摘 要：中國東部的各大油田都屬于正斷層控制區(qū)域，研究正斷層區(qū)域的井壁穩(wěn)定性對東部各大油田的勘探開發(fā)具有重要意義。正斷層控制區(qū)域原地應(yīng)力狀態(tài)滿足上覆巖層壓力為最大主應(yīng)力。本文分析了井斜角和方位角對定向井坍塌壓力的影響規(guī)律。結(jié)果表明在正斷層控制區(qū)域向水平最小地應(yīng)力方位鉆定向井坍塌壓力最低，井壁穩(wěn)定性最好。研究結(jié)果可為東部各大油田的鉆井設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：正斷層；井壁穩(wěn)定；坍塌壓力；井斜角；方位角

井壁失穩(wěn)問題是石油鉆井過程中普遍存在并一直困擾石油工業(yè)界的一個重大問題，全世界每年因井壁失穩(wěn)造成的損失約占鉆井總成本的10%，世界各大石油公司都把井壁穩(wěn)定技術(shù)作為重點課題進行研究。中國東部的各大油田都屬于正斷層控制區(qū)域，因此，研究正斷層區(qū)域的井壁穩(wěn)定性對大慶油田、勝利油田、渤海油田等東部各大油田的勘探開發(fā)具有重要意義。

1 正斷層控制區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)

地應(yīng)力的相對大小和構(gòu)造運動密切相關(guān)，依據(jù)Anderson的斷層形態(tài)與地應(yīng)力相對大小的關(guān)系，對于正斷層的控制的構(gòu)造，三個主地應(yīng)力的相對大小為[1]：

式中，σv為上覆巖層壓力；σH為水平最大地應(yīng)力；σh為水平最小地應(yīng)力。

2 井壁穩(wěn)定性分析模型

研究定向井井壁穩(wěn)定性，應(yīng)從井周地層應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，并結(jié)合合適的強度準(zhǔn)則，來確定鉆井安全泥漿密度。假設(shè)地層是均質(zhì)各向同性的孔隙彈性材料，井壁完全不滲透，井眼柱坐標(biāo)系下井眼周圍總應(yīng)力可按下式計算[2]：

式中，帶下標(biāo)r、θ、z的σ表示在井眼柱坐標(biāo)下的總正應(yīng)力和剪應(yīng)力；帶下標(biāo)x、y、z的σ表示在笛卡爾坐標(biāo)系下的總正應(yīng)力和剪應(yīng)力，z軸方向不變；R為到井軸的半徑；r為井眼半徑；θ為相對于x軸的方位角。

彈性狀態(tài)下，最大應(yīng)力集中發(fā)生在井壁上，即R=r處，井壁上任意一點的主應(yīng)力為[3]：

其中，σtmax和σtmin為井壁切向平面上的最大和最小主應(yīng)力，徑向應(yīng)力是另一個主應(yīng)力。

若鉆井過程中泥漿密度過低，當(dāng)井壁應(yīng)力狀態(tài)超過地層抗剪強度時，井壁發(fā)生坍塌，由此可以計算井壁坍塌壓力。若采用Mohr-Coulumb準(zhǔn)則，可用下式表示[4]：

式中，σ1、σ3為井壁上最大和最小主應(yīng)力，σc為地層單軸抗壓強度； 為地層內(nèi)摩擦角；Pp為地層孔隙壓力；α為地層有效應(yīng)力系數(shù)。

3 正斷層控制區(qū)域井壁穩(wěn)定分析

依據(jù)前面的井壁穩(wěn)定分析模型，我們對正斷層控制區(qū)域的坍塌壓力隨井斜方位變化規(guī)律進行了計算，結(jié)果如圖1所示。計算時根據(jù)正斷層控制區(qū)域的原地應(yīng)力狀態(tài)選取上覆巖層壓力為最大主應(yīng)力。計算時以正北方位為水平最大地應(yīng)力方位，圖中sita代表鉆井時的方位角。

從圖中可以看出，直井坍塌壓力約為1.03g/cm3，除在最小地應(yīng)力方位附近鉆井時坍塌壓力隨井斜角的增加開始有所減小，隨后又逐漸增大。在遠(yuǎn)離最小水平地應(yīng)力方位鉆井時，坍塌壓力隨井斜角的增加而增加，直井井壁穩(wěn)定性最好。鉆定向井時，在最小地應(yīng)力方位鉆進坍塌壓力最低，有利于井壁穩(wěn)定；在最大地應(yīng)力方位鉆進定向井坍塌壓力最高，不利于井壁穩(wěn)定。

4 結(jié)論

地應(yīng)力的相對大小和構(gòu)造運動密切相關(guān)，正斷層控制區(qū)域上覆巖層壓力為最大主應(yīng)力。

在正斷層控制區(qū)域，向水平最小地應(yīng)力方位鉆定向井時坍塌壓力隨井斜角先減小后增大；當(dāng)鉆井方位遠(yuǎn)離最小水平地應(yīng)力方位時，坍塌壓力隨井斜角的增加而增加，直井井壁穩(wěn)定性最好。

在正斷層控制區(qū)域鉆定向井時，在最小地應(yīng)力方位鉆進坍塌壓力最低，有利于井壁穩(wěn)定；在最大地應(yīng)力方位鉆進定向井坍塌壓力最高，不利于井壁穩(wěn)定。

[參考文獻]

[1]陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]金衍，陳勉，柳貢慧，等.大位移井的井壁穩(wěn)定力學(xué)分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，1999，5（1）：4-11.

[3]Fj?r E，Holt RM，Horsrud P，et al.Petroleum Related Rock Mechanics.Second Edition.Elsevier，2008.

[4]閆傳梁，謝玉洪，鄧金根，等.安全鉆井液密度上限的確定方法.天然氣工業(yè)，2013，33（6）：80-85.