王志學

（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)定性關系研究

王志學

（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）

站在力學角度，對南海西部海域潿洲油田的巖石進行研究，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)定的計算模型基礎上，對其定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關系進行研究，進而歸納規(guī)律。將定向井的井眼軌跡進行合理的設計，可以有效預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)域的地質條件比較復雜，地質構造的應力較大，有斷層裂縫，該區(qū)域地層具有較強的水敏性，設置了較窄的安全鉆井液密度窗口，在進行鉆井時，頻頻發(fā)生塌、漏、卡等事故，尤其是在進行遇潿洲組以及流沙港組地層的鉆進工作時，井壁穩(wěn)定性能大大下降，失穩(wěn)現(xiàn)象嚴重。目前較為常見的解決方法是改進泥漿的性能以及限制起下鉆的速度。對泥漿的性能進行改變可以很好地對井壁形成保護，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行限制產生的效果并不理想。為了提高效益，實現(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)定的關系進行了分析研究。

1 地層巖石力學特征分析

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)境的較短時間內周期性質的變化，使得沉積物源發(fā)生周期性的變化，對應的黏土礦物也會發(fā)生一定的周期性的差異，由于波浪、流水和后期的地質運動，導致原始沉積層理發(fā)生了改變，由原來的水平層理變成現(xiàn)在的泥頁巖層理結構。層理結構的地層具有諸多特征：①在力學方面，其各向性非常顯著；②其層理面同樣也是其弱勢面，結構十分薄弱，微孔隙裂隙初步發(fā)育，經過了多次的地質構造運動，其層理面非常容易出現(xiàn)裂縫或者微裂縫，最后形成一個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，通常會將各向異性產生的影響忽略掉，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生的影響考慮在內，鉆進過程中，地層巖石本體遭到破壞之前，層理面就會遭到破壞，形成非常復雜的事故。所以，在鉆進過程中，不僅要對直井的層理結構的地層井壁的穩(wěn)定狀況進行分析，同時也要對定向井實施科學的研究分析。

2 層理弱面對地層強度的影響

通常情況下，使用莫爾-庫侖準則對完整地層的剪切破壞情況進行描述，使用主應力σ1、σ3主應力進行表示：

式中：σ1表示巖石主體受到的有效主應力的最大值；

σ3表示的是巖石主體受到的有效主應力的最小值；

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摩擦角。

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

式中：A1、B1、A2、B2、α、α′、C1、D1、C2、D2、n、m 為實驗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)，在實際的應用中，必須對其實施簡化，也就是說，如果粘聚力持續(xù)發(fā)生變化，其內摩擦角保持原有狀態(tài)，進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生的應力分布狀況，以及坐標軸情況，如圖2（a）所示。

圖2 地應力坐標轉換圖

但是在圖2（a）中其應力的表達式在進行計算的時候比較復雜，所以，可以將其轉化為圖2（b）所顯示的斜坐標系，在該坐標系中，井軸用z軸來進行表示，而，x、y軸都與z軸保持垂直關系。由此，斜坐標系可以得到新的地應力表達式：

因為該油田其地層的傾斜角相對較小，同時通過室內試驗得出，導致井壁失去穩(wěn)定性的最主要是因為滲吸進行破壞，所以，相關技術研究人員考慮此油田發(fā)生井壁失穩(wěn)情況的時候，僅僅表現(xiàn)為巖石基體遭到了破壞，那么該油田的地應力關系表示為：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算模型。

4 井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性的關系分析

為了有效分析井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性二者之間的關系，將某一口井所在的某一小段的測井數(shù)據拿來進行坍塌以及破裂壓力的分析（因為分析破裂壓力的應用方法已經很成熟，再次不進行描述其計算模型）。為了便于數(shù)據的計算，在此視地層為一個平面并且中心對稱，如圖3，同時取多個井斜角和斜方位角而且這些角之間存在著一定的差異，然后對其進行比較。

圖3 井眼橫截面

（1）把方位角進行固定，固定度數(shù)為0°，然后取多個井斜角，分別為0°（0°表示直井，直井沒有井斜方位角）、22.5°、45、67.5°、90°，進而計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°時各井斜角對應的壓力

（2）把方位角進行固定，固定度數(shù)為22.5°，然后取多個井斜角，分別為 0°、22.5°、45、67.5°、90°，進而計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°時各井斜角對應的壓力

（3）把方位角進行固定，固定度數(shù)為45°，然后取多個井斜角，分別為0°、22.5°、45、67.5°、90°，進而計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°時各井斜角對應的壓力

（4）把方位角進行固定，固定度數(shù)為67.5°，然后取多個井斜角，分別為 0°、22.5°、45、67.5°、90°，進而計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）把方位角進行固定，固定度數(shù)為90°，然后取多個井斜角，分別為0°、22.5°、45、67.5°、90°，進而計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。

對顯示的剖面圖進行直接的觀察，可以容易看出其規(guī)律性。

圖7 方位67.5°時各井斜角對應的壓力

圖8 方位90°時各井斜角對應的壓力

5 結束語

（1）由定向井井眼軌跡與井壁穩(wěn)定性關系研究可以看出，當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，其他相關條件固定的情況下，加入將定向井的井斜方位設置在45°或者225°，井壁的所處的狀態(tài)是最穩(wěn)定的。

（2）當井斜方位設置在0～90°之間的時候，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力的特點，進而得出在45°或者225°的井斜方位上，恰好處在最小的水平應力方向，也就是說處于此方位時，其井壁穩(wěn)定性最強。

（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（1986-），男，助理工程師，碩士，主要從事石油鉆井工程工作。