井周应力与井壁失稳
第八章-井壁稳定
a r2 2P w 1 2 H h 1 a r2 2 1 2 H h 1 3 r a 4 4 c2 os
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
z v 2 H h a r 2 c2 o s 1 2 1 1 2 f P w P p
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的 是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近 产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个 井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
1、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度 (shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌 扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse pressure)； 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将 产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压 力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近 的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的情 况，井壁围岩的应力状态：
谈谈定向井井壁稳定问题
谈谈定向井井壁稳定问题从岩石力学、地球物理测井、工程录井、环空水力学和钻井液化学等方面分析定向井井壁稳定问题，以实现对钻井液性能、井身结构及其它工程参数的优化设计。
标签：定向井岩石应力；地层压力；地层破裂压力液柱压力数学模型引言导致井眼出现失稳问题的因素包括天然的原因和人为的原因。
在天然的原因方面包括：地质构造类型和原地应力，孔隙度渗透性及孔除中的流体压力等；在人为的原因方面包括：钻井液的性能，泥页岩化学作用的强弱，钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。
导致井眼失稳的最根本因素就是在形成井眼的过程中，井眼四周的应力场、化学力出现了变化，导致井壁应力集中的问题，致使井内钻液的压强不可以和底层的地应力重新建立起平衡的关系。
如果井内的钻井液液柱比坍塌的压力还要低的时候，井壁的岩石就会被破坏，这时候的塑性岩石会对井中产生塑性的流动，最后出现缩径的问题，而脆性的岩石就可能会发生坍塌的问题，导致井径的增大，如果当钻井液的液柱压力要比破裂时压力还要高的情况下，井壁内四周的岩石就会被拉伸导致出现井漏的问题。
此外，钻井液的密度最好是让井内的液柱和地层孔隙的压力能够互相平衡。
一、井壁应力分布因为上覆岩层的压力不能很好的和井轴重合，原来的水平地应力也就不能和井轴正交，所以井眼四周的岩石在切向正应力与法相正应力的共同作用之下处在三维应力的情况之下。
不仅正压力作用在井轴垂直平面井壁四周的岩石，剪应力也作用在井轴垂直平面与岩石之上，它们都严重的影响着井壁岩石的形态，对井壁岩石有破坏作用。
二、井壁岩石破坏准则当前许多人为拉伸断裂的机制操纵着地层的压裂情况，也就是说，如果当一个有效的主应力的大小能够与岩石拉伸的强度值相同时就会发生底层破裂的情况。
三、岩石强度参数的确定为了能够对全井段进行连续预测，仅凭室内岩心试验是不够的。
而要充分利用相关的间接资料，其中最完整的莫过于测井资料。
因此，将测井资料的处理与岩心试验结合起来，确定所需要的地层参数。
浅析钻井井壁失稳的原因及预防措施
浅析钻井井壁失稳的原因及预防措施长期以来，井壁失稳一直是困扰钻完井施工的一个主要难题。
特别是近年来，钻井面临的地质条件越来越复杂，且水平井、大位移井、分支井等复杂结构井越开越多，这使得钻完井过程中的井壁失稳问题更为突出。
本文是从井壁失稳的原因出发，探讨相关预防措施。
1 井壁失稳的原因从理论上，产生井眼失稳的根本原因，在于井眼形成过程中井眼周围的应力场（包括化学力）发生了改变，引起井壁应力集中，井内钻井液柱压力未能与地层中的地应力建立起新的平衡。
