断裂带破碎地层井壁稳定机理的离散元法分析

受挤压构造运动影响,顺北5号断裂带奥陶系地层破碎,钻井过程中井壁坍塌掉块严重。由于破碎地层岩石的变形及应力是不连续的,破碎岩块间不存在黏聚力,导致常规的基于连续介质的岩石力学分析方法不适用于此类破碎地层。而离散单元法将含结构面的岩体假定为若干刚体组合,可以刻画变形及应力的非连续性,适用于破碎性地层建模。首先针对地层破碎特性提出能更加合理地表征钻井液封堵性能的新指标——压力传递系数,该系数可通过简单的实验获取;之后建立了适用于顺北破碎带的离散元模型;利用标定的模型分析了不同井斜角、钻井液密度、钻井液压力传递系数对井壁坍塌的影响程度。研究发现:破碎地层失稳是岩块受力平衡的打破造成的(而非岩块本身的强度破坏造成),钻井液压力传递造成井壁周围孔隙压力增加,降低岩石间的挤压力同时降低摩擦因数,导致摩擦力大幅度下降引发岩块失稳;破碎带岩石的尺寸影响井壁稳定性,岩块越破碎越容易发生失稳;随着井斜角增加,井壁失稳风险急剧增加;不同压力传递系数的模拟结果显示,钻井液安全密度窗口随封堵性提高得到不同程度的提高,各影响因素的容错率提高。该研究可为破碎地层安全高效钻井工程措施制定提供指导。