魚(yú)骨狀分支水平井井壁穩(wěn)定性分析

李文飛

( 勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 257017)

魚(yú)骨狀分支水平井能夠大幅提高煤層氣產(chǎn)量，對(duì)于煤層氣的高效開(kāi)發(fā)具有重要作用，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，將成為“智能井”發(fā)展內(nèi)容的重要組成部分。但同時(shí)該技術(shù)也面臨著一些新的挑戰(zhàn)，其中主井眼與分支井眼的連接井段失效是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致井眼報(bào)廢，如果井眼連接井段的地層發(fā)生坍塌，則分支井眼中套管變形會(huì)擠入主井眼，造成主井和分支井無(wú)法再進(jìn)入的嚴(yán)重問(wèn)題，因此為了保證分支井鉆井作業(yè)和完井作業(yè)的成功進(jìn)行，有必要開(kāi)展井眼連接井段井壁穩(wěn)定性的研究分析。

1 分支井連接井段幾何模型

主井眼半徑和分支井眼半徑滿足關(guān)系式，假設(shè)主井眼的橫截面是圓形，并在水平井段進(jìn)行側(cè)鉆。在分支井井眼連接井段以上適用圓形井眼模型，當(dāng)開(kāi)始側(cè)鉆時(shí)，兩個(gè)井眼的水平投影圖如圖1 ( a) ，隨著分支井眼的向外鉆進(jìn)，分支井眼逐漸脫離主井眼，在這個(gè)過(guò)渡井段為如圖1 ( b) 的井眼模型，當(dāng)剛開(kāi)始完全脫離主井眼時(shí)為如圖1 ( c) 的模型，當(dāng)井眼連接井段分成兩個(gè)井眼后微圖1 ( d) 的雙毗鄰井眼模型，然后隨著井深的增加，兩井眼逐漸分開(kāi)，可以視為兩個(gè)獨(dú)立的井眼，分支井連接井段的立體圖如圖2。

圖1 主井眼與分支井眼關(guān)系投影圖

2 連接井段模型

2.1 基本假設(shè)

(1) 巖石為理想彈塑性材料，即在彈性范圍內(nèi)為各向同性線彈體，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)就開(kāi)始發(fā)生破壞;

(2) 不考慮巖石和鉆井液的物理化學(xué)作用而引起的力學(xué)性質(zhì)變化;

(3) 不考慮溫度變化對(duì)井壁力學(xué)性能的影響，及無(wú)溫度應(yīng)力的影響;

圖2 分支井眼和主井眼連接段立體圖

(4) 鉆井液造壁性很好，鉆井液不侵入到巖石中，泥餅無(wú)強(qiáng)度;

(5) 當(dāng)井壁一點(diǎn)處應(yīng)力達(dá)到破壞準(zhǔn)則時(shí)，井眼即發(fā)生破壞;

(6) 不考慮分支連接處裂縫影響。

2.2 力學(xué)模型和網(wǎng)格模型的建立

根據(jù)巖石力學(xué)理論，當(dāng)工程開(kāi)挖釋放載荷作用在巖體某一部位時(shí)，對(duì)周?chē)鷰r體應(yīng)力及位移有明顯影響的范圍約是開(kāi)挖或結(jié)構(gòu)與巖體作用面輪廓尺寸的2．5 ～3 倍，在此范圍之外影響甚小，可忽略不計(jì)?？紤]到有限元離散誤差和計(jì)算誤差，保證必要的計(jì)算精度，研究計(jì)算時(shí)取井眼周?chē)L(zhǎng)寬為lm，即為井眼直徑的5 倍以上; 但考慮到分支井連接段的特殊性，立體模型的寬度和厚度取為2m; 考慮到連接段較長(zhǎng)，兩個(gè)井眼分開(kāi)一定距離后，應(yīng)力是相互影響的，因此沿井眼深度方向長(zhǎng)度取10 ～30m( 根據(jù)曲率半徑的不同選擇長(zhǎng)度，半徑增大，模型的長(zhǎng)度加大，可減少運(yùn)算量并保證計(jì)算精度) 。設(shè)模型井眼直徑0．2159m，分井眼直徑0．1397m，分支井眼和主井眼中心連線和最小水平主應(yīng)力夾角為θ，水平地應(yīng)力為σx、σy，垂向地應(yīng)力為σz，Pm為井眼內(nèi)壓力，分析時(shí)改變各種參數(shù)，模擬分支井連接井段的應(yīng)力分布狀況和地層巖石的破壞情況。