1.1 地质方面的原因除了高压油气层的影响外，地层的构造状态的影响是造成井壁失稳坍塌卡钻的最重要的地质方面的原因。
原始地应力，地壳是在不断运动之中，于是在不同的部位形成不同的构造应力（挤压、拉伸、剪切）。
当这些构造应力超过岩石本身的强度时，便产生断裂而释放能量。
但当这些构造应力的聚集尚未达到足以使岩石破裂的强度时，它是以潜能的形式储存在岩石之中，待机而发，当遇到适当的条件时，就会表现出来。
岩石本身的性质，由于沉积环境、矿物组分、埋藏时间、胶结程度、压实程度不同而各具特性。
泥页岩孔隙压力异常，泥页岩是有孔隙的，在成岩过程中，由于温度、压力的影响，使粘土表面的强结合水脱离成为自由水，如果处于封闭的环境内，多余的水排不出去，就在孔隙内形成高压。
钻井时，如果钻井液的液柱压力小于地层孔隙压力，孔隙压力就要释放。
如果孔隙和裂缝足够大且有一定的连通性，这些流体就会涌入井内。
1.2 物理化学方面的原因井壁失稳坍塌卡钻的物理化学方面的原因表现在岩石的水化膨胀、毛细管作用和流体静压力等，即与水的存在密切相关。
只要使用水基钻井液，只要有水的存在，就有泥页岩的水化膨胀和坍塌问题。
经过大量研究发现，泥页岩中的粘土含量、粘土成分、含水量及水分中的含盐骨对泥页岩的吸水及吸水后的表观有密切关系，泥页岩粘土含量越高，含盐量越高、含水量越少则越易吸水水化。
蒙脱石含量高的泥页岩易吸水膨胀，绿泥石含量高的泥页岩易吸水裂解、剥落。
川东北地区高陡构造井壁失稳原因及对策
[收稿日期]2009208216 [作者简介]于玲玲(19762),女,2000年大学毕业,硕士,工程师,现主要从事钻井设计及岩石力学研究工作。
川东北地区高陡构造井壁失稳原因及对策 于玲玲,孙连环,鲍洪志 (中国石化石油工程技术研究院,北京100101)[摘要]川东北地区是中国石化的重点区域,由于高陡构造带地层岩石破碎、地层倾角大、地层各向异性强,井身质量差和机械钻速低是该地区钻井工程突出的问题;从理论上探讨了高陡构造井壁失稳、井下复杂的机理,针对川东北地区高陡构造的地质特征,分析研究了防止井壁失稳的各种措施,对该地区井身质量和钻井机械效率的提高具有一定的指导作用。
[关键词]井壁稳定;大倾角;高陡构造;川东北[中图分类号]TE242[文献标识码]A [文章编号]100029752(2010)0120281203川东北地区油气勘探潜力巨大,目前中石化已在该区的普光、毛坝、河坝、双庙、清溪等构造钻探了30余口井。
该地区上部陆相地层以砂泥岩互层为主,钻井过程中井壁坍塌严重。
地质研究表明,川东北地区地质构造经历了强烈挤压造山运动,形成了现今高陡构造带[1～3]。
该区的褶皱断裂带强烈,地质情况十分复杂,地应力强烈,地层岩石破碎,地层倾角大,局部小褶皱多。
在川东北地区,陆相地层的高陡构造钻井井壁稳定性问题是突出,表现为井下复杂、机械钻速低,井身质量差,起下钻阻卡严重,憋钻现象时有发生。
这些问题一直是制约勘探开发的“瓶颈”问题,而如何采取有效措施进行井身质量控制是直接影响钻井质量、钻井效率的关键所在。
为此,笔者开展高陡构造井壁失稳的机理及对策研究。
1 高陡构造井壁失稳的机理产生井眼失稳的根本原因在于井眼形成过程中周围的应力场发生了改变,引起井壁应力集中,井内钻井液未能与地层中应力建立新的平衡。
当井内钻井液液柱压力低于坍塌压力时,井壁岩石将产生剪切破坏,脆性岩石将会产生坍塌掉块造成井径扩大,塑性岩石将向井内产生塑性流动而产生缩径;当井内钻井液液柱压力高于破裂压力时,井壁岩石则会发生拉伸破裂而造成井漏。
探讨油田深井井壁稳定问题
探讨油田深井井壁稳定问题[摘要]随着我国油气勘探开发不断向深部地层发展，深井、超深井的钻探规模日益扩大，深井、超深井的快速钻井技术已被列入技术攻关范围。
本文探讨了某油田深井失稳的形式和失稳的原因，对提高钻井速度有重要意义。
[关键词] 深井井壁失稳石油钻井的对象是地壳岩石，钻井过程中所面临的主要技术难题是岩石的可钻性和井壁稳定性。
两者决定着钻井工程的成败或效益。
某油田自1964年建厂至今钻井过程中始终面临这两大问题的困扰。
目前，油田发展逐渐向深层和滩海区域转移，深井和大位移井数量随之增多，而在深井钻井中由于其钻遇的地质层系多，岩性变化频繁，地层可钻性差，裸眼浸泡时间长，因此深层井壁稳定问题更显得突出。
据不完全统计，在已完成的深井中70%～80%的事故是由于井壁失稳所致。
井壁失稳不仅在大港油田深井钻井中存在，在中国其他各油田乃至世界许多油田都存在，并且一直没有得到很好解决。
