鶴崗煤田煤層氣井井壁穩(wěn)定性研究

1、鶴崗煤田煤層氣井井壁穩(wěn)定性研究摘要：煤層氣井近井壁的裂紋受到地應(yīng)力和裂紋應(yīng)力的雙重影響，極易擴(kuò)展失穩(wěn)造成井壁坍塌。文章利用斷裂力學(xué)方法，考慮煤層氣井井壁的特殊失穩(wěn)機(jī)理，分析了裂紋的類型和尖端應(yīng)力場等因素，求解直井近井壁張開型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，建立了煤層氣井井壁穩(wěn)定評價模型。應(yīng)用該模型結(jié)合鶴煤1井的實際情況確定了該井煤層段的合理的鉆井液密度窗口。關(guān)鍵詞：煤層氣井；應(yīng)力強(qiáng)度因子；井壁穩(wěn)定；近井壁裂紋；尖端應(yīng)力場中圖分類號：td823文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a文章編號：1009-2374（2012）01-0140-03煤巖的機(jī)械強(qiáng)度低，存在著互相垂直的天然裂紋，均質(zhì)性差，導(dǎo)致煤層段井壁極不穩(wěn)定，在鉆井過程中極

2、易發(fā)生井壁坍塌、井漏、卡鉆等井下事故。由于煤層的井壁失穩(wěn)機(jī)理異常復(fù)雜，導(dǎo)致常規(guī)的井壁穩(wěn)定理論無法適用于煤層氣井的井壁穩(wěn)定機(jī)理。目前對煤層氣井井壁失穩(wěn)的研究還無法滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要，無法正確評估煤層氣井井壁穩(wěn)定。本文利用斷裂力學(xué)的方法，考慮煤層氣井井壁的特殊失穩(wěn)機(jī)理，分析了裂紋的類型和尖端應(yīng)力場，求解直井近井壁張開型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，建立了煤層氣井井壁穩(wěn)定評價模型。一、煤層氣井失穩(wěn)機(jī)理目前對井壁穩(wěn)定的研究主要從巖石力學(xué)角度進(jìn)行開展。然而對于煤層，巖石力學(xué)方法不再適用，主要體現(xiàn)在：（1）通過常規(guī)方法無法確定煤巖的內(nèi)聚強(qiáng)度，由于煤巖存在天然裂縫，導(dǎo)致煤巖的強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)；（2）煤巖受到很低的載荷

3、時，裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂縫擴(kuò)展也會導(dǎo)致煤層失穩(wěn)；針對煤層的特點，本文利用斷裂力學(xué)的方法來分析煤層的失穩(wěn)問題。依據(jù)斷裂力學(xué)分析，巖石作為一種典型含有缺陷的脆性材料，其破壞過程實質(zhì)就是微裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展及貫通的過程。當(dāng)鉆遇煤層時，一方面圍巖的地應(yīng)力將重新分布，使得近井壁應(yīng)力集中；另一方面彌散分布的微裂紋表面受到的應(yīng)力也將重新分布，裂紋尖端將出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)井壁應(yīng)力超過圍巖的強(qiáng)度時，井壁圍巖破壞，進(jìn)而使得井壁失穩(wěn)；當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力超過巖石的斷裂韌度時，裂紋會擴(kuò)展失穩(wěn)，達(dá)到一定條件時造成井壁失穩(wěn)坍塌。在上述兩種失穩(wěn)現(xiàn)象中，若占主導(dǎo)地位的是圍巖的強(qiáng)度破壞，可用彈塑性理論推導(dǎo)的強(qiáng)度準(zhǔn)則來判斷井壁失穩(wěn)；若是

4、裂紋失穩(wěn)則需要用斷裂力學(xué)的理論來解決。鑒于煤層中存在大量微小的正交割理組，割理一旦張開或延展就會相互溝通，極易造成井壁坍塌。因此假設(shè)：只要裂紋開始擴(kuò)展，就視為裂紋已破壞，從而造成煤層氣井井壁失穩(wěn)。二、近井壁裂紋的類型和尖端應(yīng)力場斷裂力學(xué)將材料中存在的裂紋分為三個基本型式如圖1所示，i型為張開型，裂紋面上點的位移與裂紋面垂直，由于法向位移造成裂縫上下表面張開；ii型為滑開型，質(zhì)點位移平行于裂紋面，但與裂縫前緣垂直，由于切向位移引起上下表面滑開；iii型為撕開型，質(zhì)點位移平行于裂縫面，同時也與裂紋前緣相平行。在煤層中近井壁附近的裂紋大多是i型或ii型裂紋，統(tǒng)稱為壓剪型裂紋。在求解裂紋的尖端應(yīng)力場時

5、，通常假定裂紋為一長軸橢圓如圖2所示。以橢圓中心為原點，軸沿著長軸方向、軸沿著短軸方向構(gòu)建裂紋處的局部坐標(biāo)，則壓剪型裂紋尖端的應(yīng)力場可以表示為：（1）式中：和分別為裂紋尖端附近點的極徑和極角；、和分別為正應(yīng)力和剪應(yīng)力分量，；為1型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，與受力狀態(tài)、裂紋形狀和位置有關(guān)，。三、直井近井壁裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解在裂紋尖端附近的區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度因子成正比，應(yīng)力強(qiáng)度因子越大表明裂紋尖端的應(yīng)力越集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子代表了裂紋尖端受載和變形強(qiáng)度，是裂紋擴(kuò)展趨勢或裂紋擴(kuò)展推動力的度量。對裂紋尖端附近應(yīng)力場的分析和求解，可以歸結(jié)為求解其應(yīng)力強(qiáng)度因子。計算直井近井壁裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，假設(shè)：（1）裂紋在垂直于井眼軸線的的截面上；（2）假定裂紋為貫穿性裂紋。假定存在任一裂紋長為，設(shè)，