地應力場對井眼破裂壓力的影響規(guī)律研究

胡益濤

（中法渤海地質(zhì)服務有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

井眼破裂壓力是石油鉆井中重要的基礎數(shù)據(jù)，選擇合理的井筒壓力是保證安全快速鉆井的重要因素[1，2]。不同地質(zhì)環(huán)境中存在不同類型的地應力場，而不同的地應力場中鉆井井眼破裂壓力具有顯著的差異[3]。因此，充分認識地應力場對破裂壓力的影響規(guī)律，對于合理選擇鉆井過程中的井筒壓力，保證鉆井安全具有重要的理論意義。基于此，本文根據(jù)巖石力學理論，計算了正斷層作用應力區(qū)域、逆斷層作用力應力區(qū)域以及走滑斷層作用應力區(qū)域三種不同地應力場中的破裂壓力，分析了破裂壓力在不同地應力場中隨井斜角、方位角的變化規(guī)律，為不同地應力場中鉆進不同井眼軌跡的井眼提供理論指導。

1 地應力場

地應力是由于地質(zhì)構造運動、地下熱交換等因素在漫長地質(zhì)年代中形成的內(nèi)應力。地應力的大小可通過主應力張量表示[4]：

式中：σH、σh、σv分別為水平最大地應力、水平最小地應力、上覆地應力。

根據(jù)斷層類型和形態(tài)可判斷構造區(qū)域內(nèi)地應力的相對大小和方向[5，6]（見圖1）：（1）正斷層作用應力區(qū)域：σv＞σH＞σh，水平最大地應力方向與斷層走向平行；（2）走滑斷層作用應力區(qū)域：σH＞σv＞σh，水平最大地應力方向與斷層走向存在一定夾角；（3）逆斷層作用應力區(qū)域：σH＞σh＞σv，水平最小地應力方向與斷層走向平行。

圖1 斷層類型與地應力相對大小和方向的關系

2 任意井眼破裂壓力計算模型

2.1 井周應力狀態(tài)

井眼鉆開后，產(chǎn)生應力集中，井筒受三向原位地應力和鉆井液液柱壓力的共同作用。通過坐標轉(zhuǎn)換可得到原位地應力在定向井坐標系中的表示形式[7]：

式中：σv、σH、σh-上覆地應力、水平最大和最小地應力，MPa；α-井斜角；β-井眼方位與 σH方位的夾角；σxx、σyy、σzz、σxy、σxz、σyz-笛卡爾坐標系中的井周應力分量。

對上述各地應力分量及鉆井液液柱壓力在井周引起的應力進行疊加，得到定向井井周應力分布為式（3）。

2.2 井眼破裂判斷準則

井眼破裂主要是由于井筒內(nèi)壓力過高，導致井周應力超過地層強度產(chǎn)生拉伸破壞造成的。通常采用拉伸破壞準則判斷井眼是否產(chǎn)生破裂[8]：

式中：σθ、σr、σz-井眼柱坐標系下的切向應力、徑向應力和垂向應力；σrθ、σθz、σzr-井眼柱坐標系下的剪應力；Pi-井筒內(nèi)壓力；μ-泊松比；θ-井周角；R-井眼半徑；r-地層內(nèi)任一點到井眼中心的距離。

式中：σ3-井周最小主應力，MPa；St-抗拉強度，MPa。

2.3 破裂壓力計算方法

由式（3）可知，井周最小主應力出現(xiàn)在井壁上，即R=r處。根據(jù)彈性力學理論，可得到井壁上任一點的最小主應力：

其中：

將公式（5）代入公式（4），通過迭代計算即可得到任意井眼的破裂壓力。

3 地應力場對井眼破裂壓力的影響規(guī)律

計算參數(shù)：地層深度3 000 m，水平最大地應力方位N30°E，巖石抗拉強度5 MPa，泊松比0.2，有效應力系數(shù)0.8，孔隙壓力30 MPa。為了研究地應力場對井眼破裂壓力的影響規(guī)律，取表1中三種不同斷層作用應力區(qū)域中的地應力參數(shù)分別計算了破裂壓力。

3.1 正斷層

表1 不同斷層作用應力區(qū)域地應力計算參數(shù)表

正斷層作用應力區(qū)域鉆進的任意井眼破裂壓力（見圖2）。圖中徑向代表井斜角，周向代表井眼方位角，顏色代表破裂壓力的數(shù)值，紅色代表破裂壓力最大，藍色代表破裂壓力最小。根據(jù)計算結(jié)果可知，在正斷層作用應力區(qū)域，垂直于水平最大地應力方位鉆大斜度井（井眼方位角為N120°E，井斜角大于60°）破裂壓力最高，鉆井過程中井眼破裂的風險最小；平行于水平最大地應力方位鉆大斜度井（井眼方位角為N30°E，井斜角大于60°）破裂壓力最低，鉆井過程中井眼破裂的風險最大。

圖2 正斷層作用應力區(qū)域任意井眼破裂壓力

3.2 走滑斷層

走滑斷層作用應力區(qū)域鉆進的任意井眼破裂壓力（見圖3）。根據(jù)計算結(jié)果可知，在走滑斷層作用應力區(qū)域，當井眼方位角為 N80°～160°E，且井斜角大于 75°破裂壓力最高，鉆井過程中井眼破裂的風險最?。划斁苯堑陀?0°時破裂壓力最低，鉆井過程中井眼破裂的風險最大。

圖3 走滑斷層作用應力區(qū)域任意井眼破裂壓力

3.3 逆斷層

逆斷層作用應力區(qū)域鉆進的任意井眼破裂壓力（見圖4）。根據(jù)計算結(jié)果可知，在逆斷層作用應力區(qū)域，平行于水平最大地應力方位鉆小斜度井（井眼方位角為N30°E，井斜角小于45°）破裂壓力最高，鉆井過程中井眼破裂的風險最?。淮怪庇谒阶畲蟮貞Ψ轿汇@大斜度井（井眼方位角為N120°E，井斜角大于60°）破裂壓力最低，鉆井過程中井眼破裂的風險最大。

圖4 逆斷層作用應力區(qū)域任意井眼破裂壓力

4 結(jié)論

（1）地應力場不同，井眼破裂壓力隨井眼軌跡的變化呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，現(xiàn)場應當根據(jù)實際地應力環(huán)境優(yōu)化井眼軌跡，降低井眼破裂風險。

（2）正斷層條件下，沿垂直于水平最大地應力方位鉆大斜度井破裂壓力最高，平行于水平最大地應力方位鉆大斜度井破裂壓力最低；走滑斷層條件下，沿垂直于水平最大地應力方位鉆大斜度井破裂壓力最高，平行于水平最大地應力方位鉆小斜度井破裂壓力最低；逆斷層條件下，平行于水平最大地應力方位鉆小斜度井破裂壓力最高，垂直于水平最大地應力方位鉆大斜度井破裂壓力最低。