井筒应力失稳

井筒完整性研究现状及进展

田晓冬

【摘要】为了能够更加高效地开发油气田,减少油气井事故的发生,油气井完整性管理作为一种新兴的概念被提出来,而井筒完整性管理又是其重中之重.井筒完整性的研究主要包括井下管柱及附件完整性、井下作业完整性、井口系统完整性等,其中井下管柱及附件完整性分为油套管的安全性、密封性,井下作业完整性分为钻完井、固井、生产完整性.井筒完整性对于油田的安全高效生产具有重要的意义,而国内对井筒完整性研究的起步较晚,应从理解认识、标准制定、风险评价等方面对井筒完整性进行研究应用.

【期刊名称】《西安文理学院学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2018(021)005

【总页数】8页(P107-114)

【关键词】井筒完整性;完整性失效;密封性;作业完整性;标准制定

【作者】田晓冬

【作者单位】西安石油大学石油工程学院,西安710065

【正文语种】中文

【中图分类】TE21

油气田的勘探开发，存在着经济效益高、潜在风险高等特点.目前，受到国际低油价、提高采收率技术等因素的影响，很多生产井处在超期服役的状态，设备腐蚀老化、组织管理落后等原因造成的油气井生产安全问题日益严重.因此，油气井完整性管理作为一种新兴的概念被提出来，在国际大型石油公司中备受关注并且得以成功应用.此外，新井特别是深井超深井、高温高压井、海上油气井也同时面临着完整性破坏的风险，亟待油气井完整性管理的开发应用[1-3].本文在大量调研国内外文献的基础上，对油气井筒完整性的基本定义、研究内容以及发展方向进行了详细的阐述，对建立国内的油气井筒完整性管理，改善识别到的不利影响因素，延长老井的寿命周期，降低新井的破坏风险具有实际的意义，从而保证能够更高效、更安全地开采油气.

井筒的完整性研究，主要通过对井筒全寿命周期中存在的风险因素进行识别和评价、制定相应的风险控制对策.从而将油气井正常运营的风险水平控制在合理的范围内，达到减少油气井安全事故发生，经济合理地实现油气井安全运行的目的[4-6].油气井完整性管理系统(WIMS)将其目标[7]描述为：延长油气井的使用寿命，确保安全生产，阻止地层流体失控窜流到环境或其中地层.将井筒完整性的研究分为三个方面：井下管柱及附件的完整性、井下作业的完整性、井口系统的完整性.

井筒问题的耦合渗流及应力分析

摘要:如果不考虑岩石变形和流体扩散的耦合作用,孔隙介质油藏的常规渗流模型对流体的扩散解释是合理和准确的。随着油藏越来越多的开采,流固耦合作用对流体扩散的影响是越来越显著,因此必须用多孔弹性理论来研究井筒问题的耦合渗流及应力。本文推导了流固耦合作用下的孔隙压力、裂缝压力以及井壁围岩应力在Laplace空间的解析表达式,给出了一个模拟实例。

关键词:孔隙介质裂缝性油藏流固耦合 Laplace变换

1 引言

多孔弹性理论[1～2]是用于处理饱含粘性液体的多孔介质弹性变形和孔隙流体渗流耦合问题。它可以认为是多孔介质经典弹性理论的推广,也可以认为多孔介质经典渗流理论的推广。孔隙中流体的存在改变了岩石的力学反应,孔隙流体扩散会导致岩石的体积变化或岩石应力状态的变化;反之岩石的应力作用也会制约或促进孔隙中流体扩散。这种扩散-变形的耦合作用使岩石的反应具有了时间效应。目前它不仅用于土力学中,而且广泛用于采矿工程、环境工程及石油工程。

