从力学角度分析页岩气井筒坍塌压力及完整性

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本文摘要：（由ai生成）

本文深入探讨了四川盆地志留系龙马溪组页岩气层钻井过程中的复杂情况，特别是井筒失稳问题。文章分析了页岩的各向异性强度及其对钻井作业的影响，并介绍了国内外关于井壁稳定性的研究进展。同时，文章指出水基泥浆在页岩钻井中的应用难题，并讨论了水平井失稳室内模拟试验的结果。这些研究有助于更好地理解页岩气层钻井中的稳定性问题，为优化钻井作业、提高钻井效率、减少经济损失提供理论支持。未来，还需要进一步开发适用的水基钻井液，以应对页岩气开发的挑战。

页岩气是一种非常规资源，四川盆地志留系龙马溪组页岩厚度为65m~516m，是勘探开发的理想层位。然而，以往的钻井经验和相关研究发现，该区块钻井复杂情况频发，如掉块、卡钻、坍塌等，导致巨大的经济损失。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；沉积页岩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，但相关研究表明，相比于应力及强度异性，弹性各向异性对井壁安全密度窗口影响十分有限，且目前的横观各向同性井周应力模型仅解释了井壁处的应力分布，所以本文基于均质线弹性井周应力模型对井筒完整性开展研究。强度随层理与载荷夹角改变而不同是页岩不同于常规储层研究的显著特征，Jaeger基于Coulomb破坏理论首次提出了一种弱面强度理论，将页岩的破坏分为本体和弱面两种剪切破坏模式，很好的解释了页岩强度的各向异性，并被广泛应用于井壁稳定分析中。但目前对其弱面内聚力和内摩察角的测试多采用直剪实验或层理法向与轴向载荷为60°岩心的三轴实验，前者仅得到了层理面Coulomb参数，且基于与三轴压缩破坏机理不同的剪切实验，后者简化了Jaeger准则，将页岩强度最低值固定为60°夹角，两者都未能反映层理倾角对Coulomb参数连续变化的影响。此外，页岩具有层状结构细密、天然裂缝、渗透率低、阳离子交换能力强等特点，对水基泥浆敏感，导致井壁失稳严重，因此油基泥浆得到广泛应用。但油基泥浆价格较高，对环境危害巨大。页岩水基钻井液的开发与应用在钻井作业中仍面临着巨大的挑战。在开发页岩有利的水基钻井液之前，必须分析水对页岩结构和力学的影响。

Økland、Bautmans等都开展了页岩气水平井失稳状况的室内模拟试验，如下图所示，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。