石油地质与工程2019年5月PETROLEUMGEOLOGYANDENGINEERING第33卷第3期文章编号:1673—8217(2019)03—0082—05非均匀地应力下井壁Voniises应力及稳定性分析李冬梅1,窦益华2王小增3,李明飞2,蒲红斌4(1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院,新疆乌鲁木齐83001l;2.西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065;3.嘉应学院电子信息工程学院,广东梅州514015;4.中国石化河南油田分公司采油一厂,河南南阳473132)摘要:为分析非均匀地应力作用下井壁VonMises(米塞斯)应力及其对井壁稳定性的影响,建立了非均匀地应力作用下井壁附近岩石的力学分析模型。根据弹性力学中应力与应力函数之间的关系,应用叠加原理,导出了非均匀地应力下井壁径向应力、环向应力和剪切应力计算公式,分析了非均匀地应力对井壁稳定性的影响,确定了以钻井液密度为自变量的井壁VonMises应力的二次拟合公式。采用拟合公式计算的井壁VonMises应力误差小于2.5%,利用该公式可以确定井壁岩石不会破裂的钻井液密度。关键词:非均匀地应力;Yon中图分类号:TE26Mises应力;井壁稳定性;叠加原理;钻井液密度文献标识码:AVonMisesstressandstabilityanalysisofwellborewallundernon-uniformin-situstressLIDongmeil,DOUYihua2,WANGXiaozen91,LIMingfci2,PUHongbin4f1.PetroleumEngineeringResearchInstituteofNorthwestOilfieldCompany,SINOPEC,Urumuqi,Xinjiang830011;2.SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an,Shannxi710065,China;3.CollegeofElectronicInformationOilProductionPlantEngineering,JiayingUniversity,Meizhou,Guangdong514015,China;4.TaheProjectDepartment,No.1ofHenanOilfieldCompany,S1NOPEC,Nanyang,Henan473132,China)Abstract:InordertoanalyzetheinfluenceofVonMisessitustressanditsefleetonstressontheboreholewallundernon-uniforiBin-nearthestabilityoftheboreholewall,amechanicalanalysismodeloftherockstressthewellborewallundernon—uniforlnin—situandstresswasestablished.Accordingtotherelationshipbetweenstressonfunetioninelasticmechanics.basedstressthesuperpositionprinciples,theformulasofradialstressonstress,circumferentialandshearstressarederived,theinfluenceofnon—uniformin—situstressonwellborewaUstabilitvisanalyzed.thequadraticfittingformulaoftheVonMisesdensitvofdrillingfluidasthewellhorewallwiththestresstheindependentvariableisdetermined.ThecanerrorofVonMisescalculatedbythefittingformulaislessthan2.5%.andthisformulathewellborewallrockwithoutfractures.Keybeusedtodeterminethedensityofdrillingfluidinwords:non-uniformin——situstress;VonMisesstress;wellborestability;superpositionprinciple;drillingfluiddensity钻井过程中的井壁稳定性是事关钻进速度和钻井安全的重要问题,井眼附近岩石应力大小及其分布规律是影响井壁稳定性的主要因素之一,负压钻井和钻遇枯竭地层时,井壁更易失稳且导致钻井事故。