2 孔隙-裂隙型双重孔隙介质流固耦合计算的耦合方程

由于裂缝性油藏的复杂性,即使用双重孔隙物理模型来处理,我们也必须对其作出一些合理但有必要的假设。对于双重孔隙介质,假设条件为:双重孔隙介质具有特征单元性质;孔隙和裂缝都是相互连通的且充满各自的空隙空间;岩石骨架是线弹性小变形材料;主生孔隙介质和次生孔隙介质中流体流速比较小,基本认为满足达西定律;主生孔隙介质和次生孔隙介质中孔隙和裂缝流体的压力、孔隙度及渗透率均不相同;主生孔隙和次生裂缝之间的流体渗流是拟稳态,用窜流函数描述;孔隙和裂缝中流体是单相;忽略流体重力和惯性力。除了以上的假设,我们还规定孔隙流体压力和裂缝流体压力受压为正;岩石骨架受拉为正。

依据双重孔隙介质的有效应力定律、达西定律、流体-固体的质量守恒定律、本构方程、平衡方恒以及几何方程,经过数学运算可得到最终的双重孔隙介质流固耦合的微分方程,则相应的本构方程分别如下[3～5]:

高应力不同侧压条件下井壁合理结构及稳定性

第２期　２０１３年２月　山西焦煤科技　Ｓｈａｎｘｉ　Ｃｏｋｉｎｇ　Ｃｏａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．２０ｌ３　

・试验研究・　

高应力不同侧压条件下井壁合理结构及稳定性　

张建武　

（大同煤矿集团朔煤王坪煤电公司，山西怀仁０３８３０１）　

摘要采用理论分析研究双向不等压井壁结构的应力分布规律，利用大型数值计算软件，分析　

不同侧压条件下井壁的合理结构及布筋。研究结果表明：当井筒布置于不同侧压环境中，传统的等厚　

度的圆形井壁稳定性差，局部甚至会出现拉应力而导致井壁结构失稳；采用外壁为椭圆，内壁为圆的　井壁结构可以调整井壁上的应力分布，维护井壁结构的稳定性；采用传统的等厚度井壁结构，如做适　

当地布筋调整，同样可以维持井壁结构上的应力分布合理，维护井壁结构的稳定；在采用布筋调整井　

壁应力分布时，应在侧压力小的方向加强布筋。　

关键词　高应力；不均匀侧压力；井壁；数值计算　

中图分类号：ＴＤ３５２　．３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—０６５２（２０１３）０２—００５４—０３　

随着我国经济的高速发展，国内对煤炭资源的需　

求量逐年增长，相应的许多大型矿井建设项目已经开　

始，然而，不同的地质条件对应不同的工程背景。由　

于地质构造、煤层埋深、岩体特性等方面的原因，井筒　

经常在水平双向应力大小不同，且应力水平较高的条　

件中建设，由此带来了井筒稳定性差、施工困难等问　题。井筒作为矿井生产运输的咽喉要道，其稳定性直　

接关系整个矿井的安全生产和效益，为此研究高应力　

不同侧压条件下井壁的稳定性，寻求合理的井壁结构　

就显得非常重要。　

国内外学者对双侧压力不同情况下井筒应力分　布和合理结构都做过许多研究　Ｉ４　Ｊ，其大都在弹性力　

学不同侧压圆形孔的结果上，然而，随着现代数学与　

计算机技术的迅速发展，优化技术得到了发展，部分　

学者也对不同侧压下井壁的合理结构做了研究。　

本文在不同侧压井壁应力分布及合理结构研究　

天长深层泥页岩井壁失稳机理及防塌对策

何竹梅;贾万根;宋碧涛;杨雪山;曹敏

【摘要】天长地区深层泥页岩钻井中发生井壁失稳,造成起下钻遏阻、长时间划眼、电测阻卡、填井侧钻等复杂事故,大幅增加钻探成本,影响钻井速度和电测资料的获取,延误该区深层油气藏勘探开发进程.为此,通过对已钻井资料及坍塌层组构特性分析,探讨了阜宁组泥页岩井壁失稳机理,研究提出整体抑制、分级封堵、协同增效的钻井液防塌对策.在室内研究基础上,采用聚胺、聚醚多元醇及纳米封堵剂与江苏油田常用复合金属离子聚合物钻井液体系复配,建立了强抑制强封堵聚醚醇胺钻井液体系配方.室内研究与现场应用表明,该体系能有效抑制天长地区深层阜宁组硬脆性泥页岩井壁失稳,为深层硬脆性泥页岩地层钻井施工提供了钻井液技术借鉴.

