劉雪芬，閆玲玲

（1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅慶陽 745000；2.巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆庫爾勒 841000）

鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是一個(gè)普遍性難題，特別是在新地區(qū)的勘探井、深井和超深井中，常常由于無法掌握井下地層的組成與特性，鉆井、鉆井液技術(shù)與地層不匹配，造成井眼嚴(yán)重失穩(wěn)，從而導(dǎo)致卡鉆、劃眼，泥包鉆頭等各種復(fù)雜事故，甚至使油井報(bào)廢。

國內(nèi)外大量學(xué)者研究了井壁失穩(wěn)發(fā)生的條件及井壁失穩(wěn)機(jī)理，如地層各向異性、井身類型[1]、井眼軌道和層理面的夾角[2]、巖石類型及其力學(xué)參數(shù)[3，4]。不少學(xué)者指出應(yīng)深入研究泥頁巖力學(xué)與化學(xué)耦合對井壁失穩(wěn)的影響[5]，巖石層理產(chǎn)狀和水化損傷對井壁穩(wěn)定性都有顯著的影響，都會(huì)導(dǎo)致坍塌壓力升高，加劇井壁的不穩(wěn)定性[6]。學(xué)者將ANSYS有限元軟件應(yīng)用到井壁穩(wěn)定分析，指出對某鉆孔使用清水鉆進(jìn)就可以滿足井壁穩(wěn)定的需要[7]，并得出了實(shí)際應(yīng)用中的鉆井液密度值[8]，且地層各向異性程度越高，井周應(yīng)力值越大，由此也會(huì)影響井壁穩(wěn)定性[9]。

論文以南海M油田明化鎮(zhèn)組地層為研究對象，從巖石力學(xué)的觀點(diǎn)研究鉆井過程中的井壁穩(wěn)定，采用DP破壞準(zhǔn)則，利用已測室內(nèi)試驗(yàn)得到的巖石力學(xué)參數(shù)，在ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件基礎(chǔ)上建立井壁模型，分析井周應(yīng)力-變形規(guī)律，揭示鉆井過程井壁位移和應(yīng)力分布，為防止井壁失穩(wěn)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

南海M油田為一具有復(fù)雜斷層的半背斜斷塊油氣藏，海區(qū)表層水溫29.0℃～17.0℃，近底層（1 500 m深度）水溫3.5℃～2.0℃，所鉆遇的地層自上而下分別鉆遇明化鎮(zhèn)組（明上段、明下段）、館陶組。明化鎮(zhèn)組埋深600 m～1 030 m，主要為軟泥巖和疏松砂巖；館陶組埋深1 030 m～1 300 m，主要為細(xì)到粗砂巖顆粒，有泥質(zhì)夾層。巖石力學(xué)試驗(yàn)表明，明化鎮(zhèn)組彈性模量較低，泊松比相對較高，且明化鎮(zhèn)組和館陶組的黏聚力都很低（0.5 MPa～2 MPa），內(nèi)摩擦角也較低（31°）。明化鎮(zhèn)組單軸強(qiáng)度＜7 MPa，館陶組單軸強(qiáng)度＜9.5 MPa，整體強(qiáng)度較低，在鉆井和開發(fā)中可能出現(xiàn)井壁沖蝕、坍塌、縮徑、出砂等問題。對明化鎮(zhèn)組巖心開展了現(xiàn)用泥漿體系浸泡對地層強(qiáng)度的影響研究，測試其強(qiáng)度參數(shù)（見表1）。

2 ANSYS井壁穩(wěn)定性模擬

2.1 物理模型建立

假設(shè)：（1）巖石為理想彈塑性材料；（2）不考慮鉆井液與巖石的物理化學(xué)變化；（3）不考慮溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響；（4）不考慮巖石的裂縫影響；（5）不考慮井眼軌跡的影響；（6）不考慮巖石中黏土礦物的影響。井壁簡化模型（見圖1）。