因井壁失稳,国内油田在钻井过程中发生过不象p1;姚直书等考虑井壁的空间轴对称,运用叠加原收稿日期:201901—24作者简介:李冬梅,高级工程师,1973年生,1996年毕业于中国地质大学(武汉)油藏工程专业,现从事完井测试与试油评价技术及管理工作。基金项目:国家自然科学基金项目“页岩气水平井压裂与生产套管变形机理及其控制机制研究”(NSFC51674199o同程度的井漏、井壁垮塌和卡钻等复杂事故”。21,为此,人们对井壁稳定性问题开展了针对性研究。周国庆等结合模拟试验,分析了华东地区井壁破坏现李冬梅等.非均匀地应力下井壁VonMises应力及稳定性分析理导出了井壁应力计算公式【4】;李军陋1、王建军等陋l研究了地层各向异性和多孔弹性易坍塌地层井壁围岩的应力分布规律;针对泥页岩地层钻井易发生井壁失稳、影响钻井作业效率等问题,冉小丰r”、光新军等【81基于连续损伤力学理论,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入摩尔一库伦破坏准则,建立了基于等效塑性应变的损伤演化模型,给出了泥岩的渗透性演化方程;何朋立等一1研究表明,温度作用也是导致井壁内应力增大,诱发井壁破裂的重要因素;欧焕农”叫利用内外边界条件,给出了井壁环向应力分布的解析解和数值解;郭莉霞等”u研究表明,最大主应力与最小主应力之差越过莫尔圆包络线将使井壁发生剪切破坏,诱发平行于井眼轴线的纵向裂缝;王渭明等”2】导出了正交各向异性多层复合井壁的应力、位移计算公式。可以看出,现有研究多针对均匀地应力下井壁的稳定性,而非均匀地应力作用下井壁应力、井壁稳定性问题有待深入研究。因此,本文建立了非均匀地应力下井壁岩石力学分析模型,根据弹性力学中应力与应力函数之间的关系,应用叠加原理,推导了非均匀地应力下井壁径向应力、环向应力和剪切应力公式,分析了非均匀地应力对井壁稳定性的影响,确定了以钻井液密度为自变量的井壁岩石等效应力拟合公式,利用该公式可以计算井壁岩石不会破裂的钻井液密度。1非均匀地应力下井壁力学模型地层钻开后,没有下人套管的井眼内壁受到水平方向上的地层压力和井眼内液体压力。井壁及周围岩层受力如图1a所示,ph是水平方向最小地应力,阳是水平方向最大地应力,pf是井眼内壁静液柱压力,单位均为MPa。为确定非均匀地应力作用下井眼内壁应力分布,可以应用叠加原理将井壁载荷分解为只有内压作用、两向压缩和拉压共同作用三种情况,分别如图lb~d所示。井眼钻开后,非均匀地应力作用于距离井壁中心无穷远处,井壁周围岩石为各向同性连续介质。2非均匀地应力下井壁等效应力分析2.1内压作用下井壁应力分析内压作用下井壁受力模型如图1b所示。根据Lame厚壁筒理论,力学模型中地层宽度远大于井眼图1非均匀地应力作用下井壁力学分析模型直径,相当于Lame公式中外径趋近于无穷大。由Lame公式可知,内压下半径r处井壁径向和环向应力分别为:d2d2听12一万仇,∞12历Pi/.、LJ,式中:d为井眼直径,m2.2均匀压缩地应力下井壁应力分析均匀压缩地应力下井壁受力模型如图2所示。水平方向地应力相同,均为(PH+Ph)/2。采用极坐标法求解井壁附近应力,将模型周围直边界变换为圆边界。选取直径D远大于d的圆周,根据圣维南原理,该圆周上A点的应力与无孑LH,-j的应力相同。直角坐标系下该点的应力分量为:ax=一_PH+Ph,o-y=一_PH+Ph,hymm0(2)由应力直角坐标向极坐标转换的公式:听=叹COS29+qsin2日+2rzysin臼COS9%2qCOS2日+呶sin2臼一2Txvsin日COSpTr0=(o-y—ax)sin臼COS8+Txv(COS2臼一sin28)(3)可得极坐标下直径_D处的应力:armm一—PH_+Ph,∞2一—PH_+Ph,Tr日=0(4)式中:日为极坐标中井眼任一点和原点连线与x轴的夹角,rad。井壁附近径向和环向应力分布相当于内压0和外压(pH+Ph)/2作用下,内径为d和外径为D的圆筒的径向和环向应力,由Lame公式和d/D趋于0可得:%:一半(1一筹)石油地质与工程2019年第3期a02--一TPH+Ph\、(1+匀Tr日2=0(5)图2均匀压缩地应力下井壁受力模型2.3拉伸、压缩地应力下井壁应力分析拉伸、压缩地应力共同作用下井壁受力模型如图3所示。一个方向上的拉伸地应力为(pH—ph)/2,其垂直方向上的压缩地应力为(pH—Ph)/2。采用极坐标求解井壁附近应力,将周围直边界变换为圆边界。