基于Flac3D的井壁稳定性数值分析

张 笑(长江大学地球科学学学院，湖北 荆州434023）

李兰琴，梁玉纪(中石油长庆油分公司第一采油厂，陕西 延安716000）

井壁稳定性问题是指钻井过程中井壁的张性破裂(井漏）和剪切坍塌(井塌）问题，它是钻井中常遇到的井下复杂情况，严重地影响着钻井的速度、质量及成本，对部分新探区还会因井壁不稳定而无法达到目的层，延误勘探开发速度，影响其综合经济效益。因此，井壁稳定性问题一直以来都是钻井研究的热点问题之一。

评价井壁稳定的常用强度判别准则有很多，主要有线性Mohr-coulomb准则、Druck-Prager准则、非线性Pariseau准则和Hoek-Brown准则[1]。在这些准则中，Mohr-coulomb准则最常用，而且其预测结果也被认为最切合实际。Flac是美国Itasca公司开发的一种用于工程力学计算的有限差分程序，是近年来逐步完善起来的一种新型数值分析方法，它克服了离散元法的缺陷，吸取了有限元法的优点，适用于各种材料模型及边界条件的非规则区域连续问题的求解[2]。Flac3D软件采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。下面，笔者选用Mohr-coulomb准则和Flac3D软件，经本构模型-单元与网格生成-边界条件和初始条件-计算步骤来获得模型的初始平衡状态，即钻前地层应力状态，然后进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析，类似于Flac的显式有限差分程序的问题求解，进行一系列计算后达到问题的解——钻后井壁的缩径值。

1 地层模型的建立

以大港油田某口井的数据资料为例，该井井深共5350m，笔者只选取其中地面到地下深度2900m处建立有限元模型，进行数值模拟。首先建立一个10m×10m×2900m的地层模型，利用Flac3D建立模型如图1所示，各层的地层参数选择如表1所示。建立边界束缚条件，设定求解模型就可以计算出地层的初始应力状态。

2 初始地应力场的求解

所建模型的初始平衡状态就是设计井眼位置地层的初始应力场，也就是模拟开挖前的原岩应力状态。初始地应力场是在没有钻井之前，地层所处的一个稳定状态。笔者在求解初始地应力场时采用弹性本构模型。应用Flac3D得到不同深度上的应力值大小及范围。图2分别是z=0、-500、1000、-1500、-2000、-2500、-2900m时X方向和Y方向的初始地应力。

图1 初始地应力条件下的地层网格图

表1 2900m的岩性及数值模拟中各层参数的取值

3 建立井眼模型

Flac的求解时间t和网格的数目N有密切的关系，时间t与N4／3成正比，如果建模的网格数目过大，求解的时间非常长，所以笔者对于井眼模型只建模到地下1000m的井深。而地层的初始地应力，即为钻井之前整体的地层，建模到地下2500m的井深，算出的地应力已经用图的方式给出了。

图2 z=0、-500、-1000、-1500、-2000、-2500、-2900m时，X方向和Y方向的初始地应力

建立井眼模型参照的参数是如表2所示的钻头尺寸。可以看出在0m到1000m这个范围内，钻出的井眼直径是660．4mm和444．5mm，对于实际的井壁稳定性分析相差不大，所以统一取660．4mm的井眼尺寸，便于计算和建模。利用Flac建立的井眼模型如图3所示，其中soil-1为地层，soil-1-1为井眼，即被钻进的空间。

表2 模型尺寸参数

4 井壁稳定性分析

在分析井壁稳定性的时候，最直观的数据是井眼的变形，利用Flac计算了初始应力状态后，再进行钻进的计算，当钻后的地层达到一个新的稳定状态时，井眼的变形可以视为井壁稳定分析的一个指标。由于主旨是表现井眼的变化情况，因此笔者仅列出井深250m和500m处内的井眼变形情况。图4为井深250m处，井眼的尺寸变化为0．089m，即缩径0．089m；图5为井深500m处，井眼的尺寸变化为0．12m，即缩径0．12m。同样，可以得到任意深度的井眼变化数值，用以直观准确的表征研究位置的井壁稳定性。

通过计算可以看出，在500m处有发生缩进或是井壁坍塌的潜在危险，在钻进过程中要谨慎对待，这说明运用Flac3D对井眼稳定性进行分析具有可行性和明显的优越性，并且从定性的分析上升到了定量的分析，较为准确。

图3 井眼模型俯视图

图4 井深250m处井眼的尺寸变化

图5 井深500m处井眼的尺寸变化

5 结 语

笔者所用的软件是基于连续介质快速拉格朗日差分法，其主要的工作是建模、参数输入、计算。其中参数的确定是至关重要的，确定不同岩性的数值计算参数最方便、准确的方法是参数反演法[3]。首先，在钻井过程中，进行井径测井，得出随着井深变化的缩径的数据[4]。其次，根据测井资料，确定岩性分类[5]。最后，就是根据对应井深的缩径值，确定对应岩性的数值参数体积模量和剪切模量。这样就能对该井区其他井段进行钻前的数值分析，确保钻井的安全，快速。用Flac软件进行计算，可以更进一步将钻井液的液柱压力考虑进去，在建模的时候将钻杆、套管、固井水泥环也考虑进去，得出钻井、固井的整体受力分析和变形分析，更有助于指导钻井工程的进行。

[1]王桂华，徐同台 ．井壁稳定地质力学分析 [J]．钻采工艺，2005，28（2）：7-10．

[2]陈育民，徐鼎平．Flac基础与工程实例 [M]．北京：中国水利水电出版社，2009．

[3]石林，金衍，陈勉，等 ．山前构造地层地应力测试方法及其直井井壁稳定分析模型 [J]．江汉石油学院学报，2004，36（3）：52-54．

[4]刘向君 ．罗平亚 ．测井在井壁稳定性研究中的应用及发展 [J]．天然气工业，1999，19（6）：34-36．

[5]韩克宁 ．利用测井资料进行孔隙压力预测和井壁稳定性分析 [J]．科技信息，2008，12（3）：283-287．