根据地应力分析井眼稳定性.docx

马及密 度三测 井 曲 线 法 等 重 复 地 层 测 试 ( R F T)可获得 砂岩的地层 压力数据 , 并假设泥岩 和它相邻的砂岩 地层压力是 相同的 , 可 近似获得全 井段地层 压力参 数 如果已 知测量井段 属正常压力 地层 , 则不 必 计 算 也 不 用 测 试 , 用 11 01 做 为 正 常 地 层 压 力 系数 3) 水平最小 主应力 利 用测井资料 计算地应 力大 小 是 较 方 便 、 快 捷 的 方 法 , 但 适 用 条 件 较 严 格 当 岩石为线性 多孔弹性体 , 远场孔隙 压力为恒定值且 在埋藏过程 中其横向应 变为零时 , 水平最小 主应力 可用以下公 式计算 :常峰 (胜利油田 有 限公司开发 管理部 )摘要 利用正交 偶极声波测 井资料中的 快 、 慢横 波 速 度 计 算 砂 和 泥 岩 地 层 的 地 应 力 , 再由地 应力等参 数 , 根据莫 尔 - 库伦准 则 , 计算井 壁 岩 石 的 坍 塌 压 力 及 破 裂 压 力 , 分析井眼稳 定 性 这 种 计 算 方 法 适 用 直 井 、 而对于斜井 , 随着井 斜角的增大 井眼稳定性 减小 。

主 题 词应 力 井 眼正 交 偶 极 快 横 波 慢 横 波 地稳 定 性 坍 塌 压 力 破 裂 压 力μ μσy αP p ( 2 )= P o + 1 -1 - μ 1 - μ钻 井 井 眼 失 稳 问 题 在 全 世 界 范 围 内 广 泛 地 存在 , 在 我国各油田 也都程度 不同地存在 井眼失稳 往往会 影 响 钻 井 施 工 进 度 , 耗 费 大 量 人 力 、 物 力 , 严重时 可导致井眼 报废造成 巨大的经济 损失 同时 它 直接 影响固 井 质 量 , 并 影 响 油 藏 开 发 中 的 射 孔 、 防砂 、 采油和油井 增产措施 等 井 眼不稳定主 要是由化 学原因或力 学原因造成 的 本 文仅从地应 力角度分 析井眼稳定 性 , 即利用 地应力 计算地层的 坍塌压力 和破裂压力 根据正交 偶极声 波测井资料 计算地应 力是目前国 际测井界最 新的地 应力计算技 术 , 它能 较正确地反 应砂泥岩地 层的应 力状况 11 地 应力计算 方法坍 塌 压 力 是 保 持 井 壁 不 坍 塌 的 最 小 泥 浆 密 度 , 地 层 破 裂 压 力 是 地 层 不 发 生 漏 失 的 最 大 泥 浆 密 度 。

计 算坍 塌 压 力 和 破 裂 压 力 所 需 要 的 地 应 力 参 数 主 要 有 水 平最 小 主 应 力 、 水 平 最 大 主 应 力 、 垂 向 主 应 力 、 地 层 孔 隙 压 力 、 地 层 抗 剪 强 度 及 毕 奥 特 系 数 等 1) 垂向主应 力 垂向 主应力也 称 岩层上覆压式 中 σy 为水平 最小主应力 ; μ为泊松 比 ; Po 为垂向主 应力 ; Pp 为孔隙压 力 ;α为毕奥特系 数 4) 水平主应 力差的计算 Mao 给出 :2 vox + S ∥ σx + S ⊥ σy2v x ==( 3 )( 4 )voy + S ⊥ σx + S ∥ σy2 2v y式 中 v x 是 快 横 波 声 速 ; v y 是 慢 横 波 声 速 ; S ∥是平行 于剪切波偏 振方向上的 应力对速度 的耦合系 数 ; S ⊥ 是 垂 直 于 偏 振 方 向 上 的 正 交 耦 合 系 数 ; vox和 v oy 分 别是 x 和 y 偏振 方 向 上 的 零 应 力 剪 切 波 速度 ;σx 是水平 最 大 主 应 力 ; σy 是 水 平 最 小 主 应 力 。

