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1、I 摘摘 要要 长北气田地处鄂尔多斯盆地北部，是国内气田的重点开发项目。该气田储层地质 复杂，井壁岩石易塌，易碎。泥岩，煤层交替出现，对水平井的钻井带来了了极大 的困难。钻进过程中经常发生井壁失稳，给钻井工程带来了极大的困难和经济损失， 在已开发的数口双分支水平井中大多发生过井眼失稳的情况。 对此，基于对水平井井眼力学的分析，结合长北气田的几口水平井的钻井过程 和参数，分析不同井段、不同地层的井眼失稳机理。在钻具组合方面，在尽可能少 换钻具组合的前提下，根据地层特性选用适应于该地层的钻具组合；同样在钻井参 数上，保证必要的机械钻速的条件下也要符合井眼稳定性的要求；最后，钻井液性 能方面，对钻井
2、液的密度平衡井眼压力，钻井液中的各种防塌剂、润滑剂、降失水 剂等对井眼稳定作用的分析。 关键词：长北气田，井眼失稳，坍塌关键词：长北气田，井眼失稳，坍塌 ，煤层，钻井液，煤层，钻井液 长北气田水平井井眼失稳技术研究 II The Changbei horizontal wellbore instability technical research Abstract Changbei gas field is located in the Northern Ordos basin, is the focus of domestic gas field development project. T
3、he gas reservoir geological complex, wall rock collapse-prone, fragile. Mudstone, alternating coal seams, have great difficulties for the drilling of horizontal wells. Wellbore instability often occur during the drilling, drilling engineering brought great hardship and economic loss, have developed
4、dual branch horizontal well borehole instability occurs mostly in situations. In this regard, based on analysis of eyesight of horizontal well, combined with the changbei gas field in several horizontal wells drilling process and parameters, analysis of different section, borehole instability mechan
5、ism of different strata. In drill with combination aspects, in as less for drill with combination of premise Xia, according to formation characteristics selection adaptation Yu the formation of drill with combination; also in drilling parameter Shang, guarantee necessary of machinery drill speed of
6、conditions Xia also to meet well eye stability of requirements; last, drilling liquid performance aspects, on drilling liquid of density balance well eye pressure, drilling liquid in the of various anti-collapsed agent, and lubricant, and drop water loss agent, on well eye stability role of analysis
7、. Key words: Changbei gas field，borehole instability，collapse ，coal rake，drilling fluid III 目目 录录 摘 要.I AbstractII 目 录III 1 绪论1 1.1 研究目的及意义1 1.2 国内外井眼失稳技术研究现状2 1.2.1 国外研究状况.2 1.2.2 国内研究状况.3 1.3 本文的研究内容及研究方案4 2 井眼失稳的机理研究5 2.1 井壁围岩应力分析5 2.2 井眼岩石强度破坏准则7 2.3 地应力对井眼失稳的影响8 3 钻具组合控制井壁稳定性分析9 3.1 钻具组合对直井段井眼失
8、稳的控制9 3.1.1CB-1 井钻进基本参数9 3.1.2 直井段控制井眼失稳的钻具组合.10 3.2 钻具组合在防止斜井段井眼失稳的应用11 3.3 钻具组合在防止水平段井眼失稳的应用11 4 钻井液对井眼失稳的控制.13 4.1 表层井眼失稳钻井液控制研究13 4.2 斜井段井眼失稳钻井液控制研究14 4.2 水平段井眼失稳钻井液控制研究15 5 煤层井眼失稳研究17 5.1 煤层井眼失稳的特性.17 5.2 煤层井眼失稳的原因分析18 5.3 煤层井眼失稳的处理方法18 6 泥岩井眼失稳研究20 6.1 泥岩井眼失稳机理20 6.2 泥岩井眼失稳控制分析20 结 论22 参考文献23
