地應力場對井眼破裂壓力的影響規律研究

胡益濤

（中法渤海地質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據，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]。不同地質環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?；诖?，本文根據巖石力學理論，計算了正斷層作用應力區域、逆斷層作用力應力區域以及走滑斷層作用應力區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

地應力是由于地質構造運動、地下熱交換等因素在漫長地質年代中形成的內應力。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。

根據斷層類型和形態可判斷構造區域內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

井眼鉆開后，產生應力集中，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壓力過高，導致井周應力超過地層強度產生拉伸破壞造成的。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-井筒內壓力；μ-泊松比；θ-井周角；R-井眼半徑；r-地層內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在井壁上，即R=r處。根據彈性力學理論，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律

計算參數：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律，取表1中三種不同斷層作用應力區域中的地應力參數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域地應力計算參數表

正斷層作用應力區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值，紅色代表破裂壓力最大，藍色代表破裂壓力最小。根據計算結果可知，在正斷層作用應力區域，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??；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 正斷層作用應力區域任意井眼破裂壓力

3.2 走滑斷層

走滑斷層作用應力區域鉆進的任意井眼破裂壓力（見圖3）。根據計算結果可知，在走滑斷層作用應力區域，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??；當井斜角低于30°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域任意井眼破裂壓力

3.3 逆斷層

逆斷層作用應力區域鉆進的任意井眼破裂壓力（見圖4）。根據計算結果可知，在逆斷層作用應力區域，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??；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 逆斷層作用應力區域任意井眼破裂壓力

4 結論

（1）地應力場不同，井眼破裂壓力隨井眼軌跡的變化呈現出不同的變化規律，現場應當根據實際地應力環境優化井眼軌跡，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。