石油鉆井中影響井壁穩定性因素分析

尹國慶，梁藝葦，琚　巖，曾　鑫，趙　崴，李元寶

(1.塔里木油田勘探開發研究院，新疆維吾爾族自治區 庫爾勒 841000；2.百通思達(北京)石油科技發展有限公司，北京 100107)

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石油鉆井中影響井壁穩定性因素分析

尹國慶1，梁藝葦2，琚巖1，曾鑫2，趙崴1，李元寶2

(1.塔里木油田勘探開發研究院，新疆維吾爾族自治區 庫爾勒 841000；2.百通思達(北京)石油科技發展有限公司，北京 100107)

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，對影響井壁失穩因素進行了分析，得出如下結論：1)石油鉆井過程中若水平應力比值不變，隨地應力增大鉆井安全泥漿窗口增大；若地應力非均勻性增大，安全鉆井泥漿窗口則減小；2)滲透作用的結果降低了井壁的穩定性；3)孔隙壓力增大，安全泥漿窗口變小；4)巖性由白云巖—灰巖—砂巖—泥巖，坍塌壓力上升破裂壓力減小；5)巖石有損傷時井壁易發生井漏，安全泥漿窗口小鉆進難度增大。

井壁穩定性；影響因素；坍塌壓力；破裂壓力；安全泥漿窗口

1　概述

鉆井過程中井壁失穩易造成井壁垮塌、縮徑、漏失、卡鉆及儲層污染等井下事故，嚴重制約了油氣田勘探開發的發展。在油氣勘探開發中鉆井費用占了勘探開發總費用的50%～80%。井壁失穩的原因是錯綜復雜的，有力學的原因，有地質的原因，還有工程方面的原因，總之是地層原地應力狀態、井筒液柱壓力、地層巖石力學特性、鉆井液性能以及工程施工等多因素綜合作用的結果。

從力學的角度來說，造成井壁坍塌的主要原因是由于井內液柱壓力較低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞造成的。泥漿密度過低對于脆性地層，井壁應力將超過巖石的抗剪切強度而發生剪切破壞，表現為坍塌掉塊、井徑擴大，此時的臨界井眼壓力定義為坍塌壓力；而對塑性地層，則向井眼內產生塑性變形，造成縮徑。井壁坍塌的另一個原因是井內鉆井液柱壓力低于低滲地層的孔隙壓力，使井壁巖石產生拉伸破壞而崩落，多發生在過渡帶欠壓實的超壓低滲泥頁巖地層中。

在鉆井工程中，通常采用Mohr—Coulomb準則解釋井壁的坍塌和地層破裂產生的機理，并得出保持井壁穩定的壓力計算公式[2]。

保持井壁上不出現任何坍塌崩落的鉆井液最小密度值為：

(1)

(2)

式中：ρm為坍塌壓力泥漿當量液密度，g/cm3；H為井深，m；Pp為地層壓力，MPa；Fc為巖石的黏聚力，MPa；η為應力非線性修正系數；σH、σh為最大、最小水平應力，MPa；α為有效應力修正系數，無量綱；φ為巖石內摩擦角，(°)。

保持地層不產生破裂的井液密度為：

(3)

式中：ρf為破裂壓力泥漿當量液密度，g/cm3；St為抗張強度，MPa。

因此，鉆井安全泥漿密度可由下式確定：ρm≤ρ≤ρf。

2　影響井壁穩定性因素分析

塔里木盆地沙漠腹地ZG17井石炭系巴楚組，根據坍塌壓力、破裂壓力計算方法，對各種條件下的地層坍塌壓力和破裂壓力進行計算。各參數情況分別為：

井垂深：H=4 439m；垂向應力：σZ=100.5MPa；縱波：DT=66.7us/ft；橫波DTSM=119.5us/ft；密度：ρ=2.53g/cm3；地層孔隙壓力系數：pp=1.079；泥質含量：SH=0.17；有效應力系數：α=0.75；水平構造應力系數最大、最小分別為0.002 35、0.001 5；應力非線性修正系數：η=0.704。

計算最大水平主應力為88.99 MPa，最小水平主應力為74.67 MPa，地層坍塌壓力和破裂壓力當量密度分別為1.06 g/cm3、2.46 g/cm3。實鉆井泥漿液密度為1.10 g/cm3，大于地層坍塌壓力安全鉆井。

上述計算是假設地層不滲透，井徑擴大率為0的條件下得出的，若上述條件或地應力、地層強度不同，則所得結果將發生變化，下面就影響地層坍塌壓力和破裂壓力的因素進行分析。

2.1地應力的影響

地應力是造成井壁巖石產生剪切和拉伸破壞的根本力源，坍塌和破裂壓力不僅與最大、最小水平主應力的大小有關，還與地應力的非均勻性有關。

2.1.1地應力大小的影響

ZG17井最大水平主應力與最小水平主應力之比為1.19，假定水平應力之比不變，且不考慮地層滲透性影響，預測地層坍塌壓力和破裂壓力隨地應力的變化情況。

隨地應力增大，坍塌和破裂壓力均近線性增大，破裂壓力的增大速度明顯大于坍塌壓力的增大速度，隨地應力增加，安全泥漿窗口變寬。在不發生滲漏情況下提高鉆井液密度，就可以繼續保持井壁穩定。但如果鉆井液密度過高，也會帶來一系列問題，如黏卡、滲漏、鉆速降低等(如圖1)。

