地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)井眼破裂壓力的影響規(guī)律研究

胡益濤

（中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

井眼破裂壓力是石油鉆井中重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇合理的井筒壓力是保證安全快速鉆井的重要因素[1，2]。不同地質(zhì)環(huán)境中存在不同類型的地應(yīng)力場(chǎng)，而不同的地應(yīng)力場(chǎng)中鉆井井眼破裂壓力具有顯著的差異[3]。因此，充分認(rèn)識(shí)地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)破裂壓力的影響規(guī)律，對(duì)于合理選擇鉆井過(guò)程中的井筒壓力，保證鉆井安全具有重要的理論意義。基于此，本文根據(jù)巖石力學(xué)理論，計(jì)算了正斷層作用應(yīng)力區(qū)域、逆斷層作用力應(yīng)力區(qū)域以及走滑斷層作用應(yīng)力區(qū)域三種不同地應(yīng)力場(chǎng)中的破裂壓力，分析了破裂壓力在不同地應(yīng)力場(chǎng)中隨井斜角、方位角的變化規(guī)律，為不同地應(yīng)力場(chǎng)中鉆進(jìn)不同井眼軌跡的井眼提供理論指導(dǎo)。

1 地應(yīng)力場(chǎng)

地應(yīng)力是由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地下熱交換等因素在漫長(zhǎng)地質(zhì)年代中形成的內(nèi)應(yīng)力。地應(yīng)力的大小可通過(guò)主應(yīng)力張量表示[4]：

式中：σH、σh、σv分別為水平最大地應(yīng)力、水平最小地應(yīng)力、上覆地應(yīng)力。

根據(jù)斷層類型和形態(tài)可判斷構(gòu)造區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力的相對(duì)大小和方向[5，6]（見圖1）：（1）正斷層作用應(yīng)力區(qū)域：σv＞σH＞σh，水平最大地應(yīng)力方向與斷層走向平行；（2）走滑斷層作用應(yīng)力區(qū)域：σH＞σv＞σh，水平最大地應(yīng)力方向與斷層走向存在一定夾角；（3）逆斷層作用應(yīng)力區(qū)域：σH＞σh＞σv，水平最小地應(yīng)力方向與斷層走向平行。

圖1 斷層類型與地應(yīng)力相對(duì)大小和方向的關(guān)系

2 任意井眼破裂壓力計(jì)算模型

2.1 井周應(yīng)力狀態(tài)

井眼鉆開后，產(chǎn)生應(yīng)力集中，井筒受三向原位地應(yīng)力和鉆井液液柱壓力的共同作用。通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可得到原位地應(yīng)力在定向井坐標(biāo)系中的表示形式[7]：

式中：σv、σH、σh-上覆地應(yīng)力、水平最大和最小地應(yīng)力，MPa；α-井斜角；β-井眼方位與 σH方位的夾角；σxx、σyy、σzz、σxy、σxz、σyz-笛卡爾坐標(biāo)系中的井周應(yīng)力分量。

對(duì)上述各地應(yīng)力分量及鉆井液液柱壓力在井周引起的應(yīng)力進(jìn)行疊加，得到定向井井周應(yīng)力分布為式（3）。

2.2 井眼破裂判斷準(zhǔn)則

井眼破裂主要是由于井筒內(nèi)壓力過(guò)高，導(dǎo)致井周應(yīng)力超過(guò)地層強(qiáng)度產(chǎn)生拉伸破壞造成的。通常采用拉伸破壞準(zhǔn)則判斷井眼是否產(chǎn)生破裂[8]：

式中：σθ、σr、σz-井眼柱坐標(biāo)系下的切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和垂向應(yīng)力；σrθ、σθz、σzr-井眼柱坐標(biāo)系下的剪應(yīng)力；Pi-井筒內(nèi)壓力；μ-泊松比；θ-井周角；R-井眼半徑；r-地層內(nèi)任一點(diǎn)到井眼中心的距離。

式中：σ3-井周最小主應(yīng)力，MPa；St-抗拉強(qiáng)度，MPa。

2.3 破裂壓力計(jì)算方法

由式（3）可知，井周最小主應(yīng)力出現(xiàn)在井壁上，即R=r處。根據(jù)彈性力學(xué)理論，可得到井壁上任一點(diǎn)的最小主應(yīng)力：

