气体钻井井斜有限元岩石应力分析_工程实践

摘要

摘要：气体钻井易井斜，钻井施工主要通过调整钻具组合和钻井参数进行轨迹控制，然而在高陡构造地区，气体钻井井斜变化严重超出井身质量控制要求，为后期作业带来了严重影响。因此，气体

摘要：气体钻井易井斜，钻井施工主要通过调整钻具组合和钻井参数进行轨迹控制，然而在高陡构造地区，气体钻井井斜变化严重超出井身质量控制要求，为后期作业带来了严重影响。因此，气体钻井井斜变化必须考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定程度的影响，而现有的数学模型复杂，计算量大，不能真实地模拟井下钻井的力学变化。为此，利用有限元理论，建立了实体三维力学模型，可以充分考虑井筒中不同循环介质的影响和井壁稳定性的影响进行Von-Mises应力计算，根据地层应力值的变化，可以直观地分析出气体钻井井斜规律。通过对该模型力学计算结果的分析表明：在相同地层倾角和岩石强度下，气体钻井井斜幅度大于钻井液钻井的井斜幅度，井壁更不稳定，钻井时更易出现井眼扩大现象；当地层倾角小于45°时，井斜具有上倾趋势；地层倾角等于45°时，井斜趋势不明显；地层倾角大于45°时，井斜具有下倾趋势。

关键词：气体钻井；井斜；有限元岩石力学模型；岩石应力；地层倾角

0 引言

气体钻井的机械钻速数倍于钻井液钻井，其当量密度一般为1.2kg/m³，当液柱压力小于地层压力，可控地释放地层岩石应力，改变了岩石的围压以及由于围压的改变而使材料力学行为有一定的变化。当钻头钻开地层后，地层初始地应力得到释放，对井底岩石和井壁岩石都要产生影响。如果在钻开地层后不考虑钻头的作用，井底岩石和井壁岩石就只受到地应力的释放所产生的作用。

1 有限元岩石应力模型的建立

由于六面体单元具有良好的计算效率和收敛速度^[1～2]，建立有限元计算模型结构如图1。

为了模拟3000m深处地层的岩石，建立一个直径为D、高为H的圆柱体三维实体模型。由图1中可见，三维模型中约束圆柱体实体模型的四周和底部，使实体不移动和转动，有限元软件计算为一个离散实体。在有限元软件ANSYS中进行批处理计算地层倾角为15°、30°、45°、60°和75°横观各向同性地层岩石应力应变。

2 参数设置

模型中设定岩石为弹塑性材料，具有比较短的硬化过程。各向同性岩石材料的力学参数有：杨氏弹性模量E=70GPa；泊松比为υ=0.25，密度为2000kg/m³。

地层岩石为正交各向异性弹塑性地层，在层面上岩石各向同性。以不同倾角地层岩石材料方向向量，定义岩石材料特性的各向异性和材料方向^[3～5]。

3 井斜应力分析

3.1 相同地层倾角井斜应力分析

图2中1、3区井底岩石被暴露出来后，地应力释放，产生新的应力分布。由图2中4区，气体钻井的1区井底岩石的应力分布有向左面偏斜，即沿向垂直于倾斜面的方向偏斜，而对于钻井液钻井，偏斜趋势不明显。气体钻井中1区井底岩石相同等值线应力区域面积较钻井液钻井的应力区域面积更大。

从图2中2、4区井壁岩石的应力分布可见，井壁左侧岩石的Von-Mises应力值大于右侧井壁岩石的应力值，井壁岩石的应力分布是不对称的，沿倾斜面的更高一侧井壁应力值更大。气体钻井中井壁岩石在井底附近出现明显的应力集中，Von-Mises应力值最大为79MPa，而钻井液钻井在4区出现的井壁岩石应力集中的Von-Mises应力值约为70MPa。气体钻井在2区井壁岩石的应力区域面积比钻井液钻井4区的等值应力分布面积更大。由此可见，相同的岩层和岩石强度，气体钻井的井壁比钻井液钻井时更容易成块掉落，形成坍塌型井眼，造成钻柱力学变化，改变井斜规律。从图3中还可以看出，气体钻井1区主应力大于3区，说明气体钻井条件下机械钻速高，破岩速度也快。气体钻井2区沿左侧井壁岩石比沿右侧井壁岩石具有更大的拉应变，如果岩石出现裂缝，将最先在左侧出现，而且较右侧更大，岩石的破碎、跨塌将首先出现在左侧。钻井液钻井出现相同趋势的现象，但是井壁岩石有钻井液的保护，使得4区井壁岩石的应变小而且分布均匀，其井壁稳定性好，在相同岩石情况下，不会出现严重的坍塌型井眼，不会影响井斜的发展规律。由图4可见，气体钻井1区井底岩石应力分布向右面偏斜，即沿向平行于倾斜面的方向偏斜，而钻井液钻井的偏斜趋势基本相同，但不明显。气体钻井的井底岩石相同等值线应力区域面积较钻井液钻井的应力区域面积更大。由于气体钻井破岩效率较高，使井眼的倾斜幅度也产生了放大的作用，破坏岩石后形成的井眼有向右面偏斜的趋势。

