氣體鉆井井斜有限元巖石應(yīng)力分析

摘 要

摘要：氣體鉆井易井斜，鉆井施工主要通過調(diào)整鉆具組合和鉆井參數(shù)進(jìn)行軌跡控制，然而在高陡構(gòu)造地區(qū)，氣體鉆井井斜變化嚴(yán)重超出井身質(zhì)量控制要求，為后期作業(yè)帶來了嚴(yán)重影響。因此，氣體
摘要：氣體鉆井易井斜，鉆井施工主要通過調(diào)整鉆具組合和鉆井參數(shù)進(jìn)行軌跡控制，然而在高陡構(gòu)造地區(qū)，氣體鉆井井斜變化嚴(yán)重超出井身質(zhì)量控制要求，為后期作業(yè)帶來了嚴(yán)重影響。因此，氣體鉆井井斜變化必須考慮井筒中不同循環(huán)介質(zhì)的影響和井壁穩(wěn)定程度的影響，而現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，計(jì)算量大，不能真實(shí)地模擬井下鉆井的力學(xué)變化。為此，利用有限元理論，建立了實(shí)體三維力學(xué)模型，可以充分考慮井筒中不同循環(huán)介質(zhì)的影響和井壁穩(wěn)定性的影響進(jìn)行Von-Mises應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)地層應(yīng)力值的變化，可以直觀地分析出氣體鉆井井斜規(guī)律。通過對(duì)該模型力學(xué)計(jì)算結(jié)果的分析表明：在相同地層傾角和巖石強(qiáng)度下，氣體鉆井井斜幅度大于鉆井液鉆井的井斜幅度，井壁更不穩(wěn)定，鉆井時(shí)更易出現(xiàn)井眼擴(kuò)大現(xiàn)象；當(dāng)?shù)貙觾A角小于45°時(shí)，井斜具有上傾趨勢(shì)；地層傾角等于45°時(shí)，井斜趨勢(shì)不明顯；地層傾角大于45°時(shí)，井斜具有下傾趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：氣體鉆井；井斜；有限元巖石力學(xué)模型；巖石應(yīng)力；地層傾角
0 引言
氣體鉆井的機(jī)械鉆速數(shù)倍于鉆井液鉆井，其當(dāng)量密度一般為1.2kg/m3，當(dāng)液柱壓力小于地層壓力，可控地釋放地層巖石應(yīng)力，改變了巖石的圍壓以及由于圍壓的改變而使材料力學(xué)行為有一定的變化。當(dāng)鉆頭鉆開地層后，地層初始地應(yīng)力得到釋放，對(duì)井底巖石和井壁巖石都要產(chǎn)生影響。如果在鉆開地層后不考慮鉆頭的作用，井底巖石和井壁巖石就只受到地應(yīng)力的釋放所產(chǎn)生的作用。
1 有限元巖石應(yīng)力模型的建立
由于六面體單元具有良好的計(jì)算效率和收斂速度[1～2]，建立有限元計(jì)算模型結(jié)構(gòu)如圖1。
 

為了模擬3000m深處地層的巖石，建立一個(gè)直徑為D、高為H的圓柱體三維實(shí)體模型。由圖1中可見，三維模型中約束圓柱體實(shí)體模型的四周和底部，使實(shí)體不移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，有限元軟件計(jì)算為一個(gè)離散實(shí)體。在有限元軟件ANSYS中進(jìn)行批處理計(jì)算地層傾角為15°、30°、45°、60°和75°橫觀各向同性地層巖石應(yīng)力應(yīng)變。
2 參數(shù)設(shè)置
模型中設(shè)定巖石為彈塑性材料，具有比較短的硬化過程。各向同性巖石材料的力學(xué)參數(shù)有：楊氏彈性模量E=70GPa；泊松比為υ=0.25，密度為2000kg/m3。
地層巖石為正交各向異性彈塑性地層，在層面上巖石各向同性。以不同傾角地層巖石材料方向向量，定義巖石材料特性的各向異性和材料方向[3～5]。
3 井斜應(yīng)力分析
3.1 相同地層傾角井斜應(yīng)力分析
圖2中1、3區(qū)井底巖石被暴露出來后，地應(yīng)力釋放，產(chǎn)生新的應(yīng)力分布。由圖2中4區(qū)，氣體鉆井的1區(qū)井底巖石的應(yīng)力分布有向左面偏斜，即沿向垂直于傾斜面的方向偏斜，而對(duì)于鉆井液鉆井，偏斜趨勢(shì)不明顯。氣體鉆井中1區(qū)井底巖石相同等值線應(yīng)力區(qū)域面積較鉆井液鉆井的應(yīng)力區(qū)域面積更大。
 