其中：

將公式（5）代入公式（4），通過(guò)迭代計(jì)算即可得到任意井眼的破裂壓力。

3 地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)井眼破裂壓力的影響規(guī)律

計(jì)算參數(shù)：地層深度3 000 m，水平最大地應(yīng)力方位N30°E，巖石抗拉強(qiáng)度5 MPa，泊松比0.2，有效應(yīng)力系數(shù)0.8，孔隙壓力30 MPa。為了研究地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)井眼破裂壓力的影響規(guī)律，取表1中三種不同斷層作用應(yīng)力區(qū)域中的地應(yīng)力參數(shù)分別計(jì)算了破裂壓力。

3.1 正斷層

表1 不同斷層作用應(yīng)力區(qū)域地應(yīng)力計(jì)算參數(shù)表

正斷層作用應(yīng)力區(qū)域鉆進(jìn)的任意井眼破裂壓力（見圖2）。圖中徑向代表井斜角，周向代表井眼方位角，顏色代表破裂壓力的數(shù)值，紅色代表破裂壓力最大，藍(lán)色代表破裂壓力最小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在正斷層作用應(yīng)力區(qū)域，垂直于水平最大地應(yīng)力方位鉆大斜度井（井眼方位角為N120°E，井斜角大于60°）破裂壓力最高，鉆井過(guò)程中井眼破裂的風(fēng)險(xiǎn)最小；平行于水平最大地應(yīng)力方位鉆大斜度井（井眼方位角為N30°E，井斜角大于60°）破裂壓力最低，鉆井過(guò)程中井眼破裂的風(fēng)險(xiǎn)最大。

圖2 正斷層作用應(yīng)力區(qū)域任意井眼破裂壓力

3.2 走滑斷層

走滑斷層作用應(yīng)力區(qū)域鉆進(jìn)的任意井眼破裂壓力（見圖3）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在走滑斷層作用應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)井眼方位角為 N80°～160°E，且井斜角大于 75°破裂壓力最高，鉆井過(guò)程中井眼破裂的風(fēng)險(xiǎn)最小；當(dāng)井斜角低于30°時(shí)破裂壓力最低，鉆井過(guò)程中井眼破裂的風(fēng)險(xiǎn)最大。

圖3 走滑斷層作用應(yīng)力區(qū)域任意井眼破裂壓力

3.3 逆斷層

逆斷層作用應(yīng)力區(qū)域鉆進(jìn)的任意井眼破裂壓力（見圖4）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在逆斷層作用應(yīng)力區(qū)域，平行于水平最大地應(yīng)力方位鉆小斜度井（井眼方位角為N30°E，井斜角小于45°）破裂壓力最高，鉆井過(guò)程中井眼破裂的風(fēng)險(xiǎn)最小；垂直于水平最大地應(yīng)力方位鉆大斜度井（井眼方位角為N120°E，井斜角大于60°）破裂壓力最低，鉆井過(guò)程中井眼破裂的風(fēng)險(xiǎn)最大。

圖4 逆斷層作用應(yīng)力區(qū)域任意井眼破裂壓力

4 結(jié)論

（1）地應(yīng)力場(chǎng)不同，井眼破裂壓力隨井眼軌跡的變化呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際地應(yīng)力環(huán)境優(yōu)化井眼軌跡，降低井眼破裂風(fēng)險(xiǎn)。

（2）正斷層條件下，沿垂直于水平最大地應(yīng)力方位鉆大斜度井破裂壓力最高，平行于水平最大地應(yīng)力方位鉆大斜度井破裂壓力最低；走滑斷層條件下，沿垂直于水平最大地應(yīng)力方位鉆大斜度井破裂壓力最高，平行于水平最大地應(yīng)力方位鉆小斜度井破裂壓力最低；逆斷層條件下，平行于水平最大地應(yīng)力方位鉆小斜度井破裂壓力最高，垂直于水平最大地應(yīng)力方位鉆大斜度井破裂壓力最低。