王志学

（中石化华北石油工程有限公司五普钻井分公司 河南新乡 453000）

定向井井眼轨迹与井壁稳定性关系研究

王志学

（中石化华北石油工程有限公司五普钻井分公司 河南新乡 453000）

站在力学角度，对南海西部海域涠洲油田的岩石进行研究，分析其地层岩石的特征，给出与该油田相适合的、合理的井壁稳定分析办法。在该油田的井壁稳定的计算模型基础上，对其定向井井眼轨迹与井壁稳定性关系进行研究，进而归纳规律。将定向井的井眼轨迹进行合理的设计，可以有效预防该油田的井壁不稳定的情况。

定向井；井眼轨迹；井壁稳定性；研究

南海西部海域涠洲油田油气资源丰富，但是该区域的地质条件比较复杂，地质构造的应力较大，有断层裂缝，该区域地层具有较强的水敏性，设置了较窄的安全钻井液密度窗口，在进行钻井时，频频发生塌、漏、卡等事故，尤其是在进行遇涠洲组以及流沙港组地层的钻进工作时，井壁稳定性能大大下降，失稳现象严重。目前较为常见的解决方法是改进泥浆的性能以及限制起下钻的速度。对泥浆的性能进行改变可以很好地对井壁形成保护，但是会对储层造成较大污染，该种做法更适合用于上部井段的非目的层操作；而对起下钻的速度进行限制产生的效果并不理想。为了提高效益，实现利用井眼轨迹解决该油田井壁稳定性的问题，该文对定向井井眼轨迹与井壁稳定的关系进行了分析研究。

1 地层岩石力学特征分析

该区域西南位置流沙港组泥页岩地层属于深湖相沉积，其沉积环境较为稳定，泥页岩中层理性的状况是沉积环境的较短时间内周期性质的变化，使得沉积物源发生周期性的变化，对应的黏土矿物也会发生一定的周期性的差异，由于波浪、流水和后期的地质运动，导致原始沉积层理发生了改变，由原来的水平层理变成现在的泥页岩层理结构。层理结构的地层具有诸多特征：①在力学方面，其各向性非常显著；②其层理面同样也是其弱势面，结构十分薄弱，微孔隙裂隙初步发育，经过了多次的地质构造运动，其层理面非常容易出现裂缝或者微裂缝，最后形成一个通道使得钻井液滤液更加容易浸入泥页岩。层理性的地层的各向异性极为显著，过去在分析井壁稳定情况时，通常会将各向异性产生的影响忽略掉，这样的分析必然会造成很大的误差。在这次分析中将各向异性产生的影响考虑在内，钻进过程中，地层岩石本体遭到破坏之前，层理面就会遭到破坏，形成非常复杂的事故。所以，在钻进过程中，不仅要对直井的层理结构的地层井壁的稳定状况进行分析，同时也要对定向井实施科学的研究分析。

2 层理弱面对地层强度的影响

通常情况下，使用莫尔-库仑准则对完整地层的剪切破坏情况进行描述，使用主应力σ1、σ3主应力进行表示：

式中：σ1表示岩石主体受到的有效主应力的最大值；

σ3表示的是岩石主体受到的有效主应力的最小值；

C表示的是岩石主体自身具备的粘聚力；

φ表示的岩石主体的内摩擦角。

如果地层中含有一定的弱面，Mclamore等专业人士认为分析岩体破坏能够选择使用黏聚力和内摩擦角不间断改变情况弱面准则，即：

式中：A1、B1、A2、B2、α、α′、C1、D1、C2、D2、n、m 为实验中已知的确定的常数；β为σ1和弱面法向之间的夹角，如图1所示。

此模型中具有较多的未知的参数，在实际的应用中，必须对其实施简化，也就是说，如果粘聚力持续发生变化，其内摩擦角保持原有状态，进而可以是未知的参数的减少。

图1 层理面法向和夹角的示意图

3 定向井井壁稳定的分析方法

为了便于进行分析，取一单元体于定向井所属的轨迹曲线，该定向井的井壁围岩所产生的应力分布状况，以及坐标轴情况，如图2（a）所示。

图2 地应力坐标转换图

但是在图2（a）中其应力的表达式在进行计算的时候比较复杂，所以，可以将其转化为图2（b）所显示的斜坐标系，在该坐标系中，井轴用z轴来进行表示，而，x、y轴都与z轴保持垂直关系。由此，斜坐标系可以得到新的地应力表达式：