2.3 基本數(shù)據(jù)

在地層沒(méi)有鉆井之前，巖石介質(zhì)就只受到原地應(yīng)力地作用，通常認(rèn)為原地應(yīng)力的主應(yīng)力方向分別是沿著垂直方向和水平方向，同時(shí)有最大和最小水平主應(yīng)力之分，生產(chǎn)實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，在地下一定深度，這符合絕大多數(shù)情況下的地應(yīng)力實(shí)際情況?；镜貙訋r石力學(xué)參數(shù)( 表l) 。

表1 模型分析基本參數(shù)

在分析過(guò)程中變化分支井眼半徑 ( 50m ～250m) 、分支造斜方位夾角( 84° ～92°) 等參數(shù)，研究井眼周?chē)膽?yīng)力分布及連接井段的破壞規(guī)律，根據(jù)莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，分析臨界點(diǎn)應(yīng)力及離開(kāi)分支出口的距離( 破壞深度) ，因?yàn)檫@個(gè)距離直接決定了完井方式的選擇和完井能否獲得好的機(jī)械支撐。

3 結(jié)果分析

通過(guò)模擬分析，改變不同的井眼參數(shù)，研究分支井連接井段的井壁穩(wěn)定性變化規(guī)律( 圖3 ～圖5) 。

圖3 破壞深度隨方位夾角變化規(guī)律

從圖3 中可以看出，在保持其他參數(shù)不變的前提下，隨著分支井眼方向和地層最小水平主應(yīng)力方向夾角( 方位夾角) 的增大，破壞深度是逐漸減小的; 而隨著造斜半徑的增加，破壞深度是增大的。當(dāng)方位夾角為90°時(shí)，破壞深度變化范圍較小，且當(dāng)造斜半徑較大時(shí)，破壞深度在1 ～1．5m之間，表明在這個(gè)方向鉆井時(shí)，分支井眼連接井段比較穩(wěn)定安全。

圖4 破壞深度隨分支出口井斜角變化規(guī)律

從圖4 中可以看出，隨著分支井眼鉆出主井眼時(shí)兩井眼之間垂向剖面的夾角( 分支井眼井斜角)的增大，破壞深度逐漸減小; 隨著方位夾角的增加，破壞深度的降低程度變緩，當(dāng)分支井眼井斜角是90°時(shí)，破壞深度的降低程度顯著。

圖5 破壞寬度隨方位夾角變化規(guī)律

如圖5 所示，隨著方位夾角的增大，分支井眼鉆出主井眼后兩井眼垂直剖面圖上破壞深度對(duì)應(yīng)的兩個(gè)井眼水平距離隨之減小，隨著造斜半徑的增加，破壞寬度減小，但減小的幅度逐漸變小; 同時(shí)，不同造斜半徑下破壞寬度值差距不大; 當(dāng)方位夾角為90°時(shí)，破壞寬度值最小，這也說(shuō)明在這個(gè)方向鉆井井眼之間的破壞是最低也是最穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

(1) 在保持其他參數(shù)不變的前提下，隨著分支井眼方向和地層最小水平主應(yīng)力方向夾角( 方位夾角) 的增大，破壞深度是逐漸減小的; 而隨著造斜半徑的增加，破壞深度是增大的;

(2) 隨著分支井眼鉆出主井眼時(shí)兩井眼之間垂向剖面的夾角( 分支井眼井斜角) 的增大，破壞深度逐漸減小; 隨著方位夾角的增加，破壞深度的降低程度變緩，特別是在最小水平主應(yīng)力方向，破壞深度的降低程度顯著;

(3) 當(dāng)主井眼與分支井眼方位夾角接近90°時(shí)，井眼連接井段破壞寬度值最小，表明在這個(gè)方向鉆進(jìn)時(shí)，對(duì)分支井眼造成的破壞最低，即井眼連接井段是最穩(wěn)定的。

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