据美国资料统计，全世界石油钻井工程每年仅井壁失稳一项就损失费用8～10亿美元，约占钻井总成本的10%。
所以世界上各大公司都把控制井壁稳定技术作为重点课题进行研究。
1井壁失稳的形式井壁失稳问题，从广义上讲包括脆性泥页岩、低强度砂岩的井壁坍塌、塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹性变形以及一些岩层在钻井液压力作用下的破裂。
井壁失稳一般表现为坍塌（扩径）、缩径、破裂。
井壁坍塌是井壁失稳中最为常见的形式。
某油田曾对各区块钻井事故进行统计说明，约有70%的区块井壁失稳是岩层坍塌和掉块。
最为典型的是Fa井，在3440～3650m东营底和沙一上段地层，因事故连续5次注水泥浆打塞，共注99.2m水泥浆，经计算该井段平均井径为888mm，约是钻头直径的4倍，最大井径处达到1.5m。
缩径经常发生在易水化膨胀的泥页岩地层，在钻井过程中其主要表现形式为：起钻遇卡拔活塞、下钻遇阻划眼。
如某油田700～2000m明化镇地层。
井壁破裂常出现在裂缝或胶结差甚至无胶结物的破碎性地层。
钻井过程中井壁失稳的原因分析及预防探讨
钻井过程中井壁失稳的原因分析及预防探讨作者：唐伦帅方曦来源：《中国化工贸易·中旬刊》2017年第09期摘要：钻井施工过程中，井壁失稳的原因是错综复杂的，有力学的原因，有化学的原因，还有工程方面的原因。
本文主要是从这个三个方面入手对井壁失稳的原因展开分析，探讨从合理选择钻井液密度、优选防塌剂和完善工程措施三个方面保障井壁稳定，提升钻井施工效率和安全性。
关键词：钻井；井壁失稳；钻井液钻井过程中井壁失稳易造成井壁垮塌、缩径、漏失、卡钻及储层污染等井下事故，严重制约了油气田勘探开发的发展。
在油气勘探开发中钻井费用占了勘探开发总费用的50%～80%。
井壁失稳的原因是错综复杂的，有力学的原因，有化学的原因，还有工程方面的原因，总之是地层原地应力状态、井筒液柱压力、地层岩石力学特性、钻井液性能以及工程施工等多因素综合作用的结果。
1 井壁失稳的原因井壁失稳问题的诱因很多，概括起来可分为天然和人为两个方面：天然因素主要有地层岩性、地层强度、粘土矿物的类型、地层倾角、孔隙度以及孔隙流体压力等；人为可控因素主要有钻井液的性能、地层裸眼时间、钻井液的对井壁的冲刷作用、激动压力、井眼轨迹等。
1.1 力学因素井内钻井液液柱压力起到了一定的支撑所钻岩层原本提供的支撑作用，井壁处原本的三向应力平衡被破坏，使得井眼周围应力重新分布。
当井内液柱压力小于地层孔隙压力时，可能使井壁岩石产生剪切破坏，对于塑性岩石这个时候通常会导致缩径问题，而脆性岩石则会产生坍塌掉块，造成复杂情况。
地层强度对浅井井壁稳定性有着显著的影响，大幅度提高钻井液密度可以解决如浅部地层强度太低的问题。
但是对于深部泥页岩地层，由于其具有极强的粘土矿物的水敏性，简单依靠增大钻井液密度来平衡地层压力是不可取的，甚至会造成井漏或者垮塌。
1.2 化学因素泥页岩主要由水敏性粘土矿物组成，其与钻井液中的水的相互作用是必然的。
由于泥页岩结构和组分上的特点，采用不同的钻井液体系，这种作用的差别也是很大的，离子交换作用、渗透作用、水沿泥页岩的微裂隙的侵人以及毛管力作用产生的渗析强度都有明显影响。
钻井中井壁不稳定因素浅析
钻井中井壁不稳定因素浅析摘要：钻进生产中井壁失稳最为常见，机理复杂，难于预防。
对井壁失稳机理重新认识，为井壁稳定技术对策提供依据。
关键词：井壁不稳定；水化膨胀；坍塌压力井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂三种基本类型，是影响井下安全的主要因素之一。
一、井壁不稳定地层的特征钻井过程中所钻遇的地层，如泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等均可能发生井壁不稳定。
但井塌大多发生在泥页岩地层中，约占90%以上。
缩径大多发生在蒙皂石含量高含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩或粉砂岩、沥青等类地层中。
二、坍塌地层的特征井塌可能发生在各种岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中；但严重井塌往往发生在具有下述特征的地层中：（1）层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层；（2）孔隙压力异常泥页岩；（3）处于强地应力作用地区；（4）厚度大的泥岩层；（5）生油层；（6）成岩第一或第二脱水带；（7）倾角大易发生井斜的地层；（8）含水量高的泥岩或砂岩、粉砂岩等。