【期刊名称】《复杂油气藏》

【年(卷),期】2017(010)001

【总页数】5页(P64-68)

【关键词】天长地区;泥页岩;垮塌机理;强抑制封堵钻井液;聚醚多元醇

【作者】何竹梅;贾万根;宋碧涛;杨雪山;曹敏

【作者单位】中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院,江苏扬州225009;中国石化江苏油田概预算中心,江苏扬州225009;中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院,江苏扬州225009;中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院,江苏扬州225009;中国石化华东石油工程公司江苏钻井处,江苏扬州225261

【正文语种】中文【中图分类】TE254.6

2012年以来，江苏油田在位于天长的汊涧、铜城等地区的金湖凹陷东阳次凹、铜城断裂带、杨村断裂带、西斜坡沈庄等断块上共钻井50口，垂深1 534.8～3

212.41 m(平均垂深2 587.5 m)，井深1 800～3 530 m(平均井深2 760 m)。井深3 000 m以上的较深井3口，其中有2口井在阜宁组地层钻井中发生了泥页岩井壁垮塌，造成起下钻阻卡、划眼、憋泵、井垮、井漏、再划眼的恶性循环。2013年钻探的成X2井完钻井深3 279 m，因井下垮塌，被迫填井侧钻两次，报废进尺3 128 m，损失时间约115 d；2015年钻探的天X100井完钻井深3 230

井筒质量管理亮点

井筒质量管理是指在地下工程中，对井筒的施工、监测和维护过程进行全面管理，以确保井筒的质量达到预期要求。井筒质量管理的目标是保证井筒的稳定性、安全性和持久性，以确保地下工程的顺利进行。在井筒质量管理中，存在着一些亮点和优势，下面将介绍其中的几个亮点。

井筒质量管理注重施工过程的监控和控制。在井筒施工过程中，通过实时监测和控制，可以及时发现和解决施工中的问题，确保施工质量。监控手段包括使用传感器和监测设备对井筒的变形、应力和渗流等参数进行实时监测，通过数据分析和处理，可以及时发现异常情况，并采取相应的措施进行调整和修复，从而保证井筒的稳定性和安全性。

井筒质量管理强调施工质量的控制和评估。在井筒施工过程中，通过严格的质量控制措施和评估体系，可以确保施工质量的达标。质量控制包括对施工材料的选择和检验，对施工工艺的规范和监督，对施工人员的培训和管理等方面的控制。评估体系包括对施工过程的监督和检查，对施工质量的评价和验收等方面的评估。通过质量控制和评估，可以及时发现和解决施工中存在的问题，确保井筒的质量符合要求。

井筒质量管理强调井筒维护的重要性。井筒在施工完工后，需要进行定期的维护和检修，以确保井筒的持久性。井筒维护包括对井筒的巡检、清理和修复等工作。通过定期维护，可以及时发现和修复井筒中存在的问题，延长井筒的使用寿命，提高井筒的稳定性和安全性。

井筒质量管理强调团队合作和沟通。在井筒施工过程中，需要各个环节的施工人员密切合作，加强沟通和协作，共同完成井筒工程。团队合作和沟通可以减少施工过程中的误差和失误，提高工作效率和施工质量。在井筒质量管理中，需要建立良好的团队合作氛围，加强沟通和协作，确保施工工作的顺利进行。

井筒质量管理中存在着一些亮点和优势。通过施工过程的监控和控制、施工质量的控制和评估、井筒维护的重要性以及团队合作和沟通等方面的工作，可以保证井筒的质量达到预期要求。井筒质量管理的亮点为地下工程的顺利进行提供了有力保障。在今后的井筒施工中，应进一步加强井筒质量管理，提高施工质量和效率，推动地下工程的发展。

