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井壁稳定性评价准则分析

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断 块 油 气 田 2012年3月 第19卷第2期 I’AUI 一BL0CK 0II &GAS FIET D 文章编号:1005—8907(2012)02—0244-05 井壁稳定性评价准则分析 冯永存,邓金根,李晓蓉,蔚宝华 (中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京102249) 基金项目:国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“煤层气钻井工程技术及装备研制”(2008ZX05036) 摘 要 井壁坍塌失稳大多由于井周岩石的剪切破坏造成,而剪切破坏准则的选择是井壁稳定性预测的关键因素。通常使 用的Mohr—Coulomb准则和Drucker—Prager准则都存在明显的缺点,致使井壁稳定性预测结果不准确 于是,引进了一种新 的破坏准则——M0 一Coulomb准则 该准则较为合理地考虑了中间主应力对岩石强度的影响,使强度预测结果更加准确。 为验证其优势.利用岩石真三轴试验数据对3种准则的强度预测结果进行了对比分析。结果表明:在真三轴应力状态下, Mogi—Coulomb准则预测岩石强度的精度要高于Mohr—Coulomb准则和Drucker—Prager准则,且具有表达简单、使用方便、预 测结果准确等优点。因此,建议推广使用Mogi—Coulomb准则预测井壁稳定性。 关键词 破坏准则:Mogi—Coulomb准则:中间主应力:真三轴试验数据:井壁稳定性 中图分类号:TE21 文献标志码:A Analysis of failure criterions on wellbore stability prediction Feng Yongcu ̄Deng Jingen,Li Xiaorong,Wei Baohua (MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China) Abstract:Wellbore collapse is mostly caused by the shear failure of the rock around borehole.One of the key considerations on wellbore stability prediction is the choice of shear failure criterion.The commonly used Mohr-Coulomb and Drucker-Prager failure criterions have obvious shortcomings,which leads to the unrealistic predicting results.Therefore,a new failure criterion,Mogi— Coulomb criterion,is introduced in this paper.The advantage of this criterion is that it properly evaluates the effect of intermediate principal stress on rock strength,thus it has more accurate prediction result.In order to present its advantage,the prediction results of rock strength predicted by the three criterions above are compared based on true triaxial test data.The results indicate that,under true triaxial stress state,it is more precise to predicate rock strength using the Mogi—Coulomb criterion rather than using the Mohr- Coulomb and Drucker-Prager failure criterions.In view of the advantages of the Mogi—Coulomb criterion,such as simple expression, easy to use and high prediction accuracy,it is highly recommended to use the shear failure criterion in the analysis of future wellbore stability. Key words:failure criterion;Mogi—Coulomb failure criterion;intermediate principal stress;true triaxial test data;wellbore stability 钻井过程中,井壁失稳问题严重制约着钻井速度, 并造成了巨大的经济损失l1]。统计表明,全球每年由井 壁失稳造成的经济损失超过1亿美元,甚至可能高达 l0亿美元l2- 。