选取直径D远大于d的圆周,根据圣维南原理,该圆周上A点的应力与无孑L时的应力相同,即:吼=下Ph--PH,q=一下Ph--PH,ky=0(6)由应力的直角坐标向极坐标转换公式可得直径D处的应力分布:听=TPh--PHCOS20,ao=TPh--PHTr丹=一Ph--.PHsin20(7)o~-pOn图3拉伸、压缩地应力下井壁受力模型直径为D处的应力边界条件为:ar=0,TrO=0(8)由半逆解法,可设田为r的某个函数乘U2cos2p,设Tr日为r的另一个函数乘122sin20,则应力函数为:咖=厂(r)COS20(9)带人极坐标下的相容方程(甭02+;昙+嘉杀)2咖=0(10)求解可得:咖(r,8)=c。sPH28(一Ph--4r2+d2—Ph--—PH—d4—Ph--—PHll)(1I)根据应力函数与应力之间的关系:=;石a,b十一1塑,2;石十一一,T--raOrT,等cro-rr2arz=2雨,rO=一杀G翔2一石b剖(12)可得:一一Ph--PHcos28(1一祟)(1一再3d2)J,铂。=~Ph--:PHsin20(1一景)(1+43d万2)(13)一一一Ph--PH%32一—了一厶cos20COS2(1+羔Jk)I、l+瓦iuJ2.4非均匀地应力作用下井壁应力分析假设井壁在上述3种载荷单独作用下变形较小,在弹性范围内井壁应力可以采用叠加原理,得到非均匀地应力作用下井壁径向应力、环向应力和剪应力的分布公式:听=一TPh+PH\(1一杀)+TPh--PHcos2臼×1一景)(1一丝4r2、,/一巩景ao=一TPh+PH\(1+翱一TPh--PHcos2pf3d4\d2×I1+再J+仇甭2一——i—zsinFl_l一蕊J、^■),×(1+甭3d2)(14)当,---900时,在距离井眼内壁无穷远处的径向和环向剪切应力分别为:,2熙听2一—丁一+——■厂一.Ph+PH(ph—PH)COS20盯rr_÷∞ZZ盯p2rli..m。aor-÷∞Z‘T’rp=一—(Ph—--PiH)一sin2一——r一—————i———一20(15)当r=a/2时,井眼内壁的径向和环向的剪切席力分别为:李冬梅等.非均匀地应力下井壁YonMises应力及稳定性分析盯,,r=Pf,f”阳=0盯”日=(Pf—ph—PH)一2(ph—PH)×cos20(16)山!础3非均匀地应力下井壁等效应力实例分析设井眼直径为215.9mm,水平最大地应力110MPa,最小地应力100MPa,井眼内压力30MPa。井壁附近岩石处于三向压应力状态,可采用第四强度理论进行校核,以下计算的等效应力均为VonMises应力。三向应力包括径向应力、环向应力和垂直方向地应力。根据平面应变理论,垂直方向地应力az=肛(听+a0)。图4为应用本文前分析公式,得到的非均匀地应力下井壁附近岩石的三维等效应力分布。R目较神图6不同角度的VonMi¥eS应力井壁内压和钻井液密度成正比,钻井液密度越大,井壁内压也越大。因此,钻井液密度会影响井壁岩石的等效应力。根据非均匀地应力作用下井壁径向应力、环向应力和剪应力的分布公式(14),可以得到以钻井液密度为自变量的井壁最大Von应力的二次拟合公式为:Pemax=17.4242y2—113.1212y+220.7939Mises(17)式中:y为钻井液密度,g/cm3。假设钻井液密度为1.99/cm3,采用公式(17)计孟W赣淞捌鞍算得到井壁最大等效应力为68.8MPa,采用应力理∞∞加∞蚰∞加啪论公式计算的等效应力为67.1MPa,误差为2.5%。因此,根据钻井液密度,采用拟合公式计算井壁最大等效应力是可行的。根据得到的井壁岩石抗压强图4三维VonMises应力度Prock和钻进安全系数孔,可得到许可井壁最大VonMises应力P。max的计算公式:Pemax图5是不同半径处VonMises应力,图6是不同角度处VonMises应力。可以看出,离井壁越远,VonMises应力越小;90。方向即垂直于最大水平地应力方向上的VonMises应力最大,0度方向上的VonMises应力最小;距离井壁越近,VonMises应力在不同方向上的差距越大;随着距离井眼中心距离的增加,各个方向的VonMises应力趋于相同。最大Von2_Pro-ck(18)将许可井壁最大VonMises应力带人公式(17),可以计算出不会导致井壁岩石破裂的钻井液密度Ymax04结论(1)井壁最大VonMises应力与水平方向最大地应力和最小地应力及井筒内压有关,随距井眼中心距离的增加,不同方向VonMises应力指数减少。(2)垂直于最大地应力方向上的井壁岩石VonMises应力最大,0度方向最小;距离井壁越近,不Mises应力发生在井壁90。