體可以泵入地層;或者是非穿透性或者是非穿透性的的,濾餅阻止了濾液漏失。后者的破裂壓力較高。濾餅阻止了濾液漏失。后者的破裂壓力較高。 下面我們只介紹破裂方程最簡單的版本下面我們只介紹破裂方程最簡單的版本,其應用于其應用于有相等水平應力松散的沉積盆地環(huán)境的垂直井眼。有相等水平應力松散的沉積盆地環(huán)境的垂直井眼。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響可穿透模型可穿透模型這是最簡單的破裂模型這是最簡單的破裂模型,其定義為其定義為:Pwf=h

29、可穿透模型適用于水力壓裂和油井增產(chǎn)的油井作業(yè)。我們需要使用沒可穿透模型適用于水力壓裂和油井增產(chǎn)的油井作業(yè)。我們需要使用沒有過濾作用的純凈液體有過濾作用的純凈液體,例如水、酸和柴油。它只說明當壓力超過最例如水、酸和柴油。它只說明當壓力超過最小原地應力時小原地應力時,井壁會發(fā)生破裂。井壁會發(fā)生破裂。我們所有的破裂實驗表明我們所有的破裂實驗表明,只有使用純凈液體時只有使用純凈液體時,這個理論模型才比較這個理論模型才比較符合實際情況。因此符合實際情況。因此,該模型應用于使用純凈液體的油井作業(yè)該模型應用于使用純凈液體的油井作業(yè),例如油例如油井增產(chǎn)和酸化。井增產(chǎn)和酸化。注注 應當注意的是應當注意的是,簡化

30、的可穿透模型只能描述裂縫的產(chǎn)生。裂縫的擴簡化的可穿透模型只能描述裂縫的產(chǎn)生。裂縫的擴展需要其他模型來描述。展需要其他模型來描述。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 2.非穿透模型非穿透模型 鉆井作業(yè)中鉆井作業(yè)中,鉆井液形成濾餅屏障。這種情況下鉆井液形成濾餅屏障。這種情況下Kirsch方方程變形為程變形為: Pwf=h-Po 這個方程一般會低估破裂壓力。問題就在于方程假設了一這個方程一般會低估破裂壓力。問題就在于方程假設了一個完美的濾餅個完美的濾餅(濾液漏失為零濾液漏失為零)。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)濾餅是塑性的已經(jīng)發(fā)現(xiàn)濾餅是塑性的,因此在新的模型中因此在新的模型中,我們假設濾餅我們假設

31、濾餅為一個薄塑性層為一個薄塑性層,緊挨著的是線彈性巖石。我們稱之為彈緊挨著的是線彈性巖石。我們稱之為彈塑性破裂模型。塑性破裂模型。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 破裂壓力升高的解釋是破裂壓力升高的解釋是:當裂縫張開時當裂縫張開時,濾餅沒有裂開濾餅沒有裂開,而是而是發(fā)生塑性變形發(fā)生塑性變形,仍然保持屏障。按照仍然保持屏障。按照AadnyBelayneh2004所提出的所提出的,這個模型可以描述成這個模型可以描述成: 式中式中 t濾餅層的厚度濾餅層的厚度,m; a井眼半徑井眼半徑,m。 彈塑性模型中額外的強度直接正比于顆粒形成的屏障的屈彈塑性模型中額外的強度直接正比于顆粒

32、形成的屏障的屈服強度。服強度。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響破裂過程的描述破裂過程的描述圖圖14-4所示是破裂過程的不同階段所示是破裂過程的不同階段,是對圖是對圖11-4中描述的破裂過程的中描述的破裂過程的一個更為詳細的描述。一個更為詳細的描述。導致破裂失效的事件導致破裂失效的事件(如圖如圖14-4所示所示)順序如下所述順序如下所述:事件事件1:濾餅形成濾餅形成微量的濾液漏失確保了濾餅的形成。當鉆井液微量的濾液漏失確保了濾餅的形成。當鉆井液流動時流動時,形成很薄的濾餅形成很薄的濾餅,濾餅的厚度取決于流動造成的濾液吸引和沖濾餅的厚度取決于流動造成的濾液吸引和沖蝕之間的平

