不同岩石剪切破坏判据对井壁坍塌压力的影响分析

发布时间：2019-09-28 20:56

【摘要】：为了优选井壁坍塌压力预测的岩石强度准则,在综合评价M-C,MG-C和E.MG-C准则特点的基础上,结合孔弹性地层井周地应力,对保持井壁稳定的临界井底压力随方位角、井斜角的变化规律进行研究。结果表明:忽略中间主应力的M-C准则预测结果过于保守,线性MG-C准则得到了坍塌压力的最低值,考虑岩石高应力区非线性破坏特征的E.MG-C准则预测结果居中,但在高井斜角情况下,E.MG-C准则预测结果会小于MG-C的预测结果,反映出岩石非线性破坏特征对井壁坍塌压力的影响。不同地应力状态下,最佳井眼轨迹均位于最大和最小地应力平面内,且平行或偏向于最大地应力方向,原地应力分布状况和井眼的实际空间状态也在很大程度上决定了井眼的稳定性。该研究成果有利于为钻井工程设计、井眼轨迹优化提供更加精确和全面的建议。
【图文】：

储层为孔弹性介质，并考虑有效应力理论，采用考虑中间主应力影响的三维MG-C以及E.MG-C准则，预测了任意井斜角和井斜方位井眼的坍塌压力，并将预测结果与经典的M-C准则进行了对比，优选岩石强度准则，更加合理地确定安全钻井液密度窗口。2孔弹性地层井周应力井周地应力分布是井壁稳定分析的基础，深部地层受三大主地应力的作用，井周应力受地应力、井斜角和井眼方位角(井眼轴线的水平投影与最大水平地应力的夹角)的控制。当井眼方向偏离铅垂方向时，，需要进行坐标转换，将地应力转换到井眼坐标系下，坐标转换关系如图1所示。图1井眼坐标转换关系Fig.1Conversionofcoordinateschart假设地层为孔弹性均匀连续介质[12]，斜井井壁处应力分量：w00000w0000002()cos(2)4sin(2)[2()cos(2)4sin(2)]2(sincos)00rxyxyxyzzxyxyzxzyzrrzPP，，(1)式中：wP为井底液柱压力，r，，z，z分别为井周径向应力、周向应力、垂向应力和剪切应力；0x，0y，0z，000xyxzyz，，均为直角坐标系下井周应力分量。当井斜和方位一定时，井壁应力状态仅是的函数，不难看出，和z随变化的增减性一致，因此可在同一位置处取得最大值或最小值，令d/d0(2)求解式(2)可得10010012arctan2π12arctan22xyxyxyxy(3)井壁周向应力在1或2处取得极值。在确定井壁应力极值点后，把计算的应力与相应的强度准则对比，可判断井壁稳定与否。由于井壁稳定分析中采用的破坏准则大部分是以主应力来表示，因此，H()XX1Y1YXZZZ1v()XYh

者成线性关系，与中间主应力无关，而中间主应力必定对材料的失效存在一定的影响。实际上，自该准则建立以来，关于中间主应力对岩石强度的讨论从未停止。A.M.Al-Ajmi[6]提出了一种真三轴作用下的岩石破坏准则，即Mogi-Coulomb准则：oct22m2ab，(7)222oct1213321()()()3(8)式中：oct为八面体剪应力，1，2，3分别为最大主应力、中间主应力和最小主应力。MG-C准则在oct和m2，空间基本成线性关系，参数a为该直线在oct轴的截距，而参数b为该直线的斜率(见图2)。图2Mogi-Coulomb强度准则准则破坏包络线Fig.2Mogi-Coulombfailureenvelop线性的M-C和MG-C准则不适应描述膨胀岩体和蠕变岩体的强度特征，对低应力区和高应力区的岩石强度也不能给予很好的解释；大量的岩石强度试验证实，在高应力区，材料强度曲线为双曲线型。M.You[9]认为，非线性强度准则更能准确描述岩石的破坏机制，A.M.Al-Ajmi[6]在考虑了岩石强度非线性包络线和MG-C准则基础上提出了ExtendMogi-Coulomb(E.MG-C)准则：2oct33m23m2abc，，(9)式中：a3，b3为与岩石的黏聚力、内摩擦角有关的参数；3c为高应力区岩石强度曲线的非线性性质的参数，由岩石强度测试数据拟合得到。A.M.Al-Ajmi[6]基于大量岩石三轴实验数据对MG-C和E.MG-C强度准则进行了验证，结果表明这2种准则对岩石等脆性材料力学破坏特征的描述比传统的M-C准则更加精确，而E.MG-C准则不仅合理考虑了中间主应力的影响，还能够反应岩石在高应力环境中的非线性破坏特征。在此基础上，文中还证明了MG-C和E.MG-C准则中的参数可以直接根据假三轴实验数据拟合得到，在实验条件有限或缺乏岩石真三轴应力条件下岩石强度
【作者单位】： 西南石油大学石油与天然气工程学院;
【基金】：国家自然科学基金石油化工联合基金重点支持项目(U1262209);国家自然科学基金资助项目(51274172) 四川省应用基础研究计划项目(2014JY0092)~~
【分类号】：TE21

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本文编号：2543493