圖1　地層坍塌壓力和破裂壓力與地應力值關系

2.1.2地應力非均勻性影響

選取ZG17井4 439 m井深處地層參數，不考慮地層滲透性影響時，使最小水平主應力恒定在74.67 MPa，隨著不均均系K(K=σH/σh)的變化，分析坍塌壓力和破裂壓力隨K值的變化關系。

從圖2可見，隨K值增加，坍塌壓力呈線性增大，而破裂壓力呈線性減小。當K值由1(均勻地應力的情況)增加至2時，坍塌壓力當量密度由0.6 g/cm3增加至3 g/cm3，增加了4.99倍；破裂壓力當量密度由2.81 g/cm3下降到1.08 g/cm3，下降了2.59倍。由此可見，地應力非均勻性對地層坍塌壓力和破裂壓力的影響是十分巨大的。當地應力非均勻系數為1.53時，地層坍塌壓力等于地層破裂壓力，若非均勻系數再進一步增大，則地層坍塌壓力要大于地層破裂壓力，此時無法進行正常鉆進。山前構造帶由于地質構造運動激烈，地應力非均勻性也較大，此時井壁極易產生坍塌和破裂，而且坍塌壓力和破裂壓力值也更為接近，井壁穩定性極差且難于處理，這是造成山前構造帶井壁不穩定、鉆井復雜的根本原因。

圖2　地層坍塌壓力和破裂壓力與地應力非均勻系數關系

ZG17井地應力非均勻系數小于1.53，非均勻系數小即水平應力差小，安全泥漿窗口大，易于鉆井。隨地應力非均勻系數增大，水平應力差增大，安全泥漿窗口變窄至無窗口，鉆井難度增大至無法鉆井(如圖3)。

圖3　地層坍塌壓力和破裂壓力與水平應力差關系

2.2地層滲透性的影響

考慮滲透作用時地層坍塌壓力、破裂壓力的計算公式為[3]：

(4)

(5)

式中：f為地層孔隙度；ξ為水平構造因子，無綱量；其他參數同式(1)。

滲透性地層鉆井液向井壁滲透會產生滲透壓力，導致井眼周圍的孔隙壓力發生變化，從而影響地層坍塌壓力和破裂壓力。

假設其他條件不變，采用ZG17井，改變孔隙度，預測安全泥漿窗口變化情況。隙度增大，坍塌壓力、破裂壓力均減小。當孔隙度由0.01增加到0.4時，破裂壓力當量密度由3.9 g/cm3下降到2.5 g/cm3，下降了55.86%，坍塌壓力下降41.60%(如圖4)。也就是說滲透作用的結果使井壁更易坍塌和更易壓裂，降低了井壁的穩定性，因此，在井壁上形成致密不滲透泥餅對保持井壁穩定是十分重要的。

圖4　滲透性地層坍塌壓力和破裂壓力與孔隙度關系

2.3地層孔隙壓力的影響

影響地層坍塌壓力和破裂壓力的另一個重要因素是地層孔隙壓力，ZG17井假設其他條件不變，預測地層坍塌壓力和破裂壓力隨孔隙壓力變化情況。

隨孔隙壓力上升，水平應力增大，當孔隙壓力系數由0.92上升到3時，最大水平主應力上升5.51%，最小水平主應力上升5.32%(圖5(a))。隨孔隙壓力增大坍塌壓力下降16.57%，破裂壓力下降59.56%(圖5(b))。

孔隙壓力越大，安全鉆井泥漿窗口越小。當破裂壓力下降到一定值時，鉆井液壓力大于井壁拉伸破壞上限，井壁發生拉伸破壞，出現井壁滲漏事故；當孔隙壓力增大至一定程度后，坍塌壓力將等于破裂壓力，此時無法進行正常鉆進。因此，異常高壓層屬不穩定地層。

(a)

(b)圖5　水平應力和安全泥漿隨孔隙壓力變化曲線

2.4巖性的影響

不同巖性具有不同的聲波，巖性由白云巖—灰巖—砂巖—泥巖的變化過程是縱波時差不斷增大的過程。ZG17井垂向應力、孔隙壓力不變，且考慮地層滲透性影響，改變縱波，分析巖石對巖石力學參數、地應力的影響。

縱波時差由45 us/ft增大到110 us/ft，泊松比由0.19增大到0.26，彈性模量由50.88 GPa下降到5.69 GPa，抗壓強度由149.96 MPa下降到25.26 MPa。即巖性由白云巖—灰巖—砂巖—泥巖變化，巖石彈性參數泊松比增大、彈性模量降低，巖石強度參數減小(圖6)。

圖6　巖石力學參數隨縱波時差變化曲線

縱波時差增大，破裂壓力當量密度由3.26 g/cm3下降到2.28 g/cm3，下降29.87%；坍塌壓力當量密度由1.05 g/cm3上升至1.25 g/cm3，上升了19.39%；安全泥漿窗口范圍由2.21 g/cm3減小為1.03 g/cm3(圖7)。相同條件下，白云巖灰巖井壁穩定性好于泥巖。