從圖2中2、4區(qū)井壁巖石的應(yīng)力分布可見，井壁左側(cè)巖石的Von-Mises應(yīng)力值大于右側(cè)井壁巖石的應(yīng)力值，井壁巖石的應(yīng)力分布是不對(duì)稱的，沿傾斜面的更高一側(cè)井壁應(yīng)力值更大。氣體鉆井中井壁巖石在井底附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，Von-Mises應(yīng)力值最大為79MPa，而鉆井液鉆井在4區(qū)出現(xiàn)的井壁巖石應(yīng)力集中的Von-Mises應(yīng)力值約為70MPa。氣體鉆井在2區(qū)井壁巖石的應(yīng)力區(qū)域面積比鉆井液鉆井4區(qū)的等值應(yīng)力分布面積更大。由此可見，相同的巖層和巖石強(qiáng)度，氣體鉆井的井壁比鉆井液鉆井時(shí)更容易成塊掉落，形成坍塌型井眼，造成鉆柱力學(xué)變化，改變井斜規(guī)律。從圖3中還可以看出，氣體鉆井1區(qū)主應(yīng)力大于3區(qū)，說明氣體鉆井條件下機(jī)械鉆速高，破巖速度也快。氣體鉆井2區(qū)沿左側(cè)井壁巖石比沿右側(cè)井壁巖石具有更大的拉應(yīng)變，如果巖石出現(xiàn)裂縫，將最先在左側(cè)出現(xiàn)，而且較右側(cè)更大，巖石的破碎、跨塌將首先出現(xiàn)在左側(cè)。鉆井液鉆井出現(xiàn)相同趨勢(shì)的現(xiàn)象，但是井壁巖石有鉆井液的保護(hù)，使得4區(qū)井壁巖石的應(yīng)變小而且分布均勻，其井壁穩(wěn)定性好，在相同巖石情況下，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的坍塌型井眼，不會(huì)影響井斜的發(fā)展規(guī)律。由圖4可見，氣體鉆井1區(qū)井底巖石應(yīng)力分布向右面偏斜，即沿向平行于傾斜面的方向偏斜，而鉆井液鉆井的偏斜趨勢(shì)基本相同，但不明顯。氣體鉆井的井底巖石相同等值線應(yīng)力區(qū)域面積較鉆井液鉆井的應(yīng)力區(qū)域面積更大。由于氣體鉆井破巖效率較高，使井眼的傾斜幅度也產(chǎn)生了放大的作用，破壞巖石后形成的井眼有向右面偏斜的趨勢(shì)。
 

從井壁巖石的應(yīng)力分布可見，左側(cè)井壁巖石的Von-Mises應(yīng)力分布與右側(cè)井壁巖石的應(yīng)力分布差別較大，氣體鉆井2區(qū)井壁巖石出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大值為79MPa，比鉆井液鉆井4區(qū)井壁巖石應(yīng)力值大，而且等值應(yīng)力分布面積更大，由此可見，相同的巖層和巖石強(qiáng)度，氣體鉆井的井壁比鉆井液鉆井時(shí)更不穩(wěn)定，更容易出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象，鉆進(jìn)時(shí)更容易出現(xiàn)井眼擴(kuò)大，與15°傾斜地層有相同的趨勢(shì)和結(jié)果。
3.2 不同地層傾角井斜應(yīng)力分析
縱向分析不同傾角地層氣體鉆井的Von-Mises應(yīng)力變化趨勢(shì)，由圖3、圖4、圖5綜合分析可知：地層傾角從小到大，井壁巖石的應(yīng)力分布和等值線大小沒有明顯變化，應(yīng)力集中出現(xiàn)在井底附近的井壁上，然而各種地層的左側(cè)井壁巖石的應(yīng)力值都大于右側(cè)井壁巖石的應(yīng)力，那么左側(cè)出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定可能性更大。
 