9、致 谢24 长北气田水平井井眼失稳技术研究 0 1 绪论绪论 1.1 研究目的及意义研究目的及意义 长北气田是近年来天然气勘探的重大发现之一，是“西气东输”和“陕京二线” 最重要的资源基础。该气田位于鄂尔多斯盆地东部，属于西倾单斜构造背景上的河 道岩性-地层圈闭气藏。长北区块气藏有三个特点：1）低渗透率；2）存在阻流带； 3）气藏厚度不大。所以水平井方案是长北区块开发的优选方案。但由于长北气田的 薄层、低孔、低渗、低压、低产和非均质性强等特点，开发难度大，尤其是利用水 平井开发如此薄层的非均质性严重的河道砂岩气藏难度更大。易发生井壁失稳问题， 特别是在水平井钻井过程中极易发生井壁失稳。给钻进工
10、作带来很大的麻烦，严重 时会造成井下事故，影响钻井周期，增加钻井成本。 井壁失稳问题是钻井过程中普遍存在的一个复杂的世界性难题，井壁失稳会造 成坍塌卡钻、井眼扩大、缩径、固井质量低下等井下复杂与事故。这些事故不但会 使钻井周期延长，而且会大大降低钻井的经济效益。目前，井壁失稳问题每年带来 约 8-10 亿美元的经济损失；根据哈里伯顿公司的统计，全球每年在解决井壁稳定问 题上的费用高达 60 亿美元1。 井眼失稳的实质是井壁力学不稳定。当井壁岩石所受的应力超过其强度时就会 发生井壁失稳。造成井眼系统失稳的原因是钻井形成井眼后，打破了原有的地下力 学系统平衡，造成井壁周围岩石的应力集中。当井筒内有
11、效液柱压力小于井壁应力 时，对于脆性岩层将出现坍塌，塑性岩层出现缩径；当井简有效液柱压力过高，又 将压裂岩层出现漏失，导致井下复杂和事故。另一方面山于钻井液进入岩层，也将 导致岩石力学特性参数的改变，改变井壁岩石力学状态致使井眼系统的不稳定性。 因此，井壁失稳现象成为油气资源勘探开发中的一个关键性的突出问题，急需进行 深入地分析研究水平井井眼失稳问题。利用岩石力学、流体力学、钻井液工艺等原 理揭示水平井直井段、造斜段和水平段井壁失稳的原理。 由于井壁稳定受地应力因素和泥浆化学因素共同制约。利用力学分析井壁失稳 的机理。确定控制井壁失稳的合理钻井液密度范围，同通过对泥浆化学方面研究使 钻井液对岩
12、石强度的影响减小。 1 1.2 国内外井眼失稳技术研究现状国内外井眼失稳技术研究现状 1.2.1 国外研究状况国外研究状况 井壁力学稳定性研究就是首先确定地应力，然后采用符合实际的本构模型来计 算井眼周围的应力分布，再根据某种强度准则确定出理论坍塌压力，即确定保持井 壁稳定所需的钻井液密度的安全范围。基于这个观点，国外进行的大量的研究工作。 1943 年，Terzagni 提出了有效应力原理后，许多研究者对有效原理进行修正，并运 用到井壁稳定分析中以修正孔隙压力的影响。1944 年，H.M.Westergard 发表了第一 篇关于井壁稳定问题的正式文章。文章中，作者假设液柱压力为零和水平应力等
13、于 垂直应力的情况下，描述了直井周围弹-塑性井眼的应力分布情况。1955 年，Biot 提 出了多孔弹性介质理论，随后人们很快将该理论用于井壁稳定的研究中。1957 年， M.K.Hubbert 和 D.C.Willis 在 H.M.Westergard 理论的基础上，引入液柱压力和垂直应 力与两个大小不同的水平应力的作用2。1968 年，Fairhurst 应用线弹性模型，推导 了斜井、水平井的井周应力分布规律。1979 年，Bradley 在 Fairhurst 工作的基础上进 一步研究了井眼周围应力计算方法，并应用德鲁克-普拉格破坏准则评价岩石剪切破 坏，他认为地层都存在微裂隙，不能承受
14、拉伸载荷，地层的抗拉强度为零，并以此 为破坏准则，评价地层的拉伸破坏。利用这两个准则，Bradley 首次分析了应力引起 的井壁漏失和井壁坍塌破坏。 1980 年，Carroll 总结了以前的各种有效应力原理给出了统一的表达式：有效应 力等于总压应力减去有效应力常数 a 与孔隙流体压力之积，0al。1987 年，Aadony 考虑岩石各向异性对斜井井壁稳定性的影响，发展了一种半解析模型，并利用 Chenevert 教授在 1965 年关于层理方位对岩石力学特性影响的试验数据对各向异性 对井壁稳定性的影响进行了分析，但该模型只能计算井壁上的应力。另外，在模型 中没有考虑孔隙压力的影响3。1987
15、 年，Santarilli 应用广义虎克定律，假设弹性模 量依赖于最小应力，并且弹性模量和最小应力之间满足幂律模型，给出了均匀水平 地应力情况下，井周应力计算模型，并发现在特定条件下，最大切向应力在井筒周 围地层内部，不在井壁上4。1986 年，V.M.Maury，J.M.Sauzay 从两个方面阐述了井 壁稳定性的分析方法：从实例出发，指出了控制井壁稳定性的几个相互独立而又 相互联系的因素：水平主应力的大小、水平主应力的均匀性、岩石的变形特性、起 下钻影响、井眼周围应力、温度梯度引起的极大井壁应力；进行综合性理论分析， 长北气田水平井井眼失稳技术研究 2 以得出井眼周围的应力分布，并集中讨论
16、各种载荷作用下岩石的变形特征，从而可 以解释由于热应力和渗透压力引起的大多数井壁滞后失稳问题。文中指出：应用以 上分析方法，在解决现场实际钻井问题时收到满意的效果。1992-1998 年，在引入 Terzaghi 有效应力理论后，Yew.Li 以及 J-C.Roegiers 等人将地层视为孔隙弹性介质， 在 Bradley 研究成果的基础上，考虑流体进出地层等因素的影响，进一步研究了井壁 稳定性问题。2002 年，M.B.Dusseault 和 R.K.Bratli 等人进一步研究了非线弹性对井 周应力的影响，并指出线弹性模型对井壁应力的估计过高，过于保守。 近些年来，井壁力学稳定性研究取得了一定的进展，比如英荷壳牌研究公司用 致密的阿拉巴马石灰岩和印第安石灰岩进行空心筒试验，发现在井眼条件下，岩石 的初始损坏应力与井眼直径成反比。首先用定量的方法证明了在纯力学条件下，井 眼越大越容易失稳。挪威地质研究所研究了地应力对井眼稳定的影响，得出了三点 结论：轴向应力对井眼强度的影响很小；当水平应力小于垂直应力时，斜井的 稳定性随井斜角的增大而降低；在平行于最
