从力学角度分析页岩气井筒坍塌压力及失稳区域

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本文摘要：（由ai生成）

井壁失稳是钻井工程的关键问题，尤其在页岩地层中风险更高。本研究建立了考虑强度各向异性的井周失稳模型，发现含水率升高和层理倾角变化均会增大失稳区域，增加井壁失稳风险。室内试验显示，失稳区域主要分布在井筒上下两端，且沿层理面崩落。因此，钻井时需调整井眼轨迹，避免不利层理倾角，并根据地层特点校正地应力反演结果。该研究为钻井液密度选择和井壁稳定性分析提供了重要依据，有助于提升钻井工程的安全性和效率。

实践证明井周围岩发生剪切破坏后并不一定会发生井壁失稳事故，但针对允许井周围岩一定范围内的剪切崩落时，维持井眼稳定的钻井液密度及井周失稳区域的研究仍较为少见；此外，页岩沿层理面发育大量定向微裂纹，简单的将其视为各向同性不能描述实际问题，实际钻井工程中也证明，依据常规模型预测页岩井壁坍塌压力引发了严重的井眼扩径现象。因此，获得强度各向异性对井周围岩稳定性的影响，如何得到井周的失稳区域并据此对井眼轨迹进行优化的方法问题亟待解决。

图9不同含水率页岩气井坍塌压力云图

Figure9. Polar plots of shale gaswell collapse pressure under different moisture content

根据本文建立的考虑强度各向异性的井周失稳模型，对CN区块沿水平最大主应力钻进井眼进行分析，输入参数与图8相同，假设井底压力为63MPa时，得到不同含水率情况下，在r_w~2r_w范围内井周失稳区域如图9所示。可以发现，若假设储层为完全均质材料，则井眼崩落位置主要发生在最小主应力方向，形成“椭圆形”井眼；考虑弱面影响后，预测井眼形状变为“四边形”，失稳区域除集中在最小主应力方向外，还分布在井眼的左右两侧，随着含水率的升高，失稳区域逐渐增大。这说明随着地层与钻井液接触时间的延长，含水率逐渐升高，特别是在钻井后期，井壁失稳风险会显著增大，应加强钻井液的封堵特性，减缓流体向层理面的侵入，同时因加大排量，防止崩落岩屑堆积井底。

图10页岩气厚壁井筒失稳室内试验³³^-³⁴

Figure10. Collapse mechanism in athick-walled cylinder test performed with well oriented parallel to bedding³³^-³⁴

Økland³³、Bautmans³⁴等都开展了页岩气水平井失稳状况的室内模拟试验，如图10所示，在一定倾角层理页岩地层钻进时，失稳区域分布在井筒上下两端，且井周围岩主要沿层理面发生崩落，笔者针对该现象采用本文建立的模型对在不同层理倾角地层钻进的水平井失稳区域开展了研究。

(a) 层理倾角为0°

(b) 层理倾角为30°

图11不同含水率页岩气井坍塌压力云图

Figure11. Polar plots of shale gaswell collapse pressure under different moisture content

假定CN区块某井沿水平最大地应力钻进，井底泥浆压力为63MPa，页岩Coulomb参数见图4c，仅改变层理倾角，倾角为0°、30°和60°时，其井壁处坍塌压力及在r_w~2r_w范围内井周失稳区域见图11。可见，随层理倾角的增大，页岩本体的坍塌压力在井壁上保持不变，且均在井周角为90°处取得最大值，最大失稳区域均发生在最小主应力方向；当维持层理稳定的井底压力大小及沿井周分布位置均发生很大改变，且井周最大失稳区域与水平最大地应力逐渐增大；值得注意的是，当层理倾角为30度时，由弱面引起的滑动失稳区域与岩石本体的剪切破坏失稳区域叠加在一起，造成井眼失稳深度增大，进而导致井筒稳定性的进一步恶化，应在钻井过程中调整井眼轨迹避免此类情况的出现。此外，不同于常规储层的是，由此可见，页岩地层的井周崩落位置与常规储层差异显著，采用传统方法对矿区地应力的反演会出现严重偏差。根据图11的三种情况可发现，沿水平最大地应力方向钻进井眼最大井周层理面滑动失稳区域发生在θ=β_bp+β_min处，考虑弱面影响的井周失稳区域模型得到的井周最大崩落位置与井周最小主应力方向存在一定夹角¹⁷，根据本规律可对页岩储层地应力的反演结果进行校正。