井底巖石Von-Mises應(yīng)力分布存在明顯的不同，在傾角小于45°和大于60°的地層存在比較明顯的應(yīng)力分布趨勢(shì)。當(dāng)?shù)貙觾A角小于45°時(shí)，應(yīng)力分布偏向左側(cè)，鉆頭沿應(yīng)力分布發(fā)展方向的破碎效率和破碎量大，形成井眼軌跡偏向沿應(yīng)力分布方向，發(fā)生井斜，后續(xù)鉆井軌跡具有上傾趨勢(shì)；地層傾角大于60°地層時(shí)，應(yīng)力分布與小于45°地層的應(yīng)力分布相反，偏向平行于地層傾斜面的趨勢(shì)，即后續(xù)鉆井軌跡具有下傾趨勢(shì)。在45°～60°之間，分布不明顯。
縱向分析不同傾角地層鉆井液鉆井的Von-Mises應(yīng)力變化趨勢(shì)，由圖5和圖6綜合分析可知：鉆井液鉆井中，地層傾角從小到大，井壁巖石的應(yīng)力分布、井底應(yīng)力分布和等值線大小變化均不明顯。在沒有鉆具作用的情況下，鉆井液鉆井時(shí)的液柱壓力平衡了地應(yīng)力釋放的一部分或者全部應(yīng)力，沒有產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變。

橫向比較分析不同傾角地層氣體鉆井和鉆井液鉆井的Von-Mises應(yīng)力變化趨勢(shì)，由圖3、圖4、圖5、圖6綜合分析可見：氣體鉆井井壁巖石在井底附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，比鉆井液鉆井井壁巖石應(yīng)力值大，而且等值應(yīng)力分布面積更大，氣體鉆井比鉆井液鉆井更容易出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象。氣體鉆井井底巖石相同等值線應(yīng)力區(qū)域面積較鉆井液鉆井應(yīng)力區(qū)域更深，巖石破壞范圍要大于鉆井液鉆井的破壞范圍，大大提高了破壞巖石效率和鉆井速度。在相同條件下，如果井眼軌跡發(fā)生偏斜，由于氣體鉆井具有較好的破巖效率，產(chǎn)生井斜可能性和幅度都更大。
4 結(jié)論
通過上述對(duì)15°～75°地層傾角各向異性巖石的最大主應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力的分析得出如下結(jié)論：
1) 在氣體鉆井過程中，15°和30°傾角地層鉆井時(shí)井眼軌跡更易發(fā)生偏向垂直于地層傾斜面的方向，井斜具有上傾趨勢(shì)。
2) 45°傾角地層鉆井時(shí)井眼軌跡沒有明顯的方向偏斜，井斜趨勢(shì)不明顯。
3) 60°和75°傾角地層鉆井時(shí)井眼軌跡更易發(fā)生偏向平行于地層傾斜面的方向，井斜具有下傾趨勢(shì)。
4) 相同地層傾角和巖石強(qiáng)度下，氣體鉆井井斜幅度大于鉆井液鉆井井斜幅度，井壁更不穩(wěn)定，鉆井時(shí)更易出現(xiàn)井眼擴(kuò)大現(xiàn)象。
5) 氣體鉆井時(shí)，井底巖石受到拉應(yīng)力和主應(yīng)力的作用更容易破碎，造成井眼井斜的趨勢(shì)更嚴(yán)重。因此，在鉆井液鉆井中可能不出現(xiàn)井斜的地層在氣體鉆井中就有可能出現(xiàn)井斜現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)
[1] 蘇榮華，梁兵.結(jié)構(gòu)仿真分析——ANSYS應(yīng)用[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2005.
[2] 孟英峰，練章華，梁紅，等.氣體鉆水平井的攜巖CFD數(shù)值模擬研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(7)：50-52.
[3] 江進(jìn)國(guó).基于ANSYS軟件的鉆桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析[J].探礦工程，2003(增刊)：27-31.
[4] 聶榮國(guó)，石曉兵，劉鵬，等.偏軸鉆具組合防斜打快的強(qiáng)度分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(1)：82-84.
[5] 練章貴，卞萬(wàn)江，劉加元，等.油氣藏?cái)?shù)模前后處理軟件開發(fā)與應(yīng)用[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27(3)：34-36.
　
(本文作者：朱化蜀1 余瑞青1 廖忠會(huì)1 練章華2 徐曉玲3 1.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院；2.西南石油大學(xué)；3.中國(guó)石油青海油田天然氣開發(fā)公司)