圖1 物理模型

2.2 有限元模型建立過程

論文采用DP模型描述鉆孔圍巖材料。DP材料使用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。數(shù)據(jù)采自M-2井?dāng)?shù)據(jù)：地層巖石彈性模量：21.6 GPa，泊松比：0.17，內(nèi)聚力：1.84 MPa，內(nèi)摩擦角：67.4°，鉆井液密度 1.4 g/cm3，井眼直徑300 mm，膨脹角在巖石屈服過程中對鉆孔圍巖的變化沒有很大的影響，在計(jì)算時(shí)假膨脹角等于零[10]。取井眼周圍約10倍井眼直徑范圍進(jìn)行分析（即300 cm）[11]。明上段、明下段、館陶組的深度所對應(yīng)的地應(yīng)力值（見表2）。

表1 M油田明化鎮(zhèn)組泥漿浸泡強(qiáng)度試驗(yàn)測試

表2 不同層位地應(yīng)力分布

根據(jù)井眼的對稱性，采用井眼的四分之一平面模型。根據(jù)巖石力學(xué)的觀點(diǎn)，距離巖體硐室半徑6.5倍以外的地方幾乎不會(huì)發(fā)生應(yīng)力重新分布的現(xiàn)象，故模型井眼半徑取R，結(jié)構(gòu)邊長取10R，所取結(jié)構(gòu)尺寸基本可消去邊界效應(yīng)對結(jié)果的影響。

3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

為了得到較好的結(jié)果又節(jié)約計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，在對井壁模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐值臅r(shí)候，井壁周圍的單元?jiǎng)澐值募?xì)，在靠近邊界及邊界上的范圍單元?jiǎng)澐值拇?。在模型的X負(fù)方向施加最大水平主應(yīng)力，在Y負(fù)方向施加最小水平主應(yīng)力，在X、Y方向施加約束，在井壁處施加液柱壓力。

3.1 位移分析

3.1.1 不同井深下的位移分析 研究表明，鉆井至800 m時(shí)，井眼位移11.342 mm；鉆至1 100 m時(shí)，井眼位移11.876 mm；鉆至1 400 m時(shí)，井眼位移16.718 mm。從800 m～1 400 m井眼發(fā)生位移逐漸增大。通過有限元技術(shù)分析計(jì)算，同一裸眼井段鉆井液密度不變時(shí)，井眼發(fā)生位移隨井深增大而增大。由于從800 m～1 400 m主要是明化鎮(zhèn)組和館陶組。所以，M油田在鉆進(jìn)過程中，在明化鎮(zhèn)組和館陶組地層容易發(fā)生起下鉆遇阻、遇卡，造成井壁失穩(wěn)。

3.1.2 不同水化作用時(shí)間下的位移分析 浸泡0 h時(shí)，井眼發(fā)生位移13.143 mm；浸泡12 h時(shí)，井眼發(fā)生位移16.414 mm；浸泡40 h時(shí)，井眼發(fā)生位移27.297 mm。隨著浸泡時(shí)間的增加，井眼發(fā)生的位移隨之增加，從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。井眼被鉆開后，鉆井液與泥巖地層接觸，黏土顆粒吸水膨脹，這會(huì)破壞泥巖地層原有顆粒的膠結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，彈性模量降低，泊松比升高，內(nèi)摩擦角減小和內(nèi)聚力減少。

3.2 應(yīng)力分析

鉆井至800 m時(shí)，井周應(yīng)力10.542 MPa～17.714 MPa；鉆至1 100 m時(shí)，井周應(yīng)力13.544 MPa～25.887 MPa；鉆至1 400 m時(shí)，井周應(yīng)力在17.585 MPa～31.013 MPa。不同井深的應(yīng)力分布，都存在最小水平主應(yīng)力方向井壁所受應(yīng)力最大、最大水平主應(yīng)力方向所受的應(yīng)力最小，且距井眼一定距離后，地層所受的有效應(yīng)力基本不變。所以，井壁更易在最小主應(yīng)力方向發(fā)生破壞。