从井壁岩石的应力分布可见，左侧井壁岩石的Von-Mises应力分布与右侧井壁岩石的应力分布差别较大，气体钻井2区井壁岩石出现应力集中，最大值为79MPa，比钻井液钻井4区井壁岩石应力值大，而且等值应力分布面积更大，由此可见，相同的岩层和岩石强度，气体钻井的井壁比钻井液钻井时更不稳定，更容易出现井壁不稳定现象，钻进时更容易出现井眼扩大，与15°倾斜地层有相同的趋势和结果。

3.2 不同地层倾角井斜应力分析

纵向分析不同倾角地层气体钻井的Von-Mises应力变化趋势，由图3、图4、图5综合分析可知：地层倾角从小到大，井壁岩石的应力分布和等值线大小没有明显变化，应力集中出现在井底附近的井壁上，然而各种地层的左侧井壁岩石的应力值都大于右侧井壁岩石的应力，那么左侧出现井壁不稳定可能性更大。

井底岩石Von-Mises应力分布存在明显的不同，在倾角小于45°和大于60°的地层存在比较明显的应力分布趋势。当地层倾角小于45°时，应力分布偏向左侧，钻头沿应力分布发展方向的破碎效率和破碎量大，形成井眼轨迹偏向沿应力分布方向，发生井斜，后续钻井轨迹具有上倾趋势；地层倾角大于60°地层时，应力分布与小于45°地层的应力分布相反，偏向平行于地层倾斜面的趋势，即后续钻井轨迹具有下倾趋势。在45°～60°之间，分布不明显。

纵向分析不同倾角地层钻井液钻井的Von-Mises应力变化趋势，由图5和图6综合分析可知：钻井液钻井中，地层倾角从小到大，井壁岩石的应力分布、井底应力分布和等值线大小变化均不明显。在没有钻具作用的情况下，钻井液钻井时的液柱压力平衡了地应力释放的一部分或者全部应力，没有产生较大的应力应变。

横向比较分析不同倾角地层气体钻井和钻井液钻井的Von-Mises应力变化趋势，由图3、图4、图5、图6综合分析可见：气体钻井井壁岩石在井底附近出现应力集中，比钻井液钻井井壁岩石应力值大，而且等值应力分布面积更大，气体钻井比钻井液钻井更容易出现井壁不稳定现象。气体钻井井底岩石相同等值线应力区域面积较钻井液钻井应力区域更深，岩石破坏范围要大于钻井液钻井的破坏范围，大大提高了破坏岩石效率和钻井速度。在相同条件下，如果井眼轨迹发生偏斜，由于气体钻井具有较好的破岩效率，产生井斜可能性和幅度都更大。

4 结论

通过上述对15°～75°地层倾角各向异性岩石的最大主应力和Von-Mises应力的分析得出如下结论：

1) 在气体钻井过程中，15°和30°倾角地层钻井时井眼轨迹更易发生偏向垂直于地层倾斜面的方向，井斜具有上倾趋势。

2) 45°倾角地层钻井时井眼轨迹没有明显的方向偏斜，井斜趋势不明显。

3) 60°和75°倾角地层钻井时井眼轨迹更易发生偏向平行于地层倾斜面的方向，井斜具有下倾趋势。

4) 相同地层倾角和岩石强度下，气体钻井井斜幅度大于钻井液钻井井斜幅度，井壁更不稳定，钻井时更易出现井眼扩大现象。

5) 气体钻井时，井底岩石受到拉应力和主应力的作用更容易破碎，造成井眼井斜的趋势更严重。因此，在钻井液钻井中可能不出现井斜的地层在气体钻井中就有可能出现井斜现象。

参考文献

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