氣體鉆井井斜有限元巖石應力分析

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)進行軌跡控制，然而在高陡構造地區(qū)，氣體鉆井井斜變化嚴重超出井身質(zhì)量控制要求，為后期作業(yè)帶來了嚴重影響。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)進行軌跡控制，然而在高陡構造地區(qū)，氣體鉆井井斜變化嚴重超出井身質(zhì)量控制要求，為后期作業(yè)帶來了嚴重影響。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)學模型復雜，計算量大，不能真實地模擬井下鉆井的力學變化。為此，利用有限元理論，建立了實體三維力學模型，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)定性的影響進行Von-Mises應力計算，根據(jù)地層應力值的變化，可以直觀地分析出氣體鉆井井斜規(guī)律。通過對該模型力學計算結果的分析表明：在相同地層傾角和巖石強度下，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，鉆井時更易出現(xiàn)井眼擴大現(xiàn)象；當?shù)貙觾A角小于45°時，井斜具有上傾趨勢；地層傾角等于45°時，井斜趨勢不明顯；地層傾角大于45°時，井斜具有下傾趨勢。
關鍵詞：氣體鉆井；井斜；有限元巖石力學模型；巖石應力；地層傾角
0 引言
氣體鉆井的機械鉆速數(shù)倍于鉆井液鉆井，其當量密度一般為1.2kg/m3，當液柱壓力小于地層壓力，可控地釋放地層巖石應力，改變了巖石的圍壓以及由于圍壓的改變而使材料力學行為有一定的變化。當鉆頭鉆開地層后，地層初始地應力得到釋放，對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力的釋放所產(chǎn)生的作用。
1 有限元巖石應力模型的建立
由于六面體單元具有良好的計算效率和收斂速度[1～2]，建立有限元計算模型結構如圖1。
 

為了模擬3000m深處地層的巖石，建立一個直徑為D、高為H的圓柱體三維實體模型。由圖1中可見，三維模型中約束圓柱體實體模型的四周和底部，使實體不移動和轉動，有限元軟件計算為一個離散實體。在有限元軟件ANSYS中進行批處理計算地層傾角為15°、30°、45°、60°和75°橫觀各向同性地層巖石應力應變。
2 參數(shù)設置
模型中設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 井斜應力分析
3.1 相同地層傾角井斜應力分析
圖2中1、3區(qū)井底巖石被暴露出來后，地應力釋放，產(chǎn)生新的應力分布。由圖2中4區(qū)，氣體鉆井的1區(qū)井底巖石的應力分布有向左面偏斜，即沿向垂直于傾斜面的方向偏斜，而對于鉆井液鉆井，偏斜趨勢不明顯。氣體鉆井中1區(qū)井底巖石相同等值線應力區(qū)域面積較鉆井液鉆井的應力區(qū)域面積更大。
 

從圖2中2、4區(qū)井壁巖石的應力分布可見，井壁左側巖石的Von-Mises應力值大于右側井壁巖石的應力值，井壁巖石的應力分布是不對稱的，沿傾斜面的更高一側井壁應力值更大。氣體鉆井中井壁巖石在井底附近出現(xiàn)明顯的應力集中，Von-Mises應力值最大為79MPa，而鉆井液鉆井在4區(qū)出現(xiàn)的井壁巖石應力集中的Von-Mises應力值約為70MPa。氣體鉆井在2區(qū)井壁巖石的應力區(qū)域面積比鉆井液鉆井4區(qū)的等值應力分布面積更大。由此可見，相同的巖層和巖石強度，氣體鉆井的井壁比鉆井液鉆井時更容易成塊掉落，形成坍塌型井眼，造成鉆柱力學變化，改變井斜規(guī)律。從圖3中還可以看出，氣體鉆井1區(qū)主應力大于3區(qū)，說明氣體鉆井條件下機械鉆速高，破巖速度也快。氣體鉆井2區(qū)沿左側井壁巖石比沿右側井壁巖石具有更大的拉應變，如果巖石出現(xiàn)裂縫，將最先在左側出現(xiàn)，而且較右側更大，巖石的破碎、跨塌將首先出現(xiàn)在左側。鉆井液鉆井出現(xiàn)相同趨勢的現(xiàn)象，但是井壁巖石有鉆井液的保護，使得4區(qū)井壁巖石的應變小而且分布均勻，其井壁穩(wěn)定性好，在相同巖石情況下，不會出現(xiàn)嚴重的坍塌型井眼，不會影響井斜的發(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基本相同，但不明顯。氣體鉆井的井底巖石相同等值線應力區(qū)域面積較鉆井液鉆井的應力區(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。
 

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

井底巖石Von-Mises應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力分布趨勢。當?shù)貙觾A角小于45°時，應力分布偏向左側，鉆頭沿應力分布發(fā)展方向的破碎效率和破碎量大，形成井眼軌跡偏向沿應力分布方向，發(fā)生井斜，后續(xù)鉆井軌跡具有上傾趨勢；地層傾角大于60°地層時，應力分布與小于45°地層的應力分布相反，偏向平行于地層傾斜面的趨勢，即后續(xù)鉆井軌跡具有下傾趨勢。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應力變化趨勢，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，井壁巖石的應力分布、井底應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，鉆井液鉆井時的液柱壓力平衡了地應力釋放的一部分或者全部應力，沒有產(chǎn)生較大的應力應變。

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應力變化趨勢，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)應力集中，比鉆井液鉆井井壁巖石應力值大，而且等值應力分布面積更大，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力區(qū)域面積較鉆井液鉆井應力區(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 結論
通過上述對15°～75°地層傾角各向異性巖石的最大主應力和Von-Mises應力的分析得出如下結論：
1) 在氣體鉆井過程中，15°和30°傾角地層鉆井時井眼軌跡更易發(fā)生偏向垂直于地層傾斜面的方向，井斜具有上傾趨勢。
2) 45°傾角地層鉆井時井眼軌跡沒有明顯的方向偏斜，井斜趨勢不明顯。
3) 60°和75°傾角地層鉆井時井眼軌跡更易發(fā)生偏向平行于地層傾斜面的方向，井斜具有下傾趨勢。
4) 相同地層傾角和巖石強度下，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，鉆井時更易出現(xiàn)井眼擴大現(xiàn)象。
5) 氣體鉆井時，井底巖石受到拉應力和主應力的作用更容易破碎，造成井眼井斜的趨勢更嚴重。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。
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(本文作者：朱化蜀1 余瑞青1 廖忠會1 練章華2 徐曉玲3 1.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院；2.西南石油大學；3.中國石油青海油田天然氣開發(fā)公司)