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文章在连续介质力学井壁稳定性分析的基础上，采用简化的岩石软弱面地质模型和力学模型，计算分析了岩石软弱面产状、摩擦系数对直井和斜井井壁稳定性的影响。结果表明，相同作业条件下，岩石软弱面的稳定性明显低于基质岩块的稳定性，并井周围存在裂缝或节理等软弱面时，井壁的稳定性将受到软弱面的影响而明显降低，岩石软弱面摩擦系数增大，软弱面的稳定性必然增大。 斜井条件下，井壁失稳的位置和失稳的程度都与软弱面的产状密切相关，直井条件下，井壁跨塌的方位将可能偏离原地最小主应力的方位，而主要取决于软弱面的产状。     

北特鲁瓦地区裂缝性碳酸盐岩地层井壁稳定性研究

北特鲁瓦地区石炭系中统巴什基尔阶(KT-II)碳酸盐岩地层裂缝发育,钻井过程中井壁垮塌问题严重。为提高钻井效率,研究了KT-II碳酸盐岩地层裂缝产状及缝间充填物质,测试了碳酸盐岩基质及缝间充填物组分,分析了裂缝发育对碳酸盐岩地层孔渗特性、力学强度的影响。同时,耦合地应力场、渗流场及裂缝力学弱面效应等因素,建立了裂缝性碳酸盐岩地层井壁失稳理论模型,开展了北特鲁瓦地区KT-II碳酸盐岩地层井壁稳定性预测。结果表明:北特鲁瓦地区KT-II碳酸盐岩地层裂缝发育,裂缝间力学弱面效应突出,是诱发井壁垮塌的主导因素;裂缝发育加强了钻井液沿裂缝的渗流运移,弱化了钻井液对井壁的支撑作用;裂缝的产状、井眼轨迹对碳酸盐岩地层井壁稳定性影响明显,与裂缝面倾向夹角180°方向钻井井壁稳定性最好,优化井眼轨迹可有效提高裂缝性地层井壁稳定性。研究成果揭示了裂缝性碳酸盐岩地层井壁失稳机理与主要影响因素,为裂缝性碳酸盐岩地层井眼轨迹设计及工程参数优选提供借鉴。     

地层出气对气体钻井井壁稳定性影响规律研究

针对气体钻井在实际试验应用过程中暴露出的井眼失稳问题，特别是异常高压地层大量出气后，井壁的稳定性问题，从分析气体钻井井壁岩石力学特征着手，建立了气体钻井过程中地层大量出气条件下井壁稳定性的评价计算方法；并结合实际工程地质特征，从孔隙压力变化对井眼失稳的影响、垂向应力变化诱导井眼失稳、临界出气量和地层压力系数的影响以及钻后分析评价等方面，对川西特殊复杂地层出气情况下气体钻井井壁的稳定性进行了定量评价，评价结果与现场施工情况基本吻合。     

裂缝井壁力学稳定性研究

针对钻井过程中的井壁失稳问题,探讨了裂缝井壁失稳机理,主要考虑了井壁裂缝尖端的应力强度因子,采用有限元法和孔隙弹性理论研究自然裂缝地层中的井眼行为,分析裂缝井壁的稳定性。同时研究了不同参数对裂缝扩张和井壁稳定的影响,为正确认识裂缝井眼的稳定性提供了科学依据。     

破裂岩体中井壁稳定性分析

为了弄清破裂地层井壁失稳的力学原因和确定维持该地层井壁稳定所需的合理钻井液密度,本文将碎裂岩体在受力上假设为拟连续岩体,应用碎裂介质岩体力学理论和结构面莫尔-库仑强度准则,分析了井壁碎裂岩块的失稳机理。并根据井壁面岩块的极限稳定条件,建立了防止井壁岩块失稳的极限及井内钻井液柱压力模型。同时还计算分析了岩块的井壁切割面与径向交角以及结构面内摩擦角对岩块失稳深度和极限钻井液压力的影响,得出了一些具有参考价值的结论。     