钻井实际中,经常遇到的一类井壁失稳 问题是脆性地层中的井壁坍塌l4]。井壁坍塌一般为剪 切破坏[5],可以通过井周应力分析结合适当的剪切破 坏准则进行预测。而破坏准则的选取是井壁稳定性预 测的关键,国内外学者提出了很多不同的破坏准则,但 大多存在明显的不足之处,令钻井工程师难以选择。 Mohr.Coulomb(M.C)准则是最简单,也是最常用的准 则。该准则忽略了中间主应力or 对岩石强度的影响, 然而很多学者通过试验证明,在很多情况下这一影响 不能忽略 。Drucker—Prager(D—P)准则考虑了中间主 应力 的影响,但是学者们认为该准则预测的岩石强 度过高 。 。近年来,Al—A-jmi和Zimmerman提 利 收稿日期:2011-08.20;改回日期:2012—0l—l3。 作者简介:冯永存,男,1986年生,在读硕士研究生,2009年毕业 于中国石油大学(北京)石油_T程专业,主要从事石油]_程岩石力 学研究。电话:(010)89733911-18,E—mail:yongcun_feng@163.COrn。 第19卷第2期 冯永存,等.井壁稳定性评价准则分析 用Mogi—Coulomb(MG.C)准则分析脆性地层的井壁稳 定性l j。 ,但很少有学者对该准则预测岩石强度的准 确性进行研究。 为选择出最能反映钻井实际中脆性地层破坏行为 的强度准则,根据调研到的前人所作的真 轴试验数 据,对3种准则预测岩石强度的准确性进行了对比,为 井壁稳定性预测中破坏准则的选取提供了理论依据。 1岩石剪切破坏准则 岩石剪切破坏准则按其数学表达形式,可分为线 性准则和非线性准则;按其是否考虑巾间主应力 的 影响,町分为未考虑or 影响的“常规三轴”(或“拟三 轴”)准则和考虑 影响的“真三轴”准则。 M—C准则是一种线性、“拟三轴”准则,可用最大剪 应力 一与有效平均正应力Or :的关系来表示: r =n+6 .2 (1) 其中 r一=Or,U二 3 rOm2= ,二 a=cCOS西 b=sin西 式中:7-~为岩石所受最大剪应力,MPa;-0m 为有效平 均正应力,MPa;a,b为材料常数;C为岩石黏聚力, MPa; 为岩石内摩擦角,。;-0 为最大主应力,MPa; 为最小主应力,MPa。 D.P准则是一种线性、“真三轴”准则,可用八面体 剪应力7. 与八面体正应力 的关系来表示: 丁 =m+kor (2) 其中 : ( 广 2) +(or2一 3) +( 3一 1) j 一 式巾:.r 为八面体剪应力,MPa;Or 为八面体正应力, MPa;m,k为材料常数,可由Tqrt-0" 平面内直线的截距 和斜率求得。 Mogi[171通过试验,一方面证明了中间主应力O 的 确对岩石强度有一定影响.剪切破坏准则中不能忽略 rO 对剪切强度的影响;另一方面,还证明了脆性岩石 剪切破坏时,破裂面走向总是与0- 的方向相同。因此, Mogi认为作用在剪切破坏面上的应力是有效平均正 应力0- n,而不是八面体正应力Or…但这并不等同于 -02对岩石强度没有影响。于是.提出了考虑中间主应 力Or2影响的Mogi准则: <r, .2) (3) 式中:厂为一个单调递增函数.可以是线性函数,也可以 是非线性函数。 Al—Aimi和Zimmerman L 建议采用Mogi准则的线 性形式分析岩石破坏行为.并将线性Mogi准则称为 Mogi.Coulomb(MG—C)准则,表达式为 "r ̄=p+qor .2 (4) 式中:P,q为材料常数。 2破坏准则对比 实际情况中,井壁围岩应力状态通常为真三轴应 力状态(or,>Or > )。但是在实验室中,由于设备的限 制,一般只能通过常规三轴试验(Or >or =or )来研究岩 石的破坏。这样做的假设是,常规 轴试验结果可以代 表实际情况中岩石的破坏行为。通常的做法是:先利用 常规二三轴试验数据对破坏准则进行拟合。再用拟合好 的准则来预测真三轴应力状态下的岩石强度。通过以 下步骤对上述3种准则的预测精度进行对比: 1)利用常规j轴试验数据,分别在7-…. ,T(x,t-"0 和T ̄rt-0"m 2平面内绘m M—C,D.P和MG—C准则的拟合 曲线。 2)利用真三轴实测数 , , ,根据拟合曲线,计 算出 和r 的理论值(预测值) 和 。 3)利用真j轴实测数 。, , ,根据表达式T,mx ̄ (Orl—Or3)/2和 n=x/(or1一or2) +( 2一or3)。+(ro3一or1) /3,计 算出 r…和 的试验值(实际值) r 一和 r 。 4)将真三轴试验数据叠加到各个平面上,观察它 们与拟合曲线的吻合情况。  l I5)计算预测相对误差R (%):R x 丁D  I l100%,或R_- 二【 ×100%。相对误差越小,说明 r"㈣t 预测精度越高。 由于现有试验设备难以满足真三轴试验的要求, 本文利用的真三轴试验数据均是调研前人的试验结 果。文献[12]和『18]中统计了大量白1970年以来,学 者们所做的真三轴试验数据。笔者选择了KTB角闪 岩、Dunham白云岩、Solenhofen石灰岩、Shirahama砂 岩、Yuubari页岩和Westerly花岗岩6组试验数据。 表1给出了M.C.D.P和MG.C准则在6组岩石 中的常规三轴试验数据拟合方程,同时给出了预测相 对误差R 的平均值。可以看出,M.C准则对6组岩石 的预测误差大致在5.2%~7.8%:D—P准则的预测误差 较大,基本在10.0%以上:MG—C准则的预测误差值最 小,且相对稳定,大致在2.9%~4.3%。 