33、衡。蝕之間的平衡。事件事件2:裂縫出現(xiàn)裂縫出現(xiàn)隨著井眼壓力的升高隨著井眼壓力的升高,巖石的周向應力由壓縮變巖石的周向應力由壓縮變?yōu)槔臁V液的漏失確保濾餅位置不變?？刂凭鄣闹芟驊Φ脑貫槔?。濾液的漏失確保濾餅位置不變?？刂凭鄣闹芟驊Φ脑貞Φ窒蹓毫?。當達到臨界壓力時應力抵消井眼壓力。當達到臨界壓力時,井壁開始發(fā)生破裂。井壁開始發(fā)生破裂。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 事件事件3:裂縫生長裂縫生長隨著井眼壓力的進一步增加隨著井眼壓力的進一步增加,使得裂使得裂縫的寬度進一步增長。原地應力阻止裂縫的生長。濾餅位置縫的寬度進一步增長。原地應力阻止裂縫的生長。濾

34、餅位置仍然保持不變?nèi)匀槐３植蛔?這是因為形成了跨越裂縫的應力橋。這是彈這是因為形成了跨越裂縫的應力橋。這是彈塑性模型的塑性部分。這個應力橋作為自然巖石的載荷橋塑性模型的塑性部分。這個應力橋作為自然巖石的載荷橋;即上覆載荷越高即上覆載荷越高,濾餅就承受更大的壓力。阻止橋發(fā)生坍塌濾餅就承受更大的壓力。阻止橋發(fā)生坍塌的要素是濾餅內(nèi)部顆粒的機械強度。在這個階段的要素是濾餅內(nèi)部顆粒的機械強度。在這個階段,巖石強度巖石強度和濾餅強度共同抵抗失效的產(chǎn)生。和濾餅強度共同抵抗失效的產(chǎn)生。 事件事件4:裂縫進一步生長裂縫進一步生長壓力進一步增加會造成裂縫進壓力進一步增加會造成裂縫進一步開裂。應力橋擴張一步開裂。應

35、力橋擴張,并且變薄并且變薄,由于幾何形狀的改變由于幾何形狀的改變,它變它變得更加脆弱。得更加脆弱。鉆井鉆井液漏液漏失對失對井壁井壁穩(wěn)定穩(wěn)定性的性的影響影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 事件事件5:濾餅坍塌濾餅坍塌在臨界壓力下在臨界壓力下,濾餅強度不濾餅強度不夠夠,并且發(fā)生并且發(fā)生“巖橋巖橋”坍塌。這種情況發(fā)生于載荷坍塌。這種情況發(fā)生于載荷超過顆粒的屈服強度時。此時竄槽形成超過顆粒的屈服強度時。此時竄槽形成,鉆井液向鉆井液向地層漏失。地層漏失。 我們的研究表明濾餅的我們的研究表明濾餅的2個主要特性造成了破裂個主要特性造成了破裂壓力的升高。這與形成濾餅的濾液性質和鉆井液

36、壓力的升高。這與形成濾餅的濾液性質和鉆井液之中的顆粒強度有關。上一節(jié)提出的橋模型取決之中的顆粒強度有關。上一節(jié)提出的橋模型取決于顆粒的機械強度。由于這個原因于顆粒的機械強度。由于這個原因,堵漏劑的選擇堵漏劑的選擇決定了可以達到的最大破裂壓力。決定了可以達到的最大破裂壓力。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 1.各種循環(huán)漏失添加劑之間的協(xié)調(diào)作用各種循環(huán)漏失添加劑之間的協(xié)調(diào)作用 通常通常,在鉆井液中加入幾種添加劑來抵抗流體的漏失在鉆井液中加入幾種添加劑來抵抗流體的漏失,有時有時會加到會加到10種。研究表明種。研究表明,加入太多的添加劑會降低鉆井液加入太多的添加劑會降低鉆井液的

37、性能。通過改變添加劑的數(shù)量和它們的濃度的性能。通過改變添加劑的數(shù)量和它們的濃度,我們對添我們對添加劑對鉆井液性質的影響進行了實驗研究。這些實驗結果加劑對鉆井液性質的影響進行了實驗研究。這些實驗結果表明有些添加劑是無效的表明有些添加劑是無效的,或者實際上是有害的或者實際上是有害的,有些效果有些效果很好很好,其他的時好時壞其他的時好時壞,取決于添加劑的組合和使用濃度。取決于添加劑的組合和使用濃度。我們還注意到添加劑之間具有協(xié)調(diào)作用我們還注意到添加劑之間具有協(xié)調(diào)作用,例如例如,2種效果不好種效果不好的添加劑的添加劑,組合之后效果很好。組合之后效果很好。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定

