王志學(xué)

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關(guān)系研究

王志學(xué)

（中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南新鄉(xiāng) 453000）

站在力學(xué)角度，對南海西部海域潿洲油田的巖石進(jìn)行研究，分析其地層巖石的特征，給出與該油田相適合的、合理的井壁穩(wěn)定分析辦法。在該油田的井壁穩(wěn)定的計(jì)算模型基礎(chǔ)上，對其定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關(guān)系進(jìn)行研究，進(jìn)而歸納規(guī)律。將定向井的井眼軌跡進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可以有效預(yù)防該油田的井壁不穩(wěn)定的情況。

定向井；井眼軌跡；井壁穩(wěn)定性；研究

南海西部海域潿洲油田油氣資源豐富，但是該區(qū)域的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)力較大，有斷層裂縫，該區(qū)域地層具有較強(qiáng)的水敏性，設(shè)置了較窄的安全鉆井液密度窗口，在進(jìn)行鉆井時(shí)，頻頻發(fā)生塌、漏、卡等事故，尤其是在進(jìn)行遇潿洲組以及流沙港組地層的鉆進(jìn)工作時(shí)，井壁穩(wěn)定性能大大下降，失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重。目前較為常見的解決方法是改進(jìn)泥漿的性能以及限制起下鉆的速度。對泥漿的性能進(jìn)行改變可以很好地對井壁形成保護(hù)，但是會對儲層造成較大污染，該種做法更適合用于上部井段的非目的層操作；而對起下鉆的速度進(jìn)行限制產(chǎn)生的效果并不理想。為了提高效益，實(shí)現(xiàn)利用井眼軌跡解決該油田井壁穩(wěn)定性的問題，該文對定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定的關(guān)系進(jìn)行了分析研究。

1 地層巖石力學(xué)特征分析

該區(qū)域西南位置流沙港組泥頁巖地層屬于深湖相沉積，其沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，泥頁巖中層理性的狀況是沉積環(huán)境的較短時(shí)間內(nèi)周期性質(zhì)的變化，使得沉積物源發(fā)生周期性的變化，對應(yīng)的黏土礦物也會發(fā)生一定的周期性的差異，由于波浪、流水和后期的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致原始沉積層理發(fā)生了改變，由原來的水平層理變成現(xiàn)在的泥頁巖層理結(jié)構(gòu)。層理結(jié)構(gòu)的地層具有諸多特征：①在力學(xué)方面，其各向性非常顯著；②其層理面同樣也是其弱勢面，結(jié)構(gòu)十分薄弱，微孔隙裂隙初步發(fā)育，經(jīng)過了多次的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其層理面非常容易出現(xiàn)裂縫或者微裂縫，最后形成一個(gè)通道使得鉆井液濾液更加容易浸入泥頁巖。層理性的地層的各向異性極為顯著，過去在分析井壁穩(wěn)定情況時(shí)，通常會將各向異性產(chǎn)生的影響忽略掉，這樣的分析必然會造成很大的誤差。在這次分析中將各向異性產(chǎn)生的影響考慮在內(nèi)，鉆進(jìn)過程中，地層巖石本體遭到破壞之前，層理面就會遭到破壞，形成非常復(fù)雜的事故。所以，在鉆進(jìn)過程中，不僅要對直井的層理結(jié)構(gòu)的地層井壁的穩(wěn)定狀況進(jìn)行分析，同時(shí)也要對定向井實(shí)施科學(xué)的研究分析。

2 層理弱面對地層強(qiáng)度的影響

通常情況下，使用莫爾-庫侖準(zhǔn)則對完整地層的剪切破壞情況進(jìn)行描述，使用主應(yīng)力σ1、σ3主應(yīng)力進(jìn)行表示：

式中：σ1表示巖石主體受到的有效主應(yīng)力的最大值；

σ3表示的是巖石主體受到的有效主應(yīng)力的最小值；

C表示的是巖石主體自身具備的粘聚力；

φ表示的巖石主體的內(nèi)摩擦角。

如果地層中含有一定的弱面，Mclamore等專業(yè)人士認(rèn)為分析巖體破壞能夠選擇使用黏聚力和內(nèi)摩擦角不間斷改變情況弱面準(zhǔn)則，即：

式中：A1、B1、A2、B2、α、α′、C1、D1、C2、D2、n、m 為實(shí)驗(yàn)中已知的確定的常數(shù)；β為σ1和弱面法向之間的夾角，如圖1所示。

此模型中具有較多的未知的參數(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中，必須對其實(shí)施簡化，也就是說，如果粘聚力持續(xù)發(fā)生變化，其內(nèi)摩擦角保持原有狀態(tài)，進(jìn)而可以是未知的參數(shù)的減少。

圖1 層理面法向和夾角的示意圖

3 定向井井壁穩(wěn)定的分析方法

為了便于進(jìn)行分析，取一單元體于定向井所屬的軌跡曲線，該定向井的井壁圍巖所產(chǎn)生的應(yīng)力分布狀況，以及坐標(biāo)軸情況，如圖2（a）所示。

