基于ABAQUS的井壁强化数值模拟研究

宋丁丁，邱正松，王灿，刘均一，王强，钟汉毅，赵欣

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司，天津300457）



基于ABAQUS的井壁强化数值模拟研究

宋丁丁1，邱正松1，王灿2，刘均一1，王强2，钟汉毅1，赵欣1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司，天津300457）

宋丁丁等.基于ABAQUS的井壁强化数值模拟研究[J].钻井液与完井液，2016，33（3）：15-19.

摘要近年来，井壁强化技术已成为国外钻井工程中提高地层承压能力的重要手段。以ABAQUS软件为平台，建立二维井壁强化模型，通过数值模拟方法探讨了井壁强化作用机理及影响因素。结果表明，封堵材料在裂缝中架桥后，挤压两侧地层，使井周应力增加，且在低角度（0～30°）范围内，周应力增量最大；周应力重新分布后，地层破裂压力提高，且易破裂点的位置发生偏移；在一定裂缝开度范围内，裂缝开度越大，表明对裂缝两侧地层挤压越严重，强化井壁的效果越明显。地应力各向异性、封堵架桥位置及井眼压力对周应力影响较大，应力各向异性越严重，井眼压力越大，架桥后周应力增量越大；封堵材料在距离井壁越近的位置架桥，在一定范围内强化井壁的效果越明显，随着架桥位置逐渐靠近缝尖，强化井壁的作用逐渐减弱。

关键词井壁强化；地层承压能力；数值模拟；井周应力；裂缝开度

钻进裂缝发育地层、衰竭油气层及弱胶结地层等复杂地层时，由于地层承压能力低，钻井液安全密度窗口窄，易造成井漏、井壁失稳等井下复杂情况。井漏一旦发生，不仅增加非生产时间，而且易损害储层，甚至引起井塌、井喷等井下复杂事故，严重影响了油气资源的勘探开发进程，造成巨大的经济损失[1-3]。为防止地层漏失，近年来国外率先开发出井壁强化技术，该技术主要通过封堵材料随钻井液进入并支撑、封堵地层诱导裂缝或预存裂缝，从而提高地层承压能力。目前，该技术已逐渐成为国外提高地层承压能力，拓宽钻井液安全密度窗口的重要手段之一[4-5]。根据作用原理的不同，井壁强化技术主要包括“应力笼”法、 “裂缝闭合应力”法和“裂缝延伸强度”法等[6-8]。虽然井壁强化技术已成功应用于现场，但其作用机理及影响因素尚不明确[9-10]。为此，基于 “应力笼”法的基本原理，采用ABAQUS软件建立二维井壁强化模型，探讨井壁强化提高地层承压能力的作用机理及影响因素。

1　“应力笼”理论

“应力笼”法是一种通过改变近井壁应力状态，提高地层破裂压力或裂缝重开启压力的方法。如图1所示，“应力笼”理论[5，11]认为，当井眼压力大于地层破裂压力或裂缝重开启压力时，地层产生诱导裂缝或预存裂缝重新张开，钻井液中固相颗粒进入裂缝，并在裂缝开口端迅速架桥、聚集、填充形成人工桥塞，有效阻缓井筒流体向裂缝尖端传递。同时，裂缝内流体在压差作用下不断向地层扩散，导致“裂缝隔离区”趋于闭合，裂缝闭合应力作用于人工桥塞上，此时若所形成的人工桥塞强度足够大[12]，能有效支撑裂缝并保持一定开度，则对井周地层造成挤压作用，产生附加应力场，从而达到增加井周应力提高地层承压能力的目的。

图1　“应力笼”原理示意图

2　井壁强化模型

ABAQUS为解决线性和非线性近井壁应力分析问题的常用有限元软件[13]，以“应力笼”理论为基础，基于ABAQUS软件建立数值模型，对比分析了地层起裂、裂缝扩展及封堵材料在裂缝中架桥后，近井壁应力状态及裂缝开度的变化，并探讨了地应力各向异性、井眼压力及封堵架桥位置等因素对井壁强化效果的影响，研究结果对现场井壁强化技术的应用具有一定的指导意义。

