井壁稳定动力学分析研究

井壁稳定动力学分析研究

户魁

中国石化江汉石油工程有限公司钻井二公司  433124

摘要：钻井过程中起下钻、岩屑运移和钻柱运动等都会对井壁岩石产生动载荷作用，进一步影响井壁岩石的力学特性和井壁整体稳定性，减慢现场钻井进度甚至造成大量经济损失。然而目前关于井壁动力学变化对井壁稳定性的影响机制和规律尚未形成系统的认识，因此继续对此进行系统性地调研，以了解国内外目前的研究进度，为后续研究奠定基础。此调研针对井壁稳定动力学做出总结归纳，并提出目前研究中相关方面的欠缺，对后续研究有重要指导意义。

关键词：井壁稳定；动载荷；动力学

一、研究背景

未知的事情总是充满着不确定性，钻井就是这样一种存在不确定危险的工程，其中井壁失稳一直是钻井工程的经常遇到的复杂情况之一，在世界很多油田都普遍存在。据保守估计，井壁失稳消耗的时间约占总钻井时间的5~6%，每年给石油工业界造成的损失约5~6亿美元[1]。钻井过程中遇到井壁失稳问题，不仅会减慢钻井进度，使钻井工作不能安全快速地进行，而且会影响后续固井、完井、开发等工作，带来更多难题。

在井眼周围由于其外观形状的不同，会造成应力在井眼周围发生变化，出现应力集中的情况，会对井壁造成伤害，究其缘由主要是井眼内的液柱产生的压力与地下的应力产生了一种不平衡的现象，导致井壁会出现坍塌等复杂事故。钻井工作者经过长期的现场经验与理论分析相结合，深入探讨研究了有关井壁发生井漏和坍塌等形式破坏的原因，将其分为两大类：人为因素和天然因素。人为因素是指在钻井施工过程中由人来参与完成的阶段，比如：钻井液的选择、完井方式的选择、井眼轨迹的设计等等，天然因素是指地层的物理和化学性质参数，比如：地层岩性、异常高压等复杂情况的出现[2] 。

其中，人为因素中起下钻具造成的井底压力波动钻柱与井壁之间的摩擦和碰撞等因素均会造成动载荷作用，在动载荷的周期性作用下井壁岩石的力学特性和井周应力状态将会发生变化，进一步影响井壁整体稳定性，对钻井工程造成进度及经济影响。但是，目前关于井壁动力学变化对井壁稳定性的影响机制和规律尚未形成系统的认识。因此，本文通过大量调研国内外文献，系统地归纳动载荷的形成机制、动载荷对岩石力学性质的影响规律以及井壁稳定动力学模型，掌握动载荷对井壁稳定的影响规律，能为描述动载荷影响井壁稳定的后续研究提供参考，并期望降低由此带来的井壁失稳风险。

二、钻井过程中动载荷形成机制

2.1起下钻导致的波动压力

钻井过程中形成的动载荷容易影响井壁稳定性，了解这些动载荷的形成机制对井壁稳定的研究进展具有重大意义。陈庭根、管志川主编的《钻井工程理论与技术》中提到，井内有效应力等于静液柱压力与附加压力之和，而附加压力包括起下钻波动压力、钻井液中含岩屑增加的压力值和环空流动阻力增加的压力值，而根据调研，环空流动阻力增加的压力即可视为钻柱运动产生的压力损失。

为更好地研究起下钻时产生的波动压力对井周应力分布的影响，要对地层中的原始应力进行求解。如图2.1，由于原始地应力是在直角坐标系中定义的，而井筒被模拟为圆柱且是倾斜的，需要被建立在柱坐标系中，因此需要进行坐标变换。先把原始直角坐标系x’y’z’转换成新的直角坐标系xyz。在原始直角坐标系中，z’平行于垂向应力 ，x’的方向平行于水平最大主应力 ，y’的方向平行于水平最小主应力 ；而在新的直角坐标系中，z轴平行于井筒，x轴指向井筒最低径向，y轴垂直于x轴。转换过程如式2.1。

图2.1 原始地应力坐标变换计算图解

2.2  岩屑运移导致的循环当量密度增加

2006年，Naganawa在前人研究的基础上利用环空一维固液两相流的双层模型建立了岩屑在环空中运移的数学模型，第一层为岩屑由于重力作用沉积于井底形成的岩屑床，第二层为由岩屑和钻井液组成的悬浮体，建立了两层间的固体和液体的质量守恒方程和动量守恒方程。

图2.2 环空一维固液两相流的双层模型立体图[61]