如果在 x 向加单 向应力 σx , 则式 (3) 、 (4) 变为 :( 5 ) ( 6 )2 2 S ∥ σxv x --vox =2 2 = S ⊥ σxv y voy式 中系数 S ∥ 和 S ⊥ 可以通过 拟合确定 通 过对 应 力 场 声 波 资 料 分 析 , Ta ng 和 Ch un2dur u 的研究 表明剪切 波 的方位各向 异性为 :v x - v yγ = ( 7 )—v力 , 它 是由地层的 总重量引 起的 ,料中的 密度曲线数 据积分获 得 :因而 可用测井资 式 中 v = ( v x + v y ) / 2 , v x ≥ v y示器为 :— , 定义 地应力指zσz = ∫ ρg d z ( 1 ) S ⊥ ) (σx - σy ) = 2γv—2( S ∥ - ( 8 )0式中 σz 为岩层上覆 压力 ;ρ为 地层密度 ; g 为重力加速 度 实 际计算中是 将密度曲 线离散的采 样点逐点累加而得 密 度测井曲线 不但是计 算垂向主应 力 , 也是计 算其它 力学参数必 须的输入 资料 , 这就 要求其数据 可靠 。

2) 地层孔隙 压力 计 算地层压 力 的方法有多根 据正交 偶 极 快 慢 横 波 的 速 度 由 式 ( 8) 就 可求出水 平最大与最 小主应力差σ x - σy 5) 水平最大 主应力 当 求出水平 最 小主应力σy 后 , 便可求出水 平最大主应 力 σx 计算 中 S ∥ 及S ⊥ 是砂泥岩 地 层 的 实 验 数 据 ,于砂泥 岩剖面 该 计 算 技 术 仅 适 应由 计算结果发 现 , 利用正 交偶极声波 速度测井资料 , 可较准确地 计算水平最 大主应力 但由于测油气 田地面工 程第 25 卷第 12 期 (20061 12) 9井资料的 局 限 性 , 这 种 方 法 目 前 还 不 能 较 普 遍 应用 为 此 , 科技人 员研究出 模拟正交偶 极声波资料 计算地 应力的方法 , 取得了 良好的效果 在 现场 , 人们 用水力压 裂中的闭合 压力可确定水平最 小主应力 , 再由压裂 时测得的破 裂压力等参 数 , 进 而计算水 平 最大主应 力 在实验 室对取心岩 石利用 测试方法 可 获得实际 测量的水平 地应力值 。

无 论是现场 测 试还是室 内测量获取 的数据都是 局部地 层信息 , 且 时间长 、 成本高 , 不 可能广泛应用 用 正交偶极声 波测井资 料计算地应 力或模拟正 交偶极 声波测井资 料计算地 应力 , 因基 础资料较丰 富 , 可 将它与 实 测 资 料 或 实 验 资 料 进 行 分 析 对 比 , 进而对 计算的数据 进行适当 校正 , 可普 遍应用到油 田的勘 探开发中 6) 单 轴 抗 压 强 度 单 轴 抗 压 强 度 是 衡 量 某 种 岩 石 强 度 的 重 要 参 数 如 果 井 壁 岩 石 抗 压 强 度 高 , 它 抵 抗 井 眼 周 向 应 力 的 能 力 强 , 井 壁 岩 石 就 不容 易坍塌 反 之 则 岩 石 屈 服 强 度 低 , 就 容 易 变 形 或 坍 塌 单 轴抗压强度 计算公式 如下 :发生坍 塌或变形 , 井眼就会扩 径或缩径 1) 地层破裂 压力 破裂 压力就是 使 井壁地层 发生临 界 破 裂 的 最 小 钻 井 液 压 力 由 式 ( 10 ) 可 知 , 在 最大主应力 方向切向应 力最小 , 因 此适当增 加 钻井 液密度 值 , 在 最 大 主 应 力 方 向 地 层 先 破 裂 。

