井壁稳定分析模型研究现状
本文摘要：（由ai生成）
井壁失稳是油气田开发的关键问题，特别是在高应力硬地层。现有井壁稳定分析模型多基于线弹性理论，未充分考虑应力扰动影响。多孔弹性力学方法虽考虑流体渗流，但高应力地层井周应力为短时间扰动问题。夏阳等人建立了非均匀地应力场中井筒卸载的孔隙弹性动力学模型，研究井周应力瞬时波动，对井壁稳定性理解和预测有重要意义。
在钻井过程中井壁失稳是不可避免的现象，已经严重影响了油气田开发的效率，而且在钻井过程中不断出现新的挑战，井壁稳定成为一个难以掌控并亟需解决的问题。高应力硬地层中井壁稳定是迄今尚未得到有效解决的钻井复杂问题，井壁垮塌、缩径等井下复杂事故常常发生在井筒卸载过程，且井眼打开以后井眼周围会形成次生裂缝成为钻井液进入油气储层的通道，导致钻井液漏失。
井壁稳定分析模型中，线弹性模型大都基于Bradley [2-3]于1979年提出的平面应变条件下井眼周围岩石线弹性应力分布理论，同时采用德鲁克-普拉格屈服准则（D-P准则）描述井壁剪切破坏。Aadnoy等人[4]于1987年利用线弹性理论研究了不同应力状态下斜井的井壁稳定问题，Yew等人[5]于1988年建立了三维线弹性模型来研究斜井情况下的井壁破坏问题。Hsiao [6]于1988年采用弹性力学理论研究了水平井井壁稳定问题。Zhou等人[7]于1996年研究发现当垂向地应力大于水平主应力时，斜井的井壁稳定性要高于直井的井壁稳定性，提出钻井时应该沿着最小主应力方向钻进。Cui等人[8]于1998年采用多孔弹性力学理论求解不渗透井壁围压状态下的应力分布，所得结果与线弹性理论解一样。Salamy等人[9]于2002年将多孔弹性模型运用于研究水平井段裸眼的井壁稳定，提出在弱地层随着地层压力的下降井壁稳定性降低，在强度较高的地层中井壁稳定性较高。Kurashige等人[10]于1989年基于多孔弹性力学与热力学，综合考虑应力场与温度场的耦合之后更好的控制井壁稳定。C. H. Yew等人[11]于1989年首次进行了对泥页岩的力学—化学耦合分析，提出弹性模量是含水率的函数，而泊松比则与含水率无关。Yu等人[12]于2001年提出了与时间有关的化学—温度—多孔弹性模型，将化学场、温度场、地应力场和孔隙流体压力场等进行耦合，指出化学和温度会影响钻井液的密度，表明在钻井过程中要不断对钻井液密度进行调节。
在高应力地层中由于卸载应力较大，井壁垮塌、缩径等井下复杂事故较普通地层的情况更加严重。传统的井壁稳定分析理论主要采用弹塑性静力学和孔隙弹性力学方法分析井筒周围受力。从时间尺度上来分析，弹塑性力学模型主要适用于长时间的静态受力分析[13]，其给出的应力解可以看作井筒卸载长时间达到稳定后的应力分布；孔隙弹性力学模型主要适用于考虑流体渗流的拟稳态受力分析[14]，其给出的应力与孔隙压力解可以看作井筒达到新的受力平衡前流固耦合的动态演化过程[15-16]。而对于高应力地层在井筒卸载过程中的井周应力分布是一个短时间内的应力扰动问题。理论上，采用传统弹塑性静力学和孔隙弹性力学方法对井眼周围应力场的分析没有考虑应力扰动的影响[17]，应力扰动的传播会形成弹性波，此时的力学行为属于弹性动力学研究范畴[18]，考虑与不考虑流体—固体动力耦合的相互作用会导致计算井周应力场存在较大差距[19]。
将固体的惯性作用考虑进去后，井筒在卸载过程中引起的应力扰动会以应力波的形式传播，传统的弹性动力学认为存在两种形式的应力波：横波与纵波。而在含有饱和流体的多孔弹性介质中，应力扰动会产生一种横波和两种纵波，即快波和慢波[20]。Biot [20-22]在1952年基于孔隙弹性力学研究了弹性波在含有饱和流体多孔介质中的传播问题，给出了应力波波速，讨论了不同情况下应力波的性质。Burridge 和Vargas [23]在1979年利用Biot理论研究了无限大地层中饱和流体的多孔弹性介质在脉冲点载荷作用下的应力波的传播特性。Philippacopoulos [24-25]在1989年研究了瑞利波在部分饱和水与半无限大地层中的传播性质，并且讨论了在正弦载荷作用下半无限大地层在部分饱和与饱和水情况下的力学特性。Senjuntichai和Rajapakse [26]在1993年利用势函数法得到了轴对称条件下井周瞬时应力解。刘干斌等[27]在2010年考虑流体—固体两相介质的压缩性、流体运动对热量流动的影响以及温度变化对流体流速的影响，建立了流—固耦合两相介质的热孔隙弹性动力学响应模型。Song等[28]在2017年利用孔隙弹性动力学研究了应力轴对称情况下动态应力强度因子，分析得到了孔隙流体波动对井壁稳定性的影响。夏阳等[29-30]在2017年建立了井筒在非均匀地应力场中由于卸载产生的孔隙弹性动力学模型，并分析得到了井周应力的瞬时波动特征。