2.3  钻柱运动产生的压力损失

钻柱运动可分为钻柱振动和钻柱旋转，钻柱振动包括横向振动、纵向振动和扭转振动，钻柱旋转包括钻柱的自传、公转、公转与自传的结合和无规则旋转摆动。

图2.3 钻柱振动的三种形式

三、动静组合加载试验

为了更好地了解动载荷对井壁岩石特性的影响，可用动静组合试验模拟井壁岩石在底层中同时受静载和动载的状况。本章通过分析岩石在动静载荷下的岩石力学特征，研究岩石不同的破坏模式，并简单介绍了前人的试验方法。第一节分析了一维动静组合试验下岩石的力学特性变化，第二节分析了三维动静组合试验下岩石的力学性质变化。

3.1  一维动静组合加载试验

一、试验设备

一维动静组合加载所采用的试验设备为李夕兵等[40]改进的劈裂霍布金森压杆动静组合加载试验装置（SHPB装置）。装置采用能产生半周期正弦波的变截面异形冲头，三维动静加载组合实验与一维动静组合加载的模式相类似。

二、试验方法

按照试验需要在岩样的两端施加一定强度的静载荷（轴压）和动载荷（冲击载荷）。

轴压和冲击载荷的确定需要先进行静载试验和常规冲击试验，根据试验结果，以静载抗压强度为标准选取不同的轴压，以一定岩石破碎程度的冲击载荷作为试验纯冲击载荷。

3.2  三维动静组合加载试验

一、试验设备

三维的动静组合加载实验所采用的实验装置是在SHPB装置基础上进行升级的加载系统，与一维动静组合加载试验装置不同的是，在岩样周围添加了一个围压系统，如图3.2，所加围压的方向与冲击载荷的方向呈90°关系。

图3.1三维动静组合加载试验装备示意图[50]

图3.2围压加载装置构造（左）

二、试验方法

在原来一维动静组合加载试验的基础上，用装置在岩样周向添加垂直于动载方向的围压。岩样收到三种载荷，分别是轴压、围压和动载，其中轴压和围压都为静载。轴压和围压的取值由预先进行的三轴试验确定。可选取不同的动静载荷组合进行多组试验。

结论

钻井过程中动载荷的产生主要归因于起下钻产生的波动压力、岩屑运移导致的ECD增大和钻柱运动产生的压力损失。起下钻产生的波动压力随起下钻速度的增大而增大，还受到流体特性的影响，流体粘度的增加而增加；产生的诱导压力和诱导应力在井壁上随时间先增加后减小，在离井壁越远的地层中越小，最终消失。由于岩屑运移产生的ECD增加主要发生在水平井和大移井中，随着时间的增加，若井中的岩屑还没有得到有效的清理，ECD则会越来越大；在造斜点处，ECD会有一个明显的突增；若井眼中存在井眼扩大现象，ECD会在扩大深度处突然增大；若存在漏失现象，则会导致ECD减小，且随着漏失现象的加重井中ECD越小。钻柱振动会产生波动压力进一步影响井壁稳定性是已知的，但关于此方面具体的研究还比较欠缺，因此只归纳了几种钻柱振动模型。钻柱旋转导致的压力损失受转速的影响很大，但具体随着转速的增大而增大或减小各有说法，未形成定论，但转速对压力损失的影响在层流和紊流区都比较小，而在过渡区比较大；压力损失受环空返速的影响较为明显，随环空返速的增大而增大，另外还受流体特性的影响。屈曲结构对压力损失的影响只在紊流区较为明显，随着屈曲更加严重，压力损失减小。已有的研究中关于起下钻产生波动压力的研究已经比较充分，但是关于岩屑运移和钻柱运动的研究还明显不足，且大部分研究是关于其影响程度及敏感性分析的，而至于其最基本的产生动载荷的机理，却少有研究。

参考文献

[1].郭绍什, 林凤章. 关于起下钻具引起的孔内泥浆波动压力的理论分析[J]. 地质与勘探, 1984(12):70-73.

[2].樊洪海, 褚元林. 起下钻时井眼内动态波动压力的预测[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 1995(5):36-41.

[3].张杰, 鄢泰宁. 小井眼钻具升降产生的孔内波动压力[J]. 煤田地质与勘探, 2009, 37(4).

[4].孔祥伟, 郭永杰, 邱伊婕, 等. 一种起下钻引发的两相稳态波动压力经验模型[J]. 中国科技论文, 2015(11).

[5].吴鹏程, 徐朝阳, 孟英峰, 等. 窄安全密度窗口地层钻井起下钻井底压力瞬态波动规律[J]. 钻采工艺, 2016, 39(4):22-25.