这个数 就 是 在 最 大 主 应 力 方 向 上 的 地 层 破 裂 压 力线 , 其 计算方法如 下 :Pf = 3σy - σx - αP p + S t ( 11)式 中 Pf 为 地 层 破 裂 压 力 ; St 为 岩 石 的 抗 张 强 度 2) 坍塌压力 在水平 最 小主应力方 向 , 切向 应力最 大 当切向 应力比液柱 压力大得多 , 且有效压应力 超过岩石的 抗压强度时 , 岩石就会 发生屈服变形或 坍塌 坍 塌压力的计 算方法有多 种 , 本文选 用理论基 础较强 、 计算结 果 切 合 实 际 的 Mo h r - Co ulo mb 屈 服准则 , 该准则表 示如下 :σ (σ ψ)) (1 + si n /- Pp = - Pp1 3( 1 - si nψ) + 2 Cco sψ/ ( 1 - si nψ) ( 12)式 中 σ1 为井眼 切 向 应 力 ; σ3 为 最 小 主 应 力 ; C为岩石 内聚力 ; ψ为岩石 内摩擦 角 井 眼的切向应 力与水平地 应力 、 井眼 液柱压力有关 , 在非平衡地 应力地区 , 切向应力因 方位角的 改变而 变化 , 在地 应力各向同 性地区 , 井 眼各个方向切向 应力基本一 致 。

岩石的 内聚力可由 单轴抗压 强度计 算 不同的 岩石具有不 同的内磨擦 角 , 在条 件相同 时脆性岩石 的内磨擦角 大于塑性岩 石的内磨 擦角 , 但一般不超 过 45°31 结 论与认识(1) 利用测井 资料计算地 应力参数 , 进行井眼 稳定性 分 析 , 方 法 是 可 行 的 其 中 纵 、 横 波 时 差 、密度等 是必不可少 的基础资料 2) 正交偶极 资料可以用 来描述介 质 各向异性 的程 度 , 做 地 应 力 大 小 的 计 算 , 不 能 用 以 求 泊 松= 10{ lo g ( E) / 01 95 + [ 31 5 - C2 + ( C2 - C1 ) V sh ]/ 61 0} ( )Co 9式 中 Co 为 单 轴 抗 压 强 度 ; E 为 杨 氏 模 量 ; V sh为 泥质 含量 ; C1 、 C2 由 所组成的岩 性选用不同 参数 杨 氏模量的计 算由测井 的纵横波时 差 、 体积密度计算 7) 井眼周围 切向应力 地壳内的 地层在三向 地应力 状态下 , 一 般处于平 衡状态 当 井眼被钻开 后 , 地 应力在钻井 过程中释 放 , 并在井 眼周围形成 应力集 中 。

根据力 的叠加原 理 , 井壁上 岩石的应力 分布为 沿井周方向 的切向应 力 、 沿井轴 方向的垂向 应力 、 井眼横向上 钻井液作 用的径向应 力 切向应 力如下 表示 :σθ = σx +σy - 2 (σx - σy ) co s2θ- Pm ( 10)比 , 可 用偶极横波 或计算横波 求泊松比 3) 地层孔隙 压力是计算 井眼地应 力 的输入参 又 是分析井眼 稳定性的重 要参数 当 地层孔隙式 中 σθ 为 井 眼 切 向 应 力 ; σx 为 水 平 最 大 主 应力 ;σy 为水 平 最 小 主 应 力 ; Pm 为 井 眼 液 柱 压 力 ; θ为相对 σx 的逆时 针方位 数 ,压力大 于井眼液柱 压力时 , 可 发生井涌或 井喷等现象 , 出 现另外形式 的井眼失稳 4) 井壁岩石 的强度与 钻 井液的性能 (是水基 还是油 基 , 是淡 水 还是咸水等 ) 及钻井液 的浸泡时 间都有 关系 浸泡 时间越长 , 岩石的强度 越低 , 井眼稳定 性变差 5) 上述计算 方法适用直 井 , 而对于 斜井 , 随 着井斜 角的增大井 眼稳定性减 小 。

显 然 , 在非均 匀地应力 状态下 ,大主应 力方向上切 向应力有 极小值 ,平 行于水平最平 行于水平最小主应 力方向上 , 切向应力 有最大值 21 井 眼稳定性 分析当 地应力参数 及其它有 关力学参数 确定后 , 就可以计 算安全钻 井 液 窗 口 的 最 大 与 最 。