1）模型基本假设。对于直井，由于沿井轴方向的垂向应变远小于井眼长度，故可简化为轴对称平面应变问题。假设地层岩石为均质、各向同性的线弹性变形体，主要受井眼压力Pw、最大水平主应力SH和最小水平主应力Sh作用，如图2所示。

图2　二维几何模型

建立了无裂缝模型和有裂缝模型，无裂缝模型用于确定地层破裂压力，有裂缝模型用于模拟钻井液侵入诱导裂缝或预存裂缝后的扩展行为，及封堵材料在裂缝中的架桥作用。通过无裂缝模型与有裂缝模型的模拟，即可分析钻井液中封堵材料进入裂缝并改变近井壁应力状态的行为，即“应力笼”效应。

2）边界条件。由于模型具有对称性，取几何模型的1/2进行研究。如图3（a）所示，在模型左侧y轴方向施加对称边界条件（XSYMM），并设定模型右侧中间节点在y方向上的位移自由度为0，以确保模型在空间中不随意移动。利用ABAQUS软件中的tie约束，将2个1/4井筒模型绑定在一起，未绑定部分构成裂缝，裂缝区域在载荷作用下可张开和闭合，用于模拟地层裂缝扩展，如图3（b）所示。由于“应力笼”法对裂缝尺寸有一定要求，基于前人研究结果，该模型设定裂缝长度为152.4 mm[14]。模型采用二阶平面应变单元，基本参数如表1所示。

图3　初始条件

表1　模型基本参数

3　结果与分析

3.1地层起裂、裂缝扩展及封堵材料架桥

1）确定地层破裂压力。在无裂缝模型中，施加相等的水平主应力（SH=Sh），且井眼压力Pw=0，此时井眼处于压应力集中状态。如图4（a）应力云图所示，在柱坐标系下，井壁上各点的周应力相等，且幅值最大，约为41.4 MPa。若不考虑岩石抗拉强度，当井眼压力与井壁周应力相等（即Pw=41.4 MPa），此时井壁上各点的周应力都为0，表明地层处于临界破裂状态，如图4（b）所示。

2）裂缝扩展及架桥。在有裂缝的模型中，将与井眼压力相等的缝内压力（Pfrac=41.4 MPa）作用于裂缝表面上，模拟钻井液侵入裂缝并引起扩展，如图5（a）所示。设定裂缝表面不同位置节点的位移自由度为0，且裂缝隔离区压力与初始孔隙压力相等（P0=20.7 MPa），则可模拟封堵材料在裂缝中的架桥作用，如图5（b）所示。

图4　井眼压力为0 MPa（左）和41.4 MPa（右）下井周应力分布

图5　裂缝扩展（左）及架桥后（右）井周应力分布（变形放大10倍）

3.2影响因素分析

井壁强化效果与近井壁应力状态密切相关，通过改变模型边界及载荷，模拟地应力各向异性、封堵架桥位置及井眼压力等因素对井周应力及裂缝开度的影响。规定如下：裂缝所在直线的水平角为0°，且逆时针逐渐增大到90°，如图6所示。曲线图中，拉应力为“-”，压应力为“+”。

图6　1/4井眼模拟示意图

1）地应力各向异性影响。为模拟地层各向异性复杂应力状态，该模型固定Sh不变，改变SH使其分别等于Sh、2Sh和3Sh，分析应力各向异性对井周应力及裂缝形态的影响规律，结果如图7所示。

图7　不同应力各向异性下井周应力分布

由图7可知，与无裂缝时井周应力相比，裂缝扩展及封堵材料架桥后，近井壁周向应力得到大幅提升，且0～30°范围内应力增量最大；与裂缝扩展时相比，架桥后井壁上远离裂缝区域（50～90°）的井周应力没有提升或略有下降；应力各向异性越严重（SH=3Sh），近井壁地层的周向应力增量越大。由图7架桥后曲线可知，井周应力重新分布，地层破裂压力得以提高，易破裂点的位置发生偏移。

