鱼骨状分支水平井井壁稳定性分析

李文飞

( 胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东 257017)

鱼骨状分支水平井能够大幅提高煤层气产量，对于煤层气的高效开发具有重要作用，是一种极具发展潜力的技术，将成为“智能井”发展内容的重要组成部分。但同时该技术也面临着一些新的挑战，其中主井眼与分支井眼的连接井段失效是一个严重问题，会导致井眼报废，如果井眼连接井段的地层发生坍塌，则分支井眼中套管变形会挤入主井眼，造成主井和分支井无法再进入的严重问题，因此为了保证分支井钻井作业和完井作业的成功进行，有必要开展井眼连接井段井壁稳定性的研究分析。

1 分支井连接井段几何模型

主井眼半径和分支井眼半径满足关系式，假设主井眼的横截面是圆形，并在水平井段进行侧钻。在分支井井眼连接井段以上适用圆形井眼模型，当开始侧钻时，两个井眼的水平投影图如图1 ( a) ，随着分支井眼的向外钻进，分支井眼逐渐脱离主井眼，在这个过渡井段为如图1 ( b) 的井眼模型，当刚开始完全脱离主井眼时为如图1 ( c) 的模型，当井眼连接井段分成两个井眼后微图1 ( d) 的双毗邻井眼模型，然后随着井深的增加，两井眼逐渐分开，可以视为两个独立的井眼，分支井连接井段的立体图如图2。

图1 主井眼与分支井眼关系投影图

2 连接井段模型

2.1 基本假设

(1) 岩石为理想弹塑性材料，即在弹性范围内为各向同性线弹体，当应力达到屈服强度时就开始发生破坏;

(2) 不考虑岩石和钻井液的物理化学作用而引起的力学性质变化;

(3) 不考虑温度变化对井壁力学性能的影响，及无温度应力的影响;

图2 分支井眼和主井眼连接段立体图

(4) 钻井液造壁性很好，钻井液不侵入到岩石中，泥饼无强度;

(5) 当井壁一点处应力达到破坏准则时，井眼即发生破坏;

(6) 不考虑分支连接处裂缝影响。

2.2 力学模型和网格模型的建立

根据岩石力学理论，当工程开挖释放载荷作用在岩体某一部位时，对周围岩体应力及位移有明显影响的范围约是开挖或结构与岩体作用面轮廓尺寸的2．5 ～3 倍，在此范围之外影响甚小，可忽略不计。考虑到有限元离散误差和计算误差，保证必要的计算精度，研究计算时取井眼周围长宽为lm，即为井眼直径的5 倍以上; 但考虑到分支井连接段的特殊性，立体模型的宽度和厚度取为2m; 考虑到连接段较长，两个井眼分开一定距离后，应力是相互影响的，因此沿井眼深度方向长度取10 ～30m( 根据曲率半径的不同选择长度，半径增大，模型的长度加大，可减少运算量并保证计算精度) 。设模型井眼直径0．2159m，分井眼直径0．1397m，分支井眼和主井眼中心连线和最小水平主应力夹角为θ，水平地应力为σx、σy，垂向地应力为σz，Pm为井眼内压力，分析时改变各种参数，模拟分支井连接井段的应力分布状况和地层岩石的破坏情况。

2.3 基本数据

在地层没有钻井之前，岩石介质就只受到原地应力地作用，通常认为原地应力的主应力方向分别是沿着垂直方向和水平方向，同时有最大和最小水平主应力之分，生产实践和现场实测表明，在地下一定深度，这符合绝大多数情况下的地应力实际情况。基本地层岩石力学参数( 表l) 。

表1 模型分析基本参数

在分析过程中变化分支井眼半径 ( 50m ～250m) 、分支造斜方位夹角( 84° ～92°) 等参数，研究井眼周围的应力分布及连接井段的破坏规律，根据莫尔库伦准则进行判断，分析临界点应力及离开分支出口的距离( 破坏深度) ，因为这个距离直接决定了完井方式的选择和完井能否获得好的机械支撑。

3 结果分析

通过模拟分析，改变不同的井眼参数，研究分支井连接井段的井壁稳定性变化规律( 图3 ～图5) 。

图3 破坏深度随方位夹角变化规律

从图3 中可以看出，在保持其他参数不变的前提下，随着分支井眼方向和地层最小水平主应力方向夹角( 方位夹角) 的增大，破坏深度是逐渐减小的; 而随着造斜半径的增加，破坏深度是增大的。当方位夹角为90°时，破坏深度变化范围较小，且当造斜半径较大时，破坏深度在1 ～1．5m之间，表明在这个方向钻井时，分支井眼连接井段比较稳定安全。

图4 破坏深度随分支出口井斜角变化规律

从图4 中可以看出，随着分支井眼钻出主井眼时两井眼之间垂向剖面的夹角( 分支井眼井斜角)的增大，破坏深度逐渐减小; 随着方位夹角的增加，破坏深度的降低程度变缓，当分支井眼井斜角是90°时，破坏深度的降低程度显著。

图5 破坏宽度随方位夹角变化规律

如图5 所示，随着方位夹角的增大，分支井眼钻出主井眼后两井眼垂直剖面图上破坏深度对应的两个井眼水平距离随之减小，随着造斜半径的增加，破坏宽度减小，但减小的幅度逐渐变小; 同时，不同造斜半径下破坏宽度值差距不大; 当方位夹角为90°时，破坏宽度值最小，这也说明在这个方向钻井井眼之间的破坏是最低也是最稳定的。

4 结论

(1) 在保持其他参数不变的前提下，随着分支井眼方向和地层最小水平主应力方向夹角( 方位夹角) 的增大，破坏深度是逐渐减小的; 而随着造斜半径的增加，破坏深度是增大的;

(2) 随着分支井眼钻出主井眼时两井眼之间垂向剖面的夹角( 分支井眼井斜角) 的增大，破坏深度逐渐减小; 随着方位夹角的增加，破坏深度的降低程度变缓，特别是在最小水平主应力方向，破坏深度的降低程度显著;

(3) 当主井眼与分支井眼方位夹角接近90°时，井眼连接井段破坏宽度值最小，表明在这个方向钻进时，对分支井眼造成的破坏最低，即井眼连接井段是最稳定的。

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