高压深井试气期间裸眼井壁稳定性分析.pdf

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1、第18卷第4期地庾刀字罕很VoI.18NO.42012年l2月JOURNAL0FGEOMECHANICSDec.2O12文章编号:1006~616(2012)04-0433-07高压深井试气期间裸眼井壁稳定性分析陈军海,陈勉,金衍(1.中国石化石油工程技术研究院,北京100101;2.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249)摘要:高压深气井裸眼试气期间,由于井内液柱压力较低,不能很好地支撑井壁,裸眼段可能发生井壁坍塌。在非均匀构造应力作用下井壁周围地应力分布的基础上,考虑井壁周围地层温度变化引起的热应力场和高压流体渗流引起的渗流应力场,并结合Mohr—Coulomb准则,可以

2、确定防止高压深井试气期间井壁坍塌的井内当量流压,依此指导垫液、压井液的密度和高度,可确保测试工作顺利进行。关键词:高压气井;非均匀原场地应力;渗流应力场;热应力场;测试压差;井壁坍塌中图分类号:TU452文献标识码:A高压深井储层强度比较高,为更好地明确储层性质及产能等,可采用中途裸眼井壁测试。为形成测试压差,在试气期间,井内正替一定高度密度较小的垫液,垫液底液面以下井段为密度较大的压井液,然后关井憋压。憋压期间,地层高压流体在压差作用下向井内渗流;另外,井壁地层与井内流体存在很大的温度差异,二者之间会进行热交换而使得井壁地层温度变化;再加上非均匀构造应力的影响,这些因素都可能引起井壁地

3、层受力超过自身强度而发生坍塌破坏。程远方等⋯、刘玉石、陈勉等及金衍等均对钻井过程中井壁稳定问题进行过研究,使得钻井井壁稳定理论与技术逐步完善。本文在前人研究的基础上,根据测试中井壁周围地应力的分布,结合地层破坏准则开展高压深井试气期间裸眼井壁坍塌的研究,依此指导压井液和垫液的密度及高度设计,防止裸眼井壁坍塌。1裸眼井壁周围地应力分布状态井眼的形成引起了井壁周围地应力的重新分布,加之地层流体的渗流以及井壁地层温度的变化会在井壁周围产生次生应力场,因此,要明确测试过程中井壁周围地应力的分布状态,就需要考虑原场地应力及次生应力场对井壁周围地应力分布的影响。1.1构造应力及井内流体压力引起的井壁

4、周围应力分布原始地层处于非均质构造应力(即水平最大地应力or、水平最小地应力or及上覆地层压力)的作用下,井眼形成后,需在井内通过循环流体提供支撑力以保持井眼的稳定。收稿日期:2012-07-03基金项目:国家重大专项“海相油气井井筒环境监测技术”(编号:2011ZX05005-006-001)作者简介:陈军海(1979.),男,博士,中国石化石油工程技术研究院工程师,主要从事油气井工程岩石力学研究。E-mail:chenjunhail979@126.corn434地质力学学报假设地层为均匀、各向同性、线弹性多孔材料,井壁围岩满足平面应变,无限远处受水平最大地应力Or水平最小地应力Or的

5、作用,其垂直方向上作用着上覆地层压力or,井内为流体压力Pi,R、R。分别为井径和模型的外径(见图1),则构造应力及井内流体压力联合作用下井壁周围地应力分布如下式:=c一等+c+一等s2+i(1+R2)(1+了3R4).c0R2=一一:一2u(一)()。。20式中:oror⋯or——非均质构造应力及井内流体压力联合作用下在井壁周围产生的径向、切向与垂向应力,MPa;——地层岩石泊松比;r——井壁周围地层任意半径,m;——井周角,(。)。图1非均匀构造应力及井内流体压力分解模型Fig.1Thedecompositionmodelofnon—uniformtectonicstressandf

6、luidpressureinsidethewell那么井壁上的径向、切向与垂向应力为:orr1Pio1=(1—2cos20)orH+(1+2cos20)orh—Pi(2)or1:or一2u(orH—orh)cos201.2温度变化对井壁周围地应力分布的影响测试期间,由于井内流体的温度低于地层温度,关井期间地层与井内流体进行热交换,使得井壁周围地层存在一定的温度场,有研究表明井壁周围地层温度的变化会在井壁周围产生热应力场,其形式可表示如下:1)rdrT。=一EotT1【(r)rdr+Eo/T一)(3)ETT一71o)式中:or,,Or——地层温度变化在井壁周围产生的径向、切向与垂向应力,M

7、Pa;E——岩石弹性模量,MPa;O/T为地层岩石热胀系数,1/~C;T(r)——井壁周围地层温度分布函数;To——井壁原始地层温度,℃;T——井壁温度,。c。第4期陈军海等:高压深井试气期间裸眼井壁稳定性分析435当r=R时,即为井壁上附加热应力场:or:01Eot(4)zw一’1.3高压流体渗流对井壁应力分布的影响测试期间,为使地层流体自喷,井内液柱压力要低于地层压力而形成测试压差。地层高压流体外渗使得井壁周围地层流体压力具有一

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