三、井壁不稳定实质是力学不稳定问题井壁不稳定根本原因是钻井液作用在地层的压力地层破裂压力，从而造成井壁岩石所受的应力超过岩石本身强度，引起井壁不稳定。
钻井液与地层所发生物理化学作用，最终均因造成地层坍塌压力增高和破裂压力降低，而引起井壁不稳定。
四、井壁失稳原因探讨1.力学因素地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用下，处于应力平衡状态。
当井眼被钻开后，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力平衡，引起井壁周围应力的重新分布；如井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏，对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大；而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径。
我们把井壁发生剪切破坏的临界井眼压力称为坍塌压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力当量钻井液密度。
钻井井壁失稳的原因分析及预防处理
1411 井壁失稳的原因对井眼失稳的原因进行理论分析，主要是因为在形成过程中发生了应力场的改变，出现井壁应力集中，地层的地应力无法与井内钻井液柱压力平衡。
井壁失稳的原因主要包括地质、物理化学以及钻井工艺3个方面。
地质方面的原因主要包括原始地应力、岩石本身性质、泥页岩孔隙压力异常等。
在地壳运动作用下，剪切、拉伸和挤压等构造力会随着部位不同而不同，在超过岩石强度的情况下就会出现断裂，在未达到断裂极限值时，就会在岩石内储存，形成潜能。
沉积岩包括玄武岩、凝灰岩、石灰岩、泥页岩、砾岩和砂岩等，在不同的压实程度、胶结程度、埋藏时间、矿物成分以及沉积环境下会呈现不同的特性。
泥页岩成岩过程中，在压力和温度影响下，黏土表面的强结合水会因脱离而形成自由水，在封闭环境中无法排出而形成高压。
在地层空隙压力超过液柱压力的情况下就会释放空隙压力，在足够大的裂缝和孔隙下就会形成连通而将液体流入井内。
分析井壁失稳坍塌卡钻的原因，在物理化学方面主要与水相关，因流体静压力、毛细管作用和水化膨胀等，在使用水基钻井液的情况下就会导致坍塌和水化膨胀等问题。
泥页岩的吸水和吸水表现与其含水量、黏土成分和黏土含量相关，越少的含水量、预告的含盐量和黏土含量就会越易于吸水水化。
蒙脱石含量越高越易吸水膨胀，绿泥石含量越高越易吸水剥落和裂解。
泥页岩的强度在吸水后会急剧下降，更容易引发坍塌。
钻井施工中无法改变地应力和地层性质，防止地层坍塌只能从工艺层面入手。
压力激动控制效果不佳、不当的钻具组合、方位和井斜的影响估计不足都可能引发坍塌。
防止坍塌最主要的是对液柱压力进行控制。
在应力集中地层、破碎地层和薄弱地层中，通过合理的钻井液密度来调整液柱压力。
提升钻井液密度加强井壁支撑力的同时还需要考虑其朝地层渗透，降低内部结构力。
在确定钻井液浓度前还要保证钻井液液柱压力小于产层孔隙压力。
钻井施工过程中，要对钻井液的流变性和性能实时关注。
过大循环排量和高返速会对井壁地层形成冲蚀而导致坍塌。
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70 60 50 40 30 20 10 0 90 180 270 360
16
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 90 180 270 360
17
利用水力压裂试验数据计算地应力：
H min
P
FCP
H max 3 H min Pp Pf S t
39
问题的难点
复杂的力学、化学、 水动力学耦合问题
考虑因素 地层本构模型
渗流方式 渗流对强度的影响 泥页岩吸水影响强度 层理、裂缝面
传统模型 各向同性体
Darcy渗流 无 无 无
层理性泥页岩问题 各向异性体
各向异性渗流 有 沿层吸水 有
40
没有解析解，必须数值求解
计算结果之一： 井眼周围位移场 分布规律
8
直井井眼周围地层应力状态
由水平最小地应力 h 所引起的井周应力分布