圖7　坍塌壓力破裂壓力隨縱波時差變化曲線

2.5井壁穩定性的斷裂損傷力學分析

由于巖石內部存在著各種微缺陷或微裂紋，在井壁附近的應力區將產生損傷。定義巖石裂紋開始起裂時的井壁壓力為Pf*，即為初始損傷壓力。裂縫發育時安全鉆井泥漿密度為：ρm*≤ρ≤ρf*。

地層裂縫發育時，依據Lame解由Trzaghi的有效應力概念推導得坍塌壓力、破裂壓力公式[4]：

(6)

(7)

式中α=(1+tanφ2)0.5，其他參數如上。

圖8　地層坍塌壓力和破壞壓力與KIC的關系

從圖8可見，隨斷裂韌度增大，坍塌壓力減小破裂壓力增大，安全泥漿窗口變寬；相同斷裂韌度條件下，隨巖石材料的破碎度增大，破裂壓力降低坍塌壓力增大，安全泥漿窗口減小。即說明巖石有損傷時井壁易發生井漏，安全泥漿窗口小鉆進難度增大[4]，這與文獻的研究結果是一致的。

3　結語

1)水平應力比值不變時隨地應力增大，坍塌和破裂壓力均近線性增大，破裂壓力的增大速度明顯大于坍塌壓力的增大速度，隨地應力增加，安全泥漿窗口變寬，在不發生滲漏情況下提高鉆井液密度，就可以繼續保持井壁穩定。

隨地應力非均勻增加，坍塌壓力呈線性增大，而破裂壓力呈線性減小，當地應力非均勻系數為1.53時，地層坍塌壓力等于地層破裂壓力，若非均勻系數再進一步增大，則地層坍塌壓力要大于地層破裂壓力，此時無法進行正常鉆進。隨地應力非均勻系數增大，水平應力差增大，井壁穩定性變差至無法鉆進。

2)滲透性地層鉆井液向井壁滲透產生滲透壓力，導致井眼周圍的孔隙壓力發生變化。隨孔隙度增大，安全泥漿窗口變小，滲透作用的結果使井壁更易坍塌和更易破裂，降低了井壁穩定性，因此，在井壁上形成致密不滲透泥餅對保持井壁穩定是十分重要的。

3)隨孔隙壓力增大，坍塌壓力、破裂壓力均下降，破裂下降速度大，安全鉆井泥漿窗口變窄。當破裂壓力下降到一定值時，鉆井液壓力大于井壁拉伸破壞上限，井壁發生拉伸破壞出現井壁滲漏事故；當孔隙壓力增大至一定程度后，坍塌壓力將等于破裂壓力，此時無法進行正常鉆進。

4)巖性由白云巖—灰巖—砂巖—泥巖的變化過程是縱波時差不斷增大的過程。隨縱波增大，破裂壓力下降，坍塌壓力上升，安全泥漿窗口變小。

5)隨斷裂韌度增大，坍塌壓力減小，破裂壓力增大，安全泥漿窗口變寬；相同斷裂韌度條件下，隨巖石材料的破碎度增大，破裂壓力降低，坍塌壓力增大，安全泥漿窗口減小。巖石有損傷時井壁易發生井漏，安全泥漿窗口小，鉆進難度增大。

[1] 金業權，樓一珊.巖石力學與石油工程[M].北京：石油工業出版社，2006：104-109.

[2] 鄧金根，張洪生.鉆井工程中井壁失穩的力學機理[M].北京：石油工業出版社，1998:145-149.

[3] 肖昌，景艷波，姚棋文，等.井壁穩定性預測方法研究與應用[J].斷塊油氣田，2015，22(1):108-115.

[4] 楊敬源.井壁穩定性若干力學問題的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009:113-115.

The Affecting Factors Analysis of Borehole Wall Stability in Petroleum Drilling

YIN Guo-qing，etc.

(ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofTarimOilfield，Korla841000，China)

The borehole wall instability is a great problem during the drilling process，which has troubled petroleum industry for a long period.This paper mainly discusses and analyzes the influencing factors on borehole wall instability.When the ratio of horizontal stress keeps constant，the safety density window of drilling fluid would expand with the increasing in-situ stress.As the heterogeneity of in-situ stress increases，the safety window would narrow.The borehole wall stability would be undermined by the effect of permeation.Also，an increase in pore pressure will narrow down safety density window of drilling fluid.Collapse pressure increases while fracture pressure decreases with the change in lithology from dolomite，lime stone to sandstone and mudstone.The damage on borehole wall can easily contribute to a borehole wall leakage，and the drilling process becomes more difficult when there is a narrow safety density window.

borehole wall stability；influencing factor；collapse pressure；fracture pressure；drilling fluid safety

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.020

2016-06-30

尹國慶(1979-)，男(漢)，湖北襄樊，工程師

主要研究儲層地質力學。

TE24：P55

A

1009-8984(2016)03-0089-05