圖2 地應(yīng)力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖

但是在圖2（a）中其應(yīng)力的表達(dá)式在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候比較復(fù)雜，所以，可以將其轉(zhuǎn)化為圖2（b）所顯示的斜坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，井軸用z軸來進(jìn)行表示，而，x、y軸都與z軸保持垂直關(guān)系。由此，斜坐標(biāo)系可以得到新的地應(yīng)力表達(dá)式：

因?yàn)樵撚吞锲涞貙拥膬A斜角相對較小，同時(shí)通過室內(nèi)試驗(yàn)得出，導(dǎo)致井壁失去穩(wěn)定性的最主要是因?yàn)闈B吸進(jìn)行破壞，所以，相關(guān)技術(shù)研究人員考慮此油田發(fā)生井壁失穩(wěn)情況的時(shí)候，僅僅表現(xiàn)為巖石基體遭到了破壞，那么該油田的地應(yīng)力關(guān)系表示為：σv>σh1>σh2，于是將公式（3）帶入公式（2）中，能夠獲得定向井所受到的坍塌壓力的計(jì)算模型。

4 井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性的關(guān)系分析

為了有效分析井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性二者之間的關(guān)系，將某一口井所在的某一小段的測井?dāng)?shù)據(jù)拿來進(jìn)行坍塌以及破裂壓力的分析（因?yàn)榉治銎屏褖毫Φ膽?yīng)用方法已經(jīng)很成熟，再次不進(jìn)行描述其計(jì)算模型）。為了便于數(shù)據(jù)的計(jì)算，在此視地層為一個(gè)平面并且中心對稱，如圖3，同時(shí)取多個(gè)井斜角和斜方位角而且這些角之間存在著一定的差異，然后對其進(jìn)行比較。

圖3 井眼橫截面

（1）把方位角進(jìn)行固定，固定度數(shù)為0°，然后取多個(gè)井斜角，分別為0°（0°表示直井，直井沒有井斜方位角）、22.5°、45、67.5°、90°，進(jìn)而計(jì)算其坍塌壓力和破裂壓力，能夠獲得一組剖面圖，如圖4所示。

圖4 方位0°時(shí)各井斜角對應(yīng)的壓力

（2）把方位角進(jìn)行固定，固定度數(shù)為22.5°，然后取多個(gè)井斜角，分別為 0°、22.5°、45、67.5°、90°，進(jìn)而計(jì)算其坍塌壓力和破裂壓力，能夠獲得一組剖面圖，如圖5所示。

圖5 方位22.5°時(shí)各井斜角對應(yīng)的壓力

（3）把方位角進(jìn)行固定，固定度數(shù)為45°，然后取多個(gè)井斜角，分別為0°、22.5°、45、67.5°、90°，進(jìn)而計(jì)算其坍塌壓力和破裂壓力，能夠獲得一組剖面圖，如圖6所示。

圖6 方位45°時(shí)各井斜角對應(yīng)的壓力

（4）把方位角進(jìn)行固定，固定度數(shù)為67.5°，然后取多個(gè)井斜角，分別為 0°、22.5°、45、67.5°、90°，進(jìn)而計(jì)算其坍塌壓力和破裂壓力，能夠獲得一組剖面圖，如圖7所示。

（5）把方位角進(jìn)行固定，固定度數(shù)為90°，然后取多個(gè)井斜角，分別為0°、22.5°、45、67.5°、90°，進(jìn)而計(jì)算其坍塌壓力和破裂壓力，能夠獲得一組剖面圖，如圖8所示。

對顯示的剖面圖進(jìn)行直接的觀察，可以容易看出其規(guī)律性。

圖7 方位67.5°時(shí)各井斜角對應(yīng)的壓力

圖8 方位90°時(shí)各井斜角對應(yīng)的壓力

5 結(jié)束語

（1）由定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關(guān)系研究可以看出，當(dāng)該油田的井斜方位為45°，將會受到最小的坍塌壓力，其承受最大的破裂壓力。換言之，其他相關(guān)條件固定的情況下，加入將定向井的井斜方位設(shè)置在45°或者225°，井壁的所處的狀態(tài)是最穩(wěn)定的。

（2）當(dāng)井斜方位設(shè)置在0～90°之間的時(shí)候，其所受到的坍塌壓力是不斷變化的，會先不斷降低然后慢慢升高，面臨的破裂壓力也是一樣處于變化中，先變大而后變小。充分考慮油田的地應(yīng)力的特點(diǎn)，進(jìn)而得出在45°或者225°的井斜方位上，恰好處在最小的水平應(yīng)力方向，也就是說處于此方位時(shí)，其井壁穩(wěn)定性最強(qiáng)。

（3）不管井斜方向發(fā)生什么樣的變化，其所受到的坍塌壓力會同井斜角一起變化，素質(zhì)增大而增大，破裂壓力也是一樣會發(fā)生變化，但是隨之增大而減少，假如其他條件處于穩(wěn)定的情況，在井壁的穩(wěn)定性方面，直井好于定向井。

（4）從整體角度講，對比安全鉆井液密度窗口直井比水平井要寬些，大約寬0.12g/cm3，處于45°或225°井斜方位的定向井比處于135°或315°井斜方位的定向井更寬，大約寬0.1g/cm3。

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TE243

A

1004-7344（2016）07-0181-02

2016-2-20

王志學(xué)（1986-），男，助理工程師，碩士，主要從事石油鉆井工程工作。