h h R2 3R 4 4 R 2 r (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r 2 4 h h R 3R (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r h 3R 4 2 R 2 r (1 4 2 ) sin 2 2 r r
2 2
10
直井井眼周围地层应力状态
( H h ) ( H h ) R2 R2 3R 4 4 R 2 r 2 P (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r r (1 2 ) R2 [ (1 2 ) ](P Pp ) 2(1 ) r
走向对坍塌压力的影
响较小
43
定向井井眼轨迹对坍塌压力的影响
2.4 2.3
2.2
坍塌压力（g/cm 3 ）
2.1
2
1.9
1.8
最大地应力 15 度 30 度 45 度 60 度 75 度 最小地应力 0 15 30 45 井斜角（ ）
o
钻进定向井 最有利的井 斜方位范围
1.7 60 75 90
以霍尔果斯构造安集海河组高陡层理性泥页岩地层为例，地层南倾， 地层倾角500，水平最大地应力近南北走向 以近垂直层理面的方位井斜钻定向井，使坍塌压力大幅降低，有利 于井壁稳定
石油工程岩石力学
Petroleum Engineering Rock Mechanics
井周应力与井壁失稳
1
内容提要
井眼周围应力状态 泥页岩水化坍塌问题 层理性地层井壁稳定性问题 流变性地层井壁稳定性问题
2
一、井眼周围地层应力状态
意义？
井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗 口的确定基础 出砂预测研究的基础
地层力学性质具有明显的各向异性，轴向与层理面法线夹角在 45～75度之间时强度最低，约为垂直层理面强度的1/5～1/6。 层理面的粘聚力、内摩擦角远低于岩石基体的粘聚力、内摩擦 角，高倾角下的破坏多为沿层理面的剪切破坏。
38
层理性泥页岩地层渗透特性
试验设备
平行层理面和垂直 层理面测试—层理 面可能为高渗面
6
直井井眼周围地层应力状态
由钻井液柱压力P引起的应力
R2 r 2 P r 2 R 2 P r
无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关
7
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
2 4 2 H R 3R 4R H r (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r H H R2 3R 4 (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r 4 2 H 3R 2R r (1 4 2 ) sin 2 2 r r
S t Pf Pr
18
坍塌压力、破裂压力
n tg C
3 St
,
19
定向井井周地层应力状态
z
3
β
z1 o γ
y
r
θ x
α
y1 α
2 1
β x1
20
东营组地层斜井井壁稳定性分析
最大水平地应力方位： 井壁坍塌风险最高
坍塌压力随井 斜方位的变化
21
东营组地层斜井井壁稳定性分析
1.35 100 1.3
硅酸盐泥浆
坍塌压力（g/cm 3）
1.25
1.2
1.15
1.1 0 10 20 30 40 50 60 70 时间，天 80 90 29 100
具有显著“结构性（层理、裂缝）”的泥页岩地层井壁
失稳问题难以像均质地层一样通过提高钻井液密度有效
解决，是目前研究的难点（Crook，2002）
计算模型：考 虑地层各向异 性、渗流等因 素的综合影响
41
层理性地层井壁破坏点分析
2 2 C J J n 破坏比大于1，失稳 nt 定义层理面破坏比 f ns
1
最大水平地应力南 北方向，破坏点最 大值不在最小地应 力方位，在应用井 壁崩落椭圆法确定 水平地应力方位时 应当引起注意
0.9 0.8 0.7 0.6
破坏比
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 45 90 135 180 井周角（度） 225 270 315 360
42
地层走向对层理性泥页岩坍塌压力的影响
与地层倾角相比较，
坍塌压力（g/cm 3）
