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椭圆井眼坍塌压力计算模型研究

陈俞霖  
【摘要】:井壁失稳问题一直是钻井面临的最主要难题之一,国内外学者针对井壁失稳问题开展过大量的实验和理论研究,但现有研究大都仅限于规则的圆形井眼。众所周知,在非均匀地应力和具有各向异性的地层中,钻井井眼并非为规则的圆形井眼,井眼形状与椭圆形状最为接近,而椭圆井眼井壁稳定性与圆形井眼井壁稳定差异较大。本文在国家自然基金项目(编号:51574202和51474186)的支持下,开展了椭圆井眼坍塌压力研究。首先,基于测井数据和有限元软件对椭圆井眼成因进行了分析;其次,建立了考虑弱面影响的直井/定向井椭圆井眼坍塌压力模型,系统分析了井眼形状、岩石力学特性参数、井眼轨迹和弱面产状等因素对坍塌压力的影响规律;再次,建立了考虑弱面和各向异性渗流作用共同影响下的椭圆井眼坍塌压力模型,开展了弱面效应和渗流作用对坍塌压力的影响因素分析;最终,利用现场数据对模型的有效性进行了验证。取得的主要认识有:(1)在非均匀地应力作用下圆形井眼会逐渐变形成椭圆井眼,且椭圆井眼长短轴之比随地应力非均匀程度的增大而增加;大牛地气田水平井双井径测量结果表现出了明显的非规则圆形井眼特性。(2)坍塌压力会随着椭圆长短轴的增大而增大;弱面内摩擦角和内摩擦力的增大会使井壁更加稳定,坍塌压力随弱面倾角的增大而增大,随弱面倾向的增大先增大后减小;井斜角(βb)越大,井壁越不稳定,对于方位角(ab),坍塌压力在0°ab180°时先减小后增大,在180°ab360°时,其变化规律同时0°ab180°一致。(3)在正断层地应力条件下,当ab=315°,135°时,坍塌压力取得最大值,同时随着井斜角的增大,坍塌压力逐渐增大;在正断层-走滑地应力条件下,当ab =135°和ab=315时,坍塌压力取得最大值;在走滑地应力条件下,当量坍塌压力密度分别在ab=105°,285°附近取得极小值。在ab =45°,225°处取得极大值;在走滑-逆断层地应力条件下,在ab=135°、315°,βb=90°附近坍塌压力取得最小值,在ab=45°、225°时,βb=90°附近最坍塌压力取得最大值;在逆断层地应力条件下,βb=45°以及ab=135°、315°处,坍塌压力取得最小值。在ab =45°、225°,最大当量坍塌压力密度取得最大值。(4)各向同性渗流以及各向异性渗流均会加剧井壁失稳,同时各向异性渗流所求得的坍塌压力大于各向同性渗流;当同时考虑弱面和渗流的影响时,所求坍塌压力大于只考虑单方面因素时的坍塌压力。(5)本文建立的椭圆井眼坍塌压力模型预测结果与新疆呼图壁地区呼2井安集海河组地层的实钻情况吻合较好,即证明了本文模型的准确性,同时也说明椭圆井眼坍塌压力模型比圆形井眼坍塌压力模型更准确。本文研究成果不仅丰富了井壁稳定研究的基础理论,还与钻井实际情况更吻合,具有重要的理论意义和应用价值。


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