井壁坍塌压力对页岩各向异性敏感性分析

本文摘要：（由ai生成）

页岩油气是一种重要的非常规资源，近几十年来在世界范围内受到越来越多的关注。然而，钻井过程中井筒不稳定问题严重影响了项目进度和成本。更特别的是，数据统计显示，页岩占钻井地层的75%，并导致超过90%的井筒不稳定问题。因此，上个世纪以来，许多研究在实验研究和理论分析的基础上开展了钻孔失稳机理和规律的研究。页岩地层失稳是钻井作业中需要考虑的重要问题，因此，有必要在室内实验研究和理论分析的基础上探索各向异性强度和井筒失稳机理。

国内外钻井工作者已对钻井中井壁稳定性开展了大量研究，主要可分为近井带应力分布及井周围岩强度判据两个方面。为评估井眼钻开后井周应力集中状态，Westergaard最早给出了一种弹塑性井周应力分布模型，但需要参数较多且难以获取；因此，需求参数较少且测试方便的线弹性井周应力模型被广泛采用，Kirsch最早给出了线弹性井周应力模型，但仅在井眼指向主地应力方向时适用，Fairhust首次得到了任意井眼的线弹性井周应力模型；Westergaard在1940年首先提出了井眼周围应力分布的弹塑性模型，但弹塑性模型需要太多的输入参数，限制了其推广应用。相反，线性弹性应力模型是最常见的方法，因为它需要较少的输入参数，因此在后期的井筒稳定性分析中，大部分工作都是基于线弹性模型。

由于在页岩钻探中经常遇到危险，许多科学家致力于研究井筒不稳定性的机理。页岩具有一定的组构取向和明显的层理面，可视为横向各向同性材料，其线弹性参数在垂直与平行层理方向差异显著，具有弹性、渗透率、强度等横向各向同性。横向各向同性是页岩的固有特性，也是导致其应力分布不同于各向同性介质的关键因素，从而导致井筒失稳模式与常规油藏存在较大差异。横观各向同性材料的本构方程如下式所示，

以往的各向同性井筒稳定性模型没有考虑岩石的弹性各向异性，不能很好地预测较低的临界泥浆质量。为了解决这一问题，Lekhnitskii在1963年首次引入弹性横观各向同性来获得页岩地层井壁处的应力张量，该模型充分考虑了页岩的岩性特征，是进行页岩地层井筒稳定性分析的首选方法，横观各向同性井周应力方程如下式，

对于岩石强度判据的选择，由于构造应力的存在，储层岩石处于真三轴应力条件下。目前，对页岩储层井筒稳定性的研究一般是基于常规应力状态进行的。迄今为止积累的大量实验证据强烈表明，σ2对强度的影响是显著的，并具有范围效应。相应的，多轴准则在井筒稳定性分析中的作用也需要得到验证。

图1. 不同岩石强度准则在σ1-σ2平面上分布特征的对比

Mohr-Coulomb准则、Modified-Mogi-Coulomb准则、Modified-Lade准则和Modified-Wiebols-Cook准则在σ1-σ2平面上分布特征如上图所示，MC准则预测的岩石强度不随中间主应力的变化而改变，而MGC、ML和MWC预测的岩石强度在相同应力状态下依次增大，MWC对中间主应力的变化最敏感。

小编考虑了以往学者很少考虑的中主应力和弹性各向异性程度等因素，研究了杨氏模量和泊松比的参数敏感性以及方向效应对坍塌压力的影响。研究的最终目标是探索层状页岩中井眼失稳的新机制，最大限度地减少钻井面临的井眼稳定性问题。计算出的坍塌压力绘制在下面四幅图中，显示了力学性能变化引起的变化。x轴表示Eh/Ev的变化，y轴表示vh/vv的变化，图中也标注了各向同性的情况。

图2.基于Mohr-Coulomb准则的坍塌压力参数敏感性分析.

图3. 基于Mogi-Coulomb准则的坍塌压力参数敏感性分析.

图4. 基于Modified-Lade准则的坍塌压力参数敏感性分析.

图5. 基于Modified Wiebols-Cook准则的坍塌压力参数敏感性分析.

在不考虑中间主应力的情况下，MC预测的陷落压力在各点均高于多轴准则预测的陷落压力。例如，在各向同性情况下，MC得到的崩塌压力为42.9MPa，而MGC、ML和MWC预测的崩塌压力分别为33.95MPa、35.67MPa、33.96MPa，表明σ2显著降低了崩塌压力。整体上，常规三轴破坏强度准则和多层三轴破坏强度准则预测的结果显示，等值线呈亚垂向分布，说明泊松比各向异性对陷落压力的影响不明显，但Eh/Ev较高时，陷落压力对泊松比的敏感性增强。另一方面，杨氏模量比对结果影响较大，特别是Eh/Ev<1时，杨氏模量各向异性的微小变化导致坍塌压力波动非常显著。此外，考虑中间主应力的结果对弹性各向异性的敏感性高于mc预测结果，尤其是mgc预测结果。< span="">根据刚度的定义，杨氏模量越高，泊松比越低，刚度越大。与水平方向刚度较高的情况(地块右下角)相比，垂直方向刚度较高的情况(地块左上角)的倒塌压力较小。也就是说，对于各向异性地层，各向同性平面的法向刚度越大，井眼在钻进过程中越稳定。此外，自然界中很少存在高杨氏模量和高泊松比的岩石，小编也不再对其进行分析。