北洺河铁矿井筒加固工程稳定性分析

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北洺河铁矿井筒加固工程稳定性分析

作者：李东伟王媛

来源：《城市建设理论研究》2014年第06期

摘要：

井筒是矿山生产作业的重要通道，在安全生产中起着举足轻重的作用，井筒的长期稳定性是保证矿井安全高效生产的前提。本文以北洺河铁矿电梯井壁围岩破裂加固为工程背景，通过现场的收集资料、数值模拟计算等方法研究电梯井壁围岩破裂规律，采用有限差分计算程序FLAC3D ，建立数值计算模型，进行了对开挖支护过程中破坏场的分析。通过对比井筒加固前和井筒加固后的数值模拟，分析得出了在井筒中新浇筑0.5m厚支撑墙和井壁混凝土厚度由原来的0.3m厚至0.4m，且钢筋混凝土墙与井壁连为一体，可以有效提高井壁的承载能力。

关键词：井壁破裂，数值模拟，稳定性分析

中图分类号： TD214文献标识码： A

北洺河铁矿是中国五矿邯邢矿业有限公司的大型地下铁矿山之一，采用无底柱分段崩落法进行采矿作业，阶段高度120m，辅助中段高度60m，分段高度15m，进路间距18m，各分段自上而下进行回采。

一、模型建立及边界条件

FLAC3D是美国ITASCA国际咨询与软件开发公司开发的三维数值有限差分数值模拟软件广泛应用于土木工程、交通、水利、石油及采矿工程等多个领域，是国际岩土工程学术界指定的分析软件 [1]，应用应力—渗流耦合的有限差分计算原理[2]，选定了井筒作为研究区域，确定的计算模型范围如图1所示，地表标高为 280m，模型上、下表面标高分别为- 110m、-230m，模型尺寸为50.7m×28.6m×120m（长×宽×高）。模型单元数77760，节点数81191。

图1 计算模型

根据对北洺河铁矿地应力实测结果，并运用线性回归分析的方法得出了最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力随深度变化的回归方程。回归结果如下[3]：