可見，當(dāng)泥頁巖地層與鉆井液接觸時(shí)，自由水進(jìn)入泥頁巖地層，將改變地層原有的力學(xué)性質(zhì)，引起泥頁巖地層的水化膨脹，改變井眼周圍地層應(yīng)力分布；同時(shí)也會(huì)引起地層巖石強(qiáng)度降低，兩種作用的共同結(jié)果將導(dǎo)致泥頁巖地層井壁的坍塌。

4 結(jié)論和建議

（1）隨著井深的增大，井徑和有效應(yīng)力變化都相對增大，相比之下，館陶組的井徑位移大于明化鎮(zhèn)組，因此該油田的館陶組比明化鎮(zhèn)組更容易發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，鉆井過程中應(yīng)采取有效措施防止井壁失穩(wěn)的發(fā)生。隨著鉆井液浸泡時(shí)間的增加，井眼位移明顯增大，導(dǎo)致井眼變形，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）井周在最小水平主應(yīng)力方向存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最易發(fā)生失效破壞引發(fā)井壁穩(wěn)定問題。此外，隨著井深的增加，井徑在最大水平主應(yīng)力方向的變化比在最小水平主應(yīng)力方向的變化大，最終致使井眼呈橢圓狀，導(dǎo)致起下鉆遇阻、遇卡。

（3）鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是巖石力學(xué)與化學(xué)耦合的結(jié)果，當(dāng)泥頁巖地層與鉆井液接觸時(shí)，自由水進(jìn)入泥頁巖地層不僅會(huì)使泥頁巖地層發(fā)生水化作用，也將改變地層原有的力學(xué)性質(zhì)，引起地層巖石強(qiáng)度降低，兩種作用的耦合將導(dǎo)致泥頁巖地層井壁的坍塌。

（4）本文僅從巖石力學(xué)機(jī)理的角度分析了井壁的穩(wěn)定性，建議研究化學(xué)及與化學(xué)耦合作用影響下的井壁穩(wěn)定。此外，地下巖石一般都處于各向異性，巖石弱面對巖石破壞也有影響，因此建議研究時(shí)考慮各向異性的影響。

［1］徐同臺.井壁穩(wěn)定技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.鉆井液與完井液，1997，（4）：36-43.

［2］王富偉，劉扣其，邱正松，等.國外井壁穩(wěn)定分析模型研究進(jìn)展［J］.延安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，（10）：82-87＋91.

［3］李軍，陳勉，金衍，等.大位移井井壁穩(wěn)定三維彈塑性有限元分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，（14）：2385-2389.

［4］劉曉強(qiáng)，張習(xí)斌，許鵬，等.基于ABAQUS的徑向井井壁穩(wěn)定性分析［J］.斷塊油氣田，2016，（4）：523-527.

［5］徐四龍，余維初，張穎.泥頁巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)與化學(xué)耦合（協(xié)同）作用研究進(jìn)展［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2014，（1）：151-153.

［6］劉向君，曾韋，梁利喜，等.頁巖層理對井壁穩(wěn)定性影響分析［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，（11）：88-92.

［7］梁濤.地應(yīng)力與井壁穩(wěn)定性關(guān)系研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2012.

［8］趙小龍，等.井壁穩(wěn)定性傳統(tǒng)方法與有限元數(shù)值模擬對比研究［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，（4）：35-38.

［9］黃芳.復(fù)雜地層中大位移井井壁穩(wěn)定性數(shù)值分析［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013.

［10］曾攀，雷麗萍，方剛.基于ANSYS平臺有限元分析手冊—結(jié)構(gòu)的建模與分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［11］丁振龍，劉繪新.有限元法在油氣井井壁穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2006，（2）：23-24+27.