含多组弱面的页岩水平井坍塌失稳预测模型

目前,水平井穿越长段硬脆性页岩储层过程中的井壁坍塌失稳问题很突出。为此,结合页岩露头、岩心、SEM和FMI资料分析了弱面的产状特征,基于弱面强度理论,建立了含多组弱面页岩的强度分析方法,对均匀分布多组弱面页岩的强度特征进行分析,再综合考虑各组弱面产状、井壁应力状态、井眼方位、原地应力方位等因素,最终建立起了含多组弱面页岩水平井坍塌失稳预测模型,并以川南地区某页岩气水平井开展了实例分析。结果表明,页岩中层理和构造缝之间的交角较大(接近正交);随着页岩岩体中弱面数量的增加,岩体强度大幅度下降,强度受弱面控制作用越显著,当含有4组以上弱面时,强度趋于各向同性,且整体强度大大削弱,使井壁坍塌失稳风险显著增加;随着弱面数量的增加,维持水平井井眼稳定所需的钻井液密度(坍塌压力当量密度)也逐渐增加,不含弱面时坍塌压力当量密度为1.04g/cm3,含1组弱面时坍塌压力当量密度为1.55g/cm3,含2组弱面时坍塌压力当量密度为1.84g/cm3。实例水平井计算结果与实际情况吻合较好,较之传统模型更加准确、实用,有效提高了页岩水平井井壁坍塌压力预测的精度。     

煤系地层坍塌压力预测与井眼轨迹优化

由于煤岩割理交错发育,采用常规井眼坍塌压力预测模型不能准确指导钻井作业,甚至有可能引发井壁失稳事故。通过分析煤岩理化性能和微观结构,确定井壁失稳类型以力学失稳为主;结合弹性力学、岩石力学、单一弱面破坏准则等理论,建立了煤岩地层水平井坍塌压力计算模型;以DB-X01井、DB-X04井与红河油田煤层段为例,根据所建模型进行井眼轨迹优化,得出最佳钻进井斜角与方位角;结合DB-X01井J₂kz煤层,分析了割理产状、地应力机制以及井眼轨迹对坍塌压力的影响,为煤系地层水平井井眼轨迹优化研究提供参考。     

考虑井壁稳定及增产效果的页岩气水平井段方位优化方法

针对页岩气水平井钻井过程中常见的井壁失稳垮塌问题,为提高井壁稳定性和为后期压裂增产提供良好的条件,分析了层理面产状和地应力类型对井壁稳定性的影响,并对压裂缝与水平井段夹角,以及与水平气井产量之间的关系进行了研究,进而提出了通过对水平井段方位的优化来提高井壁稳定性和改善压裂增产效果的技术思路:利用川南地区页岩气井的测井、地应力及岩石力学资料,通过页岩层理面破坏模型及本体破坏模型分析计算出不同方位角下的井壁坍塌压力,找出井壁稳定性最好时井眼与层理面产状和地应力类型之间的关系;通过对压裂缝延伸方向的分析,得出了压裂缝的一般延伸规律;利用产能公式计算裂缝与水平井段呈不同夹角时的产量,以此获得了裂缝与水平井段夹角影响压裂效果的规律。还以川南地区的W201-H3井为例,充分考虑页岩气井壁稳定及增产效果,提出了有针对性的水平井段方位优化设计,使该井能在保持良好井壁稳定性的前提下获得良好的增产效果。     

深井井壁稳定技术研究进展与发展趋势

正确认识和有效评价地下复杂的围岩环境，深入探索井壁稳定机理，建立预测理论和控制模型，有效控制钻井过程中的井壁失稳问题，是实现优质、安全、高效和低成本钻井的关键。介绍了敏感性页岩地层、裂缝性地层、流变地层和各向异性地层的失稳机理，分析了构造地应力、井眼轨迹、钻井液造壁性、地层强度、垮塌的几何形态及钻柱振动对地层失稳的影响，总结了地层失稳的研究方法。提出了在完善钻前预测的理论基础上，对当前钻头处地层的井壁稳定性进行实时评价，及对钻头下地层的井壁稳定性进行预测，是当前钻井急需解决的理论和工程难题。     