泥页岩井壁失稳机理研究

２０１０年第２４期　内蒙古石油化工　１８３　

泥页岩井壁失稳机理研究　

聂兴平　，杨川琴　，孙宝华　，安　娜。，王　慧　

（１．胜利油田滨南采油厂；２．川庆钻探公司钻采工艺技术研究院｝３．胜利油田鲁明公司）　

摘要：泥页岩井壁失稳问题是钻井工程中经常遇到的难题，针对这一问题的研究从２Ｏ世纪４Ｏ年　

代起就开始进行，２０世纪９Ｏ年代进入了泥页岩井壁稳定的多场耦合研究阶段，出现了多种理论。这些理　

论不同程度的促进了泥页岩井壁稳定研究的发展。但是，由于泥页岩多场耦合的复杂性，许多参数很难　

进行实验室测定，使得很多理论都具有局限性和片面性。本文主要研究了影响水进入泥页岩的主要因　

素：水力压差传递，化学势作用下的扩散；以及泥页岩井壁稳定的对策。　

关键词：泥页岩；井壁失稳；机理研究；钻井　中图分类号：ＴＥ２１　文献标识码：Ａ　文章编号；１００６－－７９８１（２Ｏ１Ｏ）２４一Ｏｌ８３—０２　

泥页岩的主要成分是粘上矿物，粘土矿物的强　

亲水性使得泥页岩具有强烈的物理化学敏感性，特　

别是对水的敏感性。当地层泥页岩接触到性质与孔　

隙流体不同的溶液后，泥页岩将与水溶液发生系列　

物理化学作用，从而使其强度和应力状态改变，影响　

泥页岩的稳定性。对钻井过程来说，泥页岩与水的物　

理化学作用可以分解为两个阶段：第一阶段是水通　

过各种方式进入页岩；第二阶段是水进入页岩后与　

页岩粘土矿物进行的各种物理化学作用。　

１影响水进人泥页岩的主要因素　

１．１水力压差传递　在常规泥浆钻井中，一般钻井液密度大于清水　

密度，井内液柱压力高于地层孔隙压力，此时如果在　

井壁表面存在绝对致密的封堵层或临界毛管压力足　够大的润湿反转层，或在绝对不渗透地层的情况下，　

液柱压力将完全作用在井壁上，从而对井壁提供Ａｐ　

的支撑。否则，泥浆滤液将在压差化学势差的作用下　

进入地层，并弓ｌ起地层孔隙压力的增加（即压力传递　

现象）。在气体钻井转泥浆钻井以及泥浆钻井转气体　

钻井过程中，由于井下平衡状态的改变，分别使得泥　

立井井筒温度应力分析

第３４卷第９期　２　０　０　８年３月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣｒＵＲＥ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．９　Ｍａｒ．２００８　・１６５・　