因为该油田其地层的倾斜角相对较小，同时通过室内试验得出，导致井壁失去稳定性的最主要是因为渗吸进行破坏，所以，相关技术研究人员考虑此油田发生井壁失稳情况的时候，仅仅表现为岩石基体遭到了破坏，那么该油田的地应力关系表示为：σv>σh1>σh2，于是将公式（3）带入公式（2）中，能够获得定向井所受到的坍塌压力的计算模型。

4 井眼轨迹与井壁稳定性的关系分析

为了有效分析井眼轨迹与井壁稳定性二者之间的关系，将某一口井所在的某一小段的测井数据拿来进行坍塌以及破裂压力的分析（因为分析破裂压力的应用方法已经很成熟，再次不进行描述其计算模型）。为了便于数据的计算，在此视地层为一个平面并且中心对称，如图3，同时取多个井斜角和斜方位角而且这些角之间存在着一定的差异，然后对其进行比较。

图3 井眼横截面

（1）把方位角进行固定，固定度数为0°，然后取多个井斜角，分别为0°（0°表示直井，直井没有井斜方位角）、22.5°、45、67.5°、90°，进而计算其坍塌压力和破裂压力，能够获得一组剖面图，如图4所示。

图4 方位0°时各井斜角对应的压力

（2）把方位角进行固定，固定度数为22.5°，然后取多个井斜角，分别为 0°、22.5°、45、67.5°、90°，进而计算其坍塌压力和破裂压力，能够获得一组剖面图，如图5所示。

图5 方位22.5°时各井斜角对应的压力

（3）把方位角进行固定，固定度数为45°，然后取多个井斜角，分别为0°、22.5°、45、67.5°、90°，进而计算其坍塌压力和破裂压力，能够获得一组剖面图，如图6所示。

图6 方位45°时各井斜角对应的压力

（4）把方位角进行固定，固定度数为67.5°，然后取多个井斜角，分别为 0°、22.5°、45、67.5°、90°，进而计算其坍塌压力和破裂压力，能够获得一组剖面图，如图7所示。

（5）把方位角进行固定，固定度数为90°，然后取多个井斜角，分别为0°、22.5°、45、67.5°、90°，进而计算其坍塌压力和破裂压力，能够获得一组剖面图，如图8所示。

对显示的剖面图进行直接的观察，可以容易看出其规律性。

图7 方位67.5°时各井斜角对应的压力

图8 方位90°时各井斜角对应的压力

5 结束语

（1）由定向井井眼轨迹与井壁稳定性关系研究可以看出，当该油田的井斜方位为45°，将会受到最小的坍塌压力，其承受最大的破裂压力。换言之，其他相关条件固定的情况下，加入将定向井的井斜方位设置在45°或者225°，井壁的所处的状态是最稳定的。

（2）当井斜方位设置在0～90°之间的时候，其所受到的坍塌压力是不断变化的，会先不断降低然后慢慢升高，面临的破裂压力也是一样处于变化中，先变大而后变小。充分考虑油田的地应力的特点，进而得出在45°或者225°的井斜方位上，恰好处在最小的水平应力方向，也就是说处于此方位时，其井壁稳定性最强。

（3）不管井斜方向发生什么样的变化，其所受到的坍塌压力会同井斜角一起变化，素质增大而增大，破裂压力也是一样会发生变化，但是随之增大而减少，假如其他条件处于稳定的情况，在井壁的稳定性方面，直井好于定向井。

（4）从整体角度讲，对比安全钻井液密度窗口直井比水平井要宽些，大约宽0.12g/cm3，处于45°或225°井斜方位的定向井比处于135°或315°井斜方位的定向井更宽，大约宽0.1g/cm3。

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TE243

A

1004-7344（2016）07-0181-02

2016-2-20

王志学（1986-），男，助理工程师，硕士，主要从事石油钻井工程工作。