38、性的影響 2.碳纖維作為添加劑的效果碳纖維作為添加劑的效果 除了商業(yè)鉆井液添加劑除了商業(yè)鉆井液添加劑,工程師測試了許多非石油添加劑工程師測試了許多非石油添加劑,以尋找能夠提高鉆井作業(yè)的材料。需求之一就是在破裂的以尋找能夠提高鉆井作業(yè)的材料。需求之一就是在破裂的巖石中建立橋巖石中建立橋,這可能會需要相對較大尺寸的顆粒這可能會需要相對較大尺寸的顆粒,這樣就這樣就會影響鉆井液密度和流變性。為了尋找替代物會影響鉆井液密度和流變性。為了尋找替代物,我們測試我們測試了各種各樣的碳纖維。聚合物類型的顆粒強度不夠了各種各樣的碳纖維。聚合物類型的顆粒強度不夠,因此因此我們尋找高機械強度的添加劑。碳纖維就很合適我

39、們尋找高機械強度的添加劑。碳纖維就很合適,它表現(xiàn)它表現(xiàn)出很高的機械強度出很高的機械強度,并且屬于非研磨性物質并且屬于非研磨性物質,密度較低。密度較低。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 漏失實驗解釋漏失實驗解釋 本節(jié)內(nèi)容是基于本節(jié)內(nèi)容是基于Aadny、Mostafavi和和Hareland2009發(fā)表的一篇文章發(fā)表的一篇文章,并且介紹了漏失實驗模型并且介紹了漏失實驗模型,其中包括井眼其中包括井眼破裂后的處理方案。還給出了由漏失實驗得到的關于原地破裂后的處理方案。還給出了由漏失實驗得到的關于原地應力的評價解釋。應力的評價解釋。 Kirsch方程只適用于剛好出現(xiàn)常規(guī)漏失點時的

40、情況。然而方程只適用于剛好出現(xiàn)常規(guī)漏失點時的情況。然而,井壁破裂時的壓力值往往超過所謂的漏失點壓力值井壁破裂時的壓力值往往超過所謂的漏失點壓力值,因此因此,需要一個彈塑性橋模型才能完全描述最終的失效模型。需要一個彈塑性橋模型才能完全描述最終的失效模型。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響 新模型中新模型中,我們利用原地應力狀態(tài)和巖石抗拉強度修正了我們利用原地應力狀態(tài)和巖石抗拉強度修正了使用使用Kirsch方程的漏失點。模型還解釋了油基鉆井液的循方程的漏失點。模型還解釋了油基鉆井液的循環(huán)漏失問題環(huán)漏失問題,這種情況下的井壁強度降低到最小水平應力這種情況下的井壁強度降低到最小水

41、平應力水平。水平。 這里提出的模型適用于傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)這里提出的模型適用于傳統(tǒng)的鉆井作業(yè),使濾液控制的鉆使濾液控制的鉆井液充滿顆粒井液充滿顆粒,漏失實驗時的鉆井液流量很大漏失實驗時的鉆井液流量很大,并且形成開并且形成開裂較小的裂縫。相對比裂較小的裂縫。相對比,這個模型不適用于油井增產(chǎn)作業(yè)這個模型不適用于油井增產(chǎn)作業(yè)中使用純凈壓裂液的大規(guī)模水力壓裂。這是一個很重要的中使用純凈壓裂液的大規(guī)模水力壓裂。這是一個很重要的區(qū)別區(qū)別,因為很多文章混淆了概念因為很多文章混淆了概念,或者使用鉆井液的可穿透或者使用鉆井液的可穿透純凈液模型而不是用非穿透模型。純凈液模型而不是用非穿透模型。鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的

42、影響鉆井液漏失對井壁穩(wěn)定性的影響連續(xù)泵實驗連續(xù)泵實驗我們已經(jīng)知道在壓力測試中巖石會發(fā)生破裂。當裂縫張開時我們已經(jīng)知道在壓力測試中巖石會發(fā)生破裂。當裂縫張開時,固體顆固體顆粒在裂縫中形成橋粒在裂縫中形成橋,從而阻止更多的流體進入裂縫。從這個角度看從而阻止更多的流體進入裂縫。從這個角度看,破破裂的過程包含兩步裂的過程包含兩步:前失效階段和后失效階段。前失效階段和后失效階段。前失效階段適用于井眼出現(xiàn)破裂之前。這一階段可以使用連續(xù)介質力前失效階段適用于井眼出現(xiàn)破裂之前。這一階段可以使用連續(xù)介質力學方法學方法Kirsch方程進行描述。假設一口直井的簡單情況方程進行描述。假設一口直井的簡單情況,受到兩向大受到兩向大小不同的水平應力作用小不同的水平應