断 块 油 气 田 表1 3种准则的拟合公式及预测相对误差 图1—3为3种破坏准则常规三轴试验数据拟合 曲线与真三轴试验数据的对比图,由于6组岩石的对 比规律大致相同,这里只给出Shirahama砂岩的对比。 Gr 2/MPa 图3 MG.C准则拟合曲线与真三轴试验数据对比 由图3可以看出,MG.C准则拟合曲线与真三轴 2/MPa 试验数据基本一致,既不像M.C准则低估了岩石强 度,也不像D P准则高估了岩石强度。 图1 M.C准则拟合曲线与真三轴试验数据对比 由图1可以看出,M—C准则拟合曲线位于真三轴 试验数据的下方,说明该准则低估了岩石强度,并且随 O- 的增大,试验值7 一更加偏离理论值7 。 3讨论 地应力是影响井壁稳定性最为关键的因素之一。 通常情况下,地应力是非均匀的。在油气钻井所涉及的 地层深度内.水平最小地应力与上覆岩层压力之比 ( )通常为0.3~1.5;水平最大地应力和水平最小地 应力之比(cr./o-h)通常为1.0-2.0[19-20]。可见,井周岩石 在未钻开之前就处于真三轴应力状态(or >gr >tr,)下。 另外,井眼钻开导致井周出现应力集中,加剧了井周应 力的非均匀性。因此,很多学者认为,在分析井壁稳定 性时,尤其是在地应力非均匀性较大的地区,中间主应 力 的影响不能忽略。 地应力非均匀性较大时,M C准则是不可取的,因 为它忽略了 的影响,低估了岩石强度,计算的地层 图2 D P准则拟合曲线与真三轴试验数据对比 坍塌压力过高,降低了钻井信心。而D—P准则虽然考虑 了 ,的影响,但它用八面体正应力 代替了有效平 由图2可以看出,D.P准则拟合曲线位于真三轴 试验数据的上方,且偏离较大,说明该准则过高地估计 了岩石强度。 均正应力r, ,导致岩石预测强度过高,计算的坍塌压 力太低,不具有实际参考意义。Mogi通过试验发现,岩 第l9卷第2期 冯永存,等.井壁稳定性评价 则分析 247 石在剪切破坏前的屈服才是 的函数,因此,他认为 D—P准则只是一种屈服准则,把它当成剪切破坏准则 来用不太合理。由于MG—C准则在预测岩石真三轴强 度方面比M—C和D—P准则准确得多,因此有理由认为 在实际情况下。尤其是地应力非均匀性较强时,MG—C 准则是这3种准则中的首选。 以下讨论常规应力状态(or,> 2=or )时MG—C准则 与M—C准则的关系。此时,MG—C准则(式(4))退化为 罕( _,J号( ㈤对比式(5)和M—C准则(式(1))可以看出,当 := r, 时,两准则都仅是or 和 ,的方程,如果取 p= …s咖 (6) g= 咖 那么,or =r, 时,两准则的形式完全一致,MG—C准 则退化为M—C准则。因此.可以认为MG—C准则是M— C准则从常规三轴应力状态向真三轴应力状态的推 广,后者只是前者的一种特殊情况。 观察式(6),MG.C准则中的系数P,q与M—C准则 中的参数C, 直接相关。这一关系是在常规三轴应力 状态下对比得出的。大量试验证实:在常规三轴应力状 态下,M.C准则能很好地反映岩石的剪切破坏情况。所 以,此时采用式(6)计算P,q是可行的。那么在真三轴 应力状态下,是否仍然可以利用式(6)计算系数P,q 呢?为此首先利用常规三轴试验数据,根据M—C准则 计算出C,西,然后利用式(6)计算出P,q,代入MG.C准 则预测真三轴应力状态下的岩石强度.预测结果与表 3中的结果极为相近。因此不论在何种应力状态下,式 (6)都是成立的。 2个准则的系数相关这一特点给MG—C准则的使 用提供了极大方便。由于试验设备的。通常只能进 行常规二三轴试验。但有了式(6)所表示的系数相关关 系,可以利用常规三轴试验数据直接对MG.C准则进 行拟合;还可以先根据常规三轴试验数据确定M.c准 则中的参数c, ,然后根据式(6)确定MG—C准则中的 系数P,q。更重要的一点是,可以利用测井资料确定连 续地层段上的c,西值 ,进而根据式(6)确定P,q,得 到整个地层段上的MG—C准则,从而对地层强度进行 连续预测 4建议 近年来,A1.ajimi和Zimmerman等人开始利用 MG—C准则建立井壁稳定性预测模型,并在澳大利亚 的Wanaea油田、印度尼西亚的Pagerungan岛气田、英 国的Cyrus油田及阿拉伯湾等地区进行了实际应用, 均取得了令人满意的效果 而国内迄今为止还未见有 使用MG—C准则预测井壁稳定性的报道,鉴于M.C准 则和D—P准则存在的诸多缺点,以及国外成功使用 MG C准则预测井壁稳定性的范例,建议国内推广使 用MG—C准则预测脆性地层的井壁坍塌失稳。 5结论 1)中间主应力or 对岩石强度有一定影响,尤其在 地应力非均匀性较强的地区,r,,对井壁稳定性的影响 不能忽略。 2)M—C准则没有考虑or 对岩石强度的影响,低估 了岩石强度,井壁稳定性预测结果过于保守:D.P准则 用八面体正应力or 代替了有效平均正应力or 导致 岩石预测强度过高,井壁稳定性预测结果过于乐观。 3)MG—C准则适当地考虑了or 对岩石强度的影 响,岩石强度预测精度比M—C准则和D—P准则高得 多,特别适合在地应力非均匀性较强的地区使用。在常 规三轴应力状态下MG—C准则退化为M—C准则,可以 看成MG—C准则是由常规应力状态向真三轴应力状态 的延伸。MG—C准则表达简单,并且它的系数与M—C准 则中参数的C, 有简单的相关关系,极大地方便了该 准则的使用。 参 考 文 献 [1j杨振杰,李家芬,苏长明,等.井壁加固技术研究进展[J].断块油气 田,20H08,l5(3):99—102. 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