方向上,数值为158MPa;如果该值小于井壁岩石的抗压强度,则井壁是安全的,不会发生破裂。乱皇日同方向上VonMises应力的差距越大;随距井眼中心距离的增加,各个方向的VonMises应力趋于相同。(3)采用以钻井液密度为自变量的井壁应力拟合公式计算的VonMises应力误差不超过2.5%,利用该公式可以确定钻井过程中井壁岩石不会破裂的钻井液密度。图5不同半径处的VonMiR倒赣神SOS应力(下转第89页)罗帅.华北地区SYl井钻井技术难点及对策·89·[2]张金川,金之钧,袁明生.页岩气成藏机理和分布【J].天4结论与建议【3]3然气工业,2004,24(7):15—18.刘洪林,王红岩,刘人和,等.中国页岩气资源极其勘探潜力分析[J].地质学报,2010,84(9):1374—1378.(1)钻头选型对缩短建井周期、降低施工成本意义重大。SYl井上部地层全面钻进过程中机械钻速虽然较高,但是在钙质泥岩及硅质胶结砂岩段等可[4]肖金裕,杨兰平,李茂森,等.有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中的应用[J].钻井液与完井液,2011,28(6)l21—23.钳|生差的地层,钻头选型应进一步提高其攻击性。(2)井壁失稳是页岩气探井施工的主要难题。应将防止黏卡、缩径、垮塌等复杂情况作为钻井液设计的核心,提高钻井液的抑制性,尤其是在长裸眼段长时间钻进中应着重提高钻井液的防塌能力。如条件允许,可改为三开井身结构,或在上部非取心井段尝试使用气体钻进技术。(3)取心阶段机械钻速尚有进一步提升空间。取心过程中对比了多种型号取心钻头,机械钻速多维持在0.30一o.60m/h,与地矿勘查单位相比取心速度不高,可借鉴其成熟的取心工艺,能进一步提高取心段的钻进速度。参考文献[1]邹才能,董大忠,王社教,等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].石油勘探与开发,2010,37(6):641—653.[5]魏晓亮,张金川,党伟,等.SYl井海陆过渡相页岩发育特征及其含气性[J].科学技术与工程,2016,16(26):42—50.[6】6王志刚.涪陵页岩气勘探开发重大突破与启示[J].石油与天然气地质,2015,36(1):1—6.[7】郭少斌,付娟娟,高丹,等.中国海陆相交互页岩气研究现状与展望[J].石油实验地质,2015,37(5):535—540.[8]王社教,李登华,李建忠,等.鄂尔多斯盆地页岩气勘探潜力分析[J].天然气工业,2011,31(12):40—46.[9】李中明,张栋,张古彬,等.豫西地区海陆过渡相含气页岩层系优选方法及有利区预测[J].地学前缘,2016,23(2):39—47.【10]孙少亮.中长筒保形取心技术在页岩气井中的应用[J].钻采工艺,2013,36(5):11l一113.编辑:赵川喜(上接第85页)45—46.[7]冉小丰,王越之,贾善坡,等.基于渗流一应力一损伤参考文献耦合模型的泥页岩井壁稳定性研究[J].中国科技论文,2015,10(3):370374.[1】胡勇科,李丹,邱元瑞,等.南堡3号构造井壁失稳问题分析与对策叨.石油地质与工程,2014,28(6):101—103.【8]光新军,陈曾伟,刘修善,等.三向应力状态下层理性泥页岩地层井壁稳定性研究[J】.科学技术与工程,2015,15(5):54—57.[2]蒋晓红,刘其明,衡俊鹏.川西大邑地区气体钻井井壁稳定性评价研究叨.石油地质与工程,2011,25(2)i95—97.【9】何朋立,郭力,王在泉.深厚表土层井壁温度竖向附加应力分析【J].金属矿山,2015,(4):119—122.[10]欧焕农.应力状态对井壁失稳安全性的影响分析[J].科学技术与工程,2013,14(6):15881591.[3]周国庆,程锡禄.特殊地层中的井壁应力计算问题[J].中国矿业大学学报,1995,24(4):24—25.【4】姚直书,李瑞君.考虑竖向附加力时井壁应力计算方法[J].东北煤炭技术,1997,4:3—4.[5】李军,柳贡慧,陈勉.正交各向异性地层井壁围岩应力新模型[J】.岩石力学与工程学报,2011,30(12):2481—2482.【11]郭莉霞,蒋晓红,黄振华.完整性与非完整性井壁应力模拟分析研究[J].钻采工艺,2011,34(5):10一12.[12]王渭明,路林海.正交各向异性复合井壁应力变形分析与应用[J】.力学与实践,2009,31(1):52—56.[6]王建军,林凯,王新虎,等.易坍塌地层椭圆形井眼内套管应力的有限元分析闭.石油大学学报,2004,28(2):编辑:蒲洪果