气体钻井井壁失稳机理及评价方法研

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1、气体钻井井壁失稳机理及评价方法研究GaoLi等著翻译：张志财（油化所）审校：赵怀珍（油化所）摘要：井壁失稳已经成为严重制约气体钻井技术进一步发展和应用的瓶颈。为此，对气体钻井井壁失稳机理进行了研究，并提出了四种井壁失稳机理，包括力学强度较低的软弱岩体和破碎岩体的力学失稳、产液条件下的力学——化学耦合失稳、快速钻进时的岩石崩爆与上覆泥岩的动力学失稳。由于气体钻井具有不同于常规钻井的作业工艺，因此室内模拟现场钻井工艺是评价气体钻井井壁稳定的关键，而且涉及更多的评价参数，包括地层温度、孔隙压力、上覆地层压力、围压、井筒压力、地层流体的类型和产量、滑行波波速以及

2、钻井作业类型（包括干气钻井、泡沫/钻井液钻井和气液钻井转换过程）。同时，深入研究井壁失稳的机理和评价方法、提高处理剂质量和处理工艺、加强预测技术和随钻流体封堵技术也是提高气体钻井井壁稳定的有效方法，也更有利于了解气体钻井井壁失稳机理和改善评价方法。关键词：气体钻井井壁失稳机理地层产液评价方法封堵技术前言对于深井油气藏和非常规油气藏开发，气体钻井具有巨大的优势。然而，随着应用领域的进一步拓展和地质条件的日益复杂，井壁失稳问题已成为制约气体钻井进一步发展应用的瓶颈。由于钻遇产层，产液包括产水、产油和产气会使井壁失稳更加复杂。许多学者对气体钻井井壁失稳机理和解

3、决方法进行了研究。AlbertK.Dittmer（1967）认为井壁失稳包括剥蚀和坍塌，并分析了钻具扰动、气体环空返速和地层压力变化对井壁稳定的影响。姜玉芳（2009）针对大庆油田火山岩地层建立了气体钻井水层定量识别方法和井壁稳定预测模型。王兰（2012）提出了防塌成膜钻井液技术解决气体钻井后泵入钻井液时的井壁失稳问题并验证了其效果。徐子辰（2012）叙述了一种通过加入纳米润湿反转剂来保持气液中间转换期间井壁稳定的方法。在现有研究成果的基础上，本文对气体钻井井壁失稳机理和评价方法进行了研究，提出了四种井壁失稳机理：力学强度较低的软弱岩体和破碎岩体的力学失

4、稳、产液条件下的力学-化学耦合失稳、快速钻进时的岩石崩爆与上覆泥岩的动力学失稳。同时，还讨论了井壁稳定的影响因素。现有的理论模型不能真实地反映气体钻井现场条件，因此本文设计了一种模拟现场工作条件的实验方案，同时还分析了提高气体钻井井壁稳定性的方法。气体钻井井壁失稳机理不产液时失稳机理井壁稳定的关键在于岩石强度是否超过作用在近井壁地层的应力。即使没有来自钻井液的影响，气体钻井时软岩层或破碎性岩层（图1）也无法保持井壁稳定。软岩层主要表现为井眼缩径和坍塌，破碎性岩石主要表现为崩落、掉块和大面积扩径坍塌。最近的气体钻井过程已经出现这样的情况。在四川西部大邑构造

5、地区气体钻井期间，须家河组上部偶尔会发生坍塌，随着井深的增加，坍塌情况会越来越严重，最终导致卡钻[7]。一般来说，井壁坍塌分析主要采用库伦-摩尔准则。根据库伦-摩尔准则，当岩石剪切面的剪应力大于岩石固有的抗剪切强度和作用在剪切面上的内聚力之和时，就会发生剪切破坏[11-13]，即：（1）τ和σ用三个主应力表示（σ1、σ2和σ3），公式(1)可转换为：（2）若考虑地层孔隙压力，则式（2）表示为：（3）上述公式为描述基本力学失稳的基本理论模型。下面进一步讨论特殊地层的力学失稳机理。a.火山岩b.砾岩c.硬脆性泥页岩d.塑性泥岩图1典型的软岩体岩样力学强度低软

6、岩石或破碎性岩石，如塑性泥岩、盐膏岩、弱胶结砾岩、破碎性火山岩、糜棱岩、破碎性煤岩、微裂缝发育的硬脆性泥页岩等等，都具有相对较低的岩石力学强度。气体钻井时由于没有井筒液柱压力支撑，这些岩石极易产生坍塌破坏，通常主要采用优化钻井设计来避免钻遇这些地层。高速携岩气流对井壁的冲刷当高速气流携带岩屑向上运移时，这些岩屑就不可避免地对井壁产生碰撞和摩擦，导致近井壁岩石的失稳。高速携岩气流的冲刷和井眼不规则程度、井眼轨迹、气流速度、岩屑颗粒的浓度和大小紧密相关。但是，在直井段由于井眼相对比较平滑，冲刷破坏程度非常有限，甚至可以忽略不计。钻柱振动在气体钻井过程中，高速

7、旋转的钻柱会持续横向振动和纵向振动。钻柱振动造成的不平衡、非连续冲击力会改变井眼周围岩石的构造和性能，并使应力重新分布。目前还没有一种方法来定量分析和评价这种过程对井壁稳定的影响。一些研究成果根据能量计算分析了不稳定原因。（4）当聚集的能量超过了岩石的承受能力时，就会产生坍塌破坏。井眼的几何形状除了气流冲蚀和钻柱振动的影响，井眼的几何形状也会影响井眼周围应力的分布。在此可将椭圆形井眼看作中间带椭圆孔的无限大平面，两个水平主应力和井筒压力分别为σ2、σ3和pw，则周向应力可表示为：（5）根据上式即可分析出气体钻井过程中周向应力随着井眼几何形状的变化趋势（图

8、2）。图2周向应力和圆周角的关系在上图中，m是短轴和长轴的比例。结果表明，当m逐