克深地区井壁稳定性评价及钻井工程应用

塔里木盆地克深地区裂缝性储层埋藏深,井壁失稳问题严重,建立该区考虑地层各向异性的井壁稳定性评价方法非常重要。通过对现场井壁失稳与地层弱面的相关性研究,发现弱面在强应力、高孔隙压力背景下,将先于岩石本体破坏,产生掉块、垮塌、卡钻现象。若裂缝渗透性较好,钻井液液柱压力大于孔隙压力时即有可能发生漏失,漏失压力不再由破裂压力和最小水平主应力控制,而是取决于裂缝产状和三轴应力状态之间的关系。因此对于强各向异性地层,其强度软弱面上的坍塌压力和漏失压力是钻井稳定性评价中的关键。在核定该区井壁失稳的主控地质因素是强应力背景下的裂缝弱面错动破坏的基础上,评价了克深区带横向各向异性岩体力学的稳定性,建立适用于强各向异性复杂条件下的井壁稳定性评价方法。结果表明克深裂缝性储层的安全泥浆密度窗口普遍较窄甚至无理论安全窗口,提出改善钻井液性能或者采用定向井钻探方案以减少井壁失稳的工程应对方案。现场实践应用表明,钻井液密度调整至合理范围后,井壁失稳明显减少,现场复杂问题得到有效解决。     

层状岩石中井孔稳定性的数值分析

如何保持复杂地层中斜井或水平井井孔的稳定。是油气田钻井和生产期间的重要研究课题。从横观各向同性本构模型出发，考虑岩石拉伸强度的方向性以及层状岩石中存在剪切强度薄弱面(如节理、断层、岩层界面等)，在广义平面应变假定条件下，提出了一种可以分析任意走向层状岩石中井孔稳定性问题的二维有限元数值计算模型和计算方法。对复杂地质构造的层状岩石中井孔稳定性的二维有限元数值计算表明，岩层中薄弱面上出现的剪切破坏是导致井孔失稳的主要原因。对于特定的地质条件，用该模型可以快速预测现场钻井时的安全钻井压力，也可以分析和显示井孔周围破坏区的形状和范围。图4表1参10     

Influence of Porous Flow on Wellbore Stability for an Inclined Well With Weak Plane Formation

The criterion of slip condition and wellbore instability are strongly affected by porous flow in weak plane formation, which leads to wellbore instability in the formation with weak planes. Considering influence of porous flow, a mechanical model of wellbore stability was established for inclined well with weak planes under porous flow, and the influence of various hole deviation angle, hole deviation azimuth, and weak plane occurrence on wellbore stability were analyzed. The results show that porous flow has worsened wellbore instability, and inclined wellbore stability is highly dependent on the weak plane occurrence, hole deviation azimuth, and deviation angle under porous flow. The mechanical model of wellbore stability for inclined well with weak planes under porous flow is applied to sidetracked hole in an oilfield of western China.     

液-固-水化耦合形式的井眼稳定性模型研究

在对井眼稳定性定量评价的分析过程中，重点讨论了岩层材料的非线性力学性能以及在非稳态孔隙流体作用下的岩层吸水软化与围压硬化效应，建立了考虑液-固-水化耦合机制的井眼稳定性评价模型；采用有限元数值模拟法，对孔隙流体压力、吸水软化和围压硬化的影响进行了定量分析与比较，证明了孔隙流场的分布形态时井眼应力分布格局及弹塑性变形发展有着显著的影响。     

Study on Mechanisms of Borehole Instability in Naturally Fractured Reservoir During Production Test for Horizontal Wells

During the production test for horizontal wells, down-hole pressure will drop down significantly to induce the crude oil flowing out of the wellbore, which always leads to wellbore collapse problems, especially in naturally fractured reservoirs. Hence, some special researches on this problem were carried out. Based on the mechanisms of wellbore stability and failure criterion of weak plane, the authors established the stress state around the horizontal wellbore and mathematical model of minimum down-hole pressures required to maintain the wellbore stable. This model is complex nonlinear equations, which involves several variables, including natural fracture occurrences, wellbore orientation, in situ stress, and rock strength. The combination impacts of these variables on the minimum down-hole pressure were quantified by solving this nonlinear model. The study helps deepen the understanding of the mechanisms of wellbore stability in naturally fractured reservoir.     

