正斷層控制區域井壁穩定性研究

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

關鍵詞：正斷層；井壁穩定；坍塌壓力；井斜角；方位角

井壁失穩問題是石油鉆井過程中普遍存在并一直困擾石油工業界的一個重大問題，全世界每年因井壁失穩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定技術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域，因此，研究正斷層區域的井壁穩定性對大慶油田、勝利油田、渤海油田等東部各大油田的勘探開發具有重要意義。

1 正斷層控制區域地應力狀態

地應力的相對大小和構造運動密切相關，依據Anderson的斷層形態與地應力相對大小的關系，對于正斷層的控制的構造，三個主地應力的相對大小為[1]：

式中，σv為上覆巖層壓力；σH為水平最大地應力；σh為水平最小地應力。

2 井壁穩定性分析模型

研究定向井井壁穩定性，應從井周地層應力狀態出發，并結合合適的強度準則，來確定鉆井安全泥漿密度。假設地層是均質各向同性的孔隙彈性材料，井壁完全不滲透，井眼柱坐標系下井眼周圍總應力可按下式計算[2]：

式中，帶下標r、θ、z的σ表示在井眼柱坐標下的總正應力和剪應力；帶下標x、y、z的σ表示在笛卡爾坐標系下的總正應力和剪應力，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。

彈性狀態下，最大應力集中發生在井壁上，即R=r處，井壁上任意一點的主應力為[3]：

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

若鉆井過程中泥漿密度過低，當井壁應力狀態超過地層抗剪強度時，井壁發生坍塌，由此可以計算井壁坍塌壓力。若采用Mohr-Coulumb準則，可用下式表示[4]：

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

3 正斷層控制區域井壁穩定分析

依據前面的井壁穩定分析模型，我們對正斷層控制區域的坍塌壓力隨井斜方位變化規律進行了計算，結果如圖1所示。計算時根據正斷層控制區域的原地應力狀態選取上覆巖層壓力為最大主應力。計算時以正北方位為水平最大地應力方位，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。在遠離最小水平地應力方位鉆井時，坍塌壓力隨井斜角的增加而增加，直井井壁穩定性最好。鉆定向井時，在最小地應力方位鉆進坍塌壓力最低，有利于井壁穩定；在最大地應力方位鉆進定向井坍塌壓力最高，不利于井壁穩定。

4 結論

地應力的相對大小和構造運動密切相關，正斷層控制區域上覆巖層壓力為最大主應力。

在正斷層控制區域，向水平最小地應力方位鉆定向井時坍塌壓力隨井斜角先減小后增大；當鉆井方位遠離最小水平地應力方位時，坍塌壓力隨井斜角的增加而增加，直井井壁穩定性最好。

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

[參考文獻]

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

[2]金衍，陳勉，柳貢慧，等.大位移井的井壁穩定力學分析[J].地質力學學報，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，2013，33（6）：80-85.