文童编号：１００９—６８２５（２００８）０９．０１６５—０２　

立井井筒温度应力分析　

程鑫　骆伟　陈玉　

摘要：分析了井筒温度场，采用有限差分法建立温度场模型，求解出井筒温度应力，所得结果可用于煤矿井壁稳定性分　

析，为矿井的安全生产提供保障，从而避免重大的经济损失。　关键词：井筒，温度场，有限差分法，温度应力　

中图分类号：ＴＤ２６５　文献标识码：Ａ　

１９８７年以来，我国南黄淮地区连续出现煤矿井筒变形和破裂　现象，迄今已有８Ｏ多个井筒的冻结井壁或钻井井壁发生破裂Ｌ１ｊ，　

严重威胁矿井的安全和生产，造成了重大的经济损失。统计资料　

表明，在诸多的破裂井筒中，采用冻结法施工的井筒占绝大多数，　

而钻井法施工的占少数；且各矿井井筒破裂多发于每年的４月～　

１Ｏ月，以７月～８月居多，井筒的变形和应力变化也发现了年度　周期性【１　；而同时，井筒周围的温度变化在建井过程和煤矿生产　

过程中是十分显著的。因而，温度应力是一个值得重视的因素。　

文中分析了井筒温度场，采用有限差分法建立温度场模型，求解　

出井筒温度应力。　

１　井筒温度场分析　

井筒温度场的因素很多，如大气温度，地层（或地下水）的温　度，空气、井壁材料及围岩的传热参数，通过井筒的风速，井壁内　

部结构和尺寸等。由于井筒较深，阳光通过辐射传递给井壁的热　

量可忽略，那么大气与井筒和围岩之间的传热过程主要是由大气　

与井壁之间的对流换热过程和井壁与井壁之间以及井壁与围岩　

之间的导热过程组成。　

１．１　井筒内风流温度　

井筒内的风流温度在夏季和冬季可以相差２Ｏ℃左右，受风　

流温度的影响，井壁的温度也随之变化。温度变化会引起井壁的　

热胀冷缩。在高温季节，井筒纵向膨胀产生的附加作用力较大，　

加大了井筒破裂的可能；反之，在低温季节，井壁产生的附加作用　力较小。因此，井壁在高温季节处于更不利的受力环境中，这也　

煤层气钻井井壁失稳机理与防塌钻井液技术

·231·云南化工Yunnan Chemical TechnologyMay.2018Vol.45，No.52018年5月第45卷第5期

在钻井系统中，井壁稳定性至关重要，水进入煤层

是造成煤岩井壁失稳的主要原因之一，而水在钻井液中

的形态包括化学结合水、吸附水、自由水，由于地层煤

岩毛细管自吸水和压差的作用下很容易进入煤层，这样

就会造成塌方事故。因此，亟需对防塌钻井液技术的应

用要点进行详细探究。

1　井壁失稳机理分析

1）在地应力地壳运动过程中，地层的不同部位会形

成不同的构造应力，并以潜能的方式存储在岩石中。在

井眼的形成过程中，钻井液的液柱压力能够替代原有岩

石的应力，同时，还可以对井眼的周边应力进行再次分

配。如果钻井液液柱的压力与地层的侧向力无法达到平

衡状态，就会造成井壁塌方。

2）通常情况下，在岩石本身性质泥岩中，粘土矿物

的含量在20%~30%之间，黏土矿物容易发生非均匀膨

胀，这样就会造成泥页岩的结构强度降低，进而影响煤

层结构稳定性。

3）在泥岩的成岩过程中，理面和纹理较为常见，在

构造力因素的影响下，泥岩容易发生断裂，进而释放大

量的能量，同时还会产生很多裂纹。这些裂纹都可以作

为毛细管通道，裂隙能够吸收泥浆滤液，这样就容易发

生塌方事故。

4）如果钻井液中的电解质浓度比泥岩中的电解质浓

度低，则你讲中的水分就会渗透到底层中，进而形成较

高的渗透压，对井壁造成破坏。2　基于防塌钻井液技术的实验准备

2.1　实验材料

蔗糖AR，黄原胶XC、高粘羧甲基纤维素CMC、水

解聚丙烯酰胺PAM、羧甲基淀粉CMS、吸水树脂，过硫

酸铵等均为工业品，蒸馏水。

2.2　实验仪器

2WA-J阿贝折射仪，SYP-Ⅲc玻璃恒温水浴，精

密电子天平，容量瓶等。

2.3　束缚水钻井液构建

选用对自由水具有较强束缚作用的吸水树脂等处理

剂，并引入成膜剂复合为束缚水胶凝剂，以束缚水胶凝

剂为核心处理剂，构建开发出束缚水钻井液，其配方为：

清水+0.1%纯碱+（0.5~0.8）%束缚水胶凝剂+（0.5~

溜矿井、放矿漏斗卡矿的处理

第 1 页共 3 页溜矿井、放矿漏斗卡矿的处理

溜矿井、放矿漏斗卡矿是矿石开采中常见的问题，处理不当可能导致事故发生，影响矿石产量和工作安全。本文将详细介绍如何处理溜矿井和放矿漏斗卡矿的方法和措施。

一、溜矿井的处理

1. 了解溜矿井的原因和特点

溜矿井是指矿井井筒内的松散物质自由下滑或崩落，造成井筒中产状流体运动的现象。溜矿井的原因主要有以下几点：

（1）地层不稳定性引起的井壁塌方；

（2）井筒物质过重，超过了稳定性的限度；

（3）通风不良，导致气流振动或其他物质堆积堵塞造成井筒松散；

（4）采矿过程中未采取有效的支护措施。

2. 采取措施防止溜矿井的发生

（1）地质勘探和实时监测：通过地质勘探，了解矿井的地质结构和岩层稳定性情况。实时监测井筒内的地层位移和应力变化，及时预警溜矿井的可能发生。

（2）采取支护措施：根据地质条件和岩层稳定性，采取合理的支护措施，如锚杆支护、喷射混凝土和网片支护等，提高矿井井筒的稳定性。第 2 页共 3 页（3）合理排放矿石：矿石的排放要合理安排，避免大量矿石同时进入井筒，造成井筒过重引发溜矿井。采用间隔排放、分批排放等方式，确保矿石的平稳运输。

（4）加强通风管理：矿井的通风要保持良好，防止气流振动和突变。加强通风设备的检修和维护，确保通风系统的正常运行。

（5）加强管理和培训：加强对矿井操作人员的管理和培训，掌握正确的操作方法和应急措施，提高对溜矿井的识别和预测能力。

二、放矿漏斗卡矿的处理

1. 了解放矿漏斗卡矿的原因和特点

放矿漏斗卡矿是指在矿石放矿过程中，由于矿石粒度过大或者水分过高等原因，导致矿石无法正常流动或堵塞在漏斗口，影响矿石的正常放矿。放矿漏斗卡矿的原因主要有以下几点：

（1）矿石过大或者过湿，无法正常流动；

（2）漏斗设计不合理，流道不畅导致堵塞；

（3）矿石流动速度过快，无法适应放矿漏斗的要求。

2. 采取措施解决放矿漏斗卡矿问题