气体钻井井斜有限元岩石应力分析

气体钻井易井斜,钻井施工主要通过调整钻具组合和钻井参数进行轨迹控制,然而在高陡构造地区,气体钻井井斜变化严重超出井身质量控制要求,为后期作业带来了严重影响。因此,气体钻井井斜变化必须考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定程度的影响,而现有的数学模型复杂,计算量大,不能真实地模拟井下钻井的力学变化。为此,利用有限元理论,建立了实体三维力学模型,可以充分考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定性的影响进行Von Mises应力计算,根据地层应力值的变化,可以直观地分析出气体钻井井斜规律。通过对该模型力学计算结果的分析表明：在相同地层倾角和岩石强度下,气体钻井井斜幅度大于钻井液钻井的井斜幅度,井壁更不稳定,钻井时更易出现井眼扩大现象;当地层倾角小于45°时,井斜具有上倾趋势;地层倾角等于45°时,井斜趋势不明显;地层倾角大于45°时,井斜具有下倾趋势。     

Numerical Wellbore Stability Analysis Using Discrete Element Models

Wellbore instability, which is considered as failure of borehole wall, is a complex and time-consuming analysis. Numerous factors such as well path, rock mechanical properties, in situ stress regimes, pore pressure, mud weight, bedding planes, and fractures play a role in borehole instability. Many wellbore stability analyses methods consider only a few of mentioned parameters and majority of them are based on continuum mechanics. However, most of the methods presented for wellbore stability analyses do not consider the impact of fractures. In the present work discrete element models (DEM) are used for numerical wellbore stability analysis of horizontal wells, while the presence of fractures is considered. In this study the effect of mud cyclic loading, hole length, stress regimes, and fluid pressures in fracture plane are examined. The results of analyses showed that direction of minimum horizontal stress is the optimum drilling direction. To evaluate the effects of mud cyclic loadings and open hole lengths, two other models are also considered. These models reveal that mud cyclic loading reduces the stability of borehole. Moreover, it was concluded that mud weight must be increased as open hole length increases and it should not exceed the upper mud weight limit.     

钻井液对页岩力学特性及井壁稳定性的影响

钻井液长期浸泡会对层理性页岩产生影响,进而影响到页岩地层的井壁稳定性。利用川南地区龙马溪组页岩开展了不同钻井液浸泡后页岩单、三轴力学实验,分析了其力学特性及破坏形式的变化特征,并探讨了井壁失稳机理。结果表明:受层理影响,页岩力学特性具有明显的各向异性特征,且具有围压效应;油基钻井液对层理面的润滑作用增强了各向异性,页岩沿层理面发生剪切破坏,破坏形式受层理面控制;水基钻井液对页岩造成水化损伤,微裂缝扩展沟通层理,降低了各向异性,易发生复合破坏,破坏形式受基质体和层理面双重控制,井壁更易失稳;黏土矿物水化作用和孔缝毛细管效应是页岩地层井壁失稳的根本原因。该研究可为层理性页岩井壁稳定分析提供参考。     

破碎性地层坍塌压力计算模型

破碎性地层裂缝、微裂缝及层理十分发育,地层各向异性明显,地层坍塌压力高,安全钻井液密度窗口窄,在低井筒液柱压力下井壁易垮塌,在高井筒液柱压力下又容易发生井漏。不同于均质各向同性地层,这类地层的井壁围岩力学稳定性主要取决于这些单元体结构面的强度(抗滑能力)。当单元体所受应力超过了其结构面抗滑能力时,井壁围岩即出现滑动失稳。由均质各向同性地层井壁力学稳定性分析理论出发,引入地层岩石破碎程度指数Bd来定量的描述地层岩石破碎程度对井壁围岩等效应力状态的影响,并根据Mohr-Coulomb准则建立了破碎性地层坍塌压力计算式,Bd值越大,井壁坍塌压力越大,井壁越易失稳,实例计算表明所建立的模型计算结果与工程实际吻合较好。