杨 虎

(中国石油大学(北京)克拉玛依校区)

硬脆性地层中的岩体在外力作用下仅产生弹性变形而破碎[1-2]。1963年，根据岩石弹塑性特征，Heard将岩石划分三类：脆性岩石(破坏前应变小于3%)、半脆性岩石(破坏前应变为3%～5%)、塑性岩石(破坏前应变大于5%)。由此可知，低围压条件下的地表岩石表现为脆性或半脆性。通常，多数砂岩、灰岩、火山岩等表现为脆性特征，并且其破坏形式主要为剪切破坏[3]。钻井过程中井壁失稳(坍塌或掉块)主要源于井筒内钻井液的液柱压力降低，井壁围岩应力增大，岩石发生剪切破坏[4]。钻井和完井的经验表明，井眼通常具有一定程度的井径扩大现象，并产生一定程度的坍塌掉块而不会发生井壁失稳和井筒复杂事故。因此，由传统的井壁失稳力学模型设计出的钻井液密度值偏高，不利于提高钻井速度和降低钻井成本。本文所建立的硬脆性地层井壁失稳程度的定量预测模型，对合理设计钻井液密度和安全快速钻井提供科学依据。

一、硬脆性地层井壁破坏程度力学模型

1.假设条件

依据硬脆性岩石力学特性，可假设为：①地层岩性均质，为弹性多孔介质；②直井眼井壁围岩变形为水平面应变；③岩石剪切破坏的力学行为符合莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)准则；④地层表现为非渗透性。

2.几何模型

钻井形成新的井眼后，其井周应力发生变化，井壁围岩受地应力和井筒内钻井液柱压力的共同作用。首先，随着钻井液柱压力的减小在井壁表面r=a、θ=90°/270°处先达到剪切破……