2.36 2.34 2.32 2.3 2.28 2.26 2.24 2.22 2.2 0 60 120 180 240 地层走向（度） 300 360
44
定向井井眼轨迹对坍塌压力的影响
1.6
近似水平层理
1.5
坍塌压力（g/cm 3 ）
1.4
水平最大地应力方位N50E
9
直井井眼周围地层应力状态
钻井液渗流效应
(1 2 ) (r 2 R 2 ) r [ ](P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) (r R ) [ ](P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) r [ ](P Pp ) 2(1 )
(1 2 ) z v [2( H h ) cos 2 ] [ ]( P Pp ) 1
12
直井井眼周围地层应力状态
直井井眼周围应力分布的特点是什么？
max (1 2 ) P 3 H h [ ]( P Pp ) 1
吸水量,%
不同泥浆体系 下泥岩膨胀特 性
8 6 4 2 0 0 1
七克台组裂隙岩芯在几种改进聚璜泥浆中的吸附扩散实验结果
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 100 200 300 400 500 600 700
清水中 3％KCL改进聚璜泥浆中 5％KCL改进聚璜泥浆中 7％KCL改进聚璜泥浆中 硅酸盐泥浆中
地应力 给定的泥浆密度
井周应力应变 本构模型 提高泥浆密度 破坏准则 失稳 结束 稳定
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理
论和计算方法基本成熟
25
泥页岩水化坍塌问题
26
14
3%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0264
12 10
5%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0214 7%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0197 指数 (3%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0264) 指数 (5%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0214) 指数 (7%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0197)
30
层理
霍003井安集海河 组泥页岩地层坍塌 掉块
31
涠西南油田群，在层理发育的涠二段、流二段泥页岩地 层中钻进定向井时，井壁坍塌卡钻等井下复杂时有发生
涠二段泥页岩地层（泡水前）
涠二段泥页岩地层（泡水后）
32
70
60
50
井径（in.）
40
30
20
10
0 1700
1900
2100
2300 垂深（m）2来自3R 4 2 R 2 (1 4 2 ) sin 2 r r
11
直井井眼周围地层应力状态
井壁应力状态：
r P ( P Pp )
P (1 2 cos 2 ) H (1 2 cos 2 ) h (1 2 ) [ ](P Pp ) 1
2500
2700
2900
3100
涠二段地层坍塌掉块
涠二段泥页岩
33
层理性地层井壁稳定性问题
34
层理性泥页岩力学特点之一：各向异性
试验表明，层理性泥页岩力学性质及强度具有显著各向异性，
若轴线与层理面的夹角在20～30之间，岩心强度与垂直层理 面强度相比降低了40%，平行层理面的抗拉强度低于垂直层理
2 3 距离泥浆端面的距离,cm
4
5
膨胀应变,%
不同泥浆体系 下泥岩吸水特 性
27
时间,min
0.35 0.3 0.25
泊松比 粘聚力,MPa
25
含水量对泊松比的影响
20 15
0.2 0.15 0.1
10
5 0.05 0 0 1 2 3 4 吸水量,% 5 6 7 0 0
含水量对粘聚力的影响
1 2 3 4 5 吸水量,% 6 7
最大水平地应力方位： 井壁破裂风险最高
破裂压力随井 斜方位的变化
22
安全泥浆密度窗口
23
变质岩地层裸眼完井井壁稳定性分析
244.5mm套管以下太古界地层存在低 强度砂岩地层，即使是钻井过程中 也需较高的泥浆密度来维持井壁稳 定，预实现裸眼完井开采，应调整 套管下入深度