由图8可知，裂缝扩展及架桥后，应力各向异性越大，裂缝开度越大。裂缝扩展和架桥时，开口端处裂缝开度近乎相等，表明封堵材料所形成的桥塞能有效支撑井壁，替代缝内流体对井壁的压实作用；裂缝隔离区由于缝内压力降低，导致裂缝开度减小。架桥后裂缝维持的开度越大，表明该区域挤压地层越严重，附加周应力越大，强化井壁效果越明显，与图7模拟结果一致，即应力各向异性影响井壁强化效果。

图8　不同应力各向异性下裂缝开度

（2）架桥位置影响。该模型通过修改裂缝内节点的边界条件，模拟封堵材料在距离井壁12.7、25.4、50.8、76.2 mm处的架桥支撑作用，从而分析架桥位置对井壁强化作用的影响。其中，裂缝内桥塞前端压力与井眼压力相同。

从图9可以看出，不同位置架桥后，井壁周向应力都显著增加，且12.7 mm处架桥井周应力增量最大。随着架桥位置逐渐靠近裂缝尖端，井壁周向应力增量逐渐变小。在50.8和76.2 mm处架桥时，井周应力变化已经非常小。结果表明，在裂缝中距离井壁较近位置处架桥时，强化井壁效果最明显，随架桥位置逐渐靠近缝尖，强化井壁效果越来越弱。

图9　不同位置架桥下井周应力分布

如图10所示，与裂缝扩展时相比，架桥后裂缝隔离区开度明显降低。不同位置架桥后，近缝口端开度略有不同，且12.7 mm处架桥时维持的开度最大。模拟结果表明，在距离井壁较近位置架桥后，能保持较大开度，对井壁挤压效果更明显，强化井壁效果最好。

图10　不同位置架桥下裂缝开度

（3）井眼压力影响。若地层中预存裂缝，裂缝重新张开所需的压力低于地层破裂压力。为模拟低井眼压力下裂缝重开启的行为，该模型将井眼压力由41.4 MPa（2Sh）分别降为31.1MPa（1.5Sh）和20.7 MPa（Sh），分析井眼压力对井壁强化效果的影响。如图11所示，降低井眼压力后，近井壁地层周应力整体变化趋势与Pw=41.4 MPa时近乎相同，在低角度范围内（0～30°）应力增量明显。随井眼压力降低，裂缝扩展及架桥后，井周应力明显降低，强化井壁效果减弱。

图11　不同井眼压力下井周应力分布

图12可知，与Pw=41.4 MPa时相比，井眼压力较低时，裂缝开度较小。较低的井眼压力导致进入裂缝内的流体压力较低，对裂缝两侧地层挤压程度较弱，维持裂缝开度较小。因此，对于裂缝发育地层，在钻进过程中井眼压力较低时，对近井壁地层压实作用弱，导致强化井壁的作用效果不明显。

图12　不同井眼压力下裂缝开度

4　结论

1.基于“应力笼”理论，采用ABAQUS有限元软件建立二维井壁强化模型，模拟地层起裂、裂缝扩展及封堵材料在裂缝中的架桥作用，并分析了应力各向异性、架桥位置、井眼压力等因素对近井壁应力状态的影响规律。

2.数值模拟结果表明，封堵材料在裂缝中架桥后，挤压两侧地层，使井周应力增加，且在低角度（0～3·0·）范围内，周应力增量最大。周应力重新分布后，地层破裂压力提高，且易破裂点的位置发生偏移。在一定裂缝开度范围内，裂缝开度越大，表明对裂缝两侧地层挤压越严重，强化井壁的效果越明显。

3.地应力各向异性、封堵架桥位置及井眼压力对周应力影响较大，在一定范围内，应力各向异性越严重，井眼压力越大，架桥后周应力增量越大；封堵材料在距离井壁越近的位置架桥，强化井壁的效果越明显，随着架桥位置逐渐靠近缝尖，强化井壁的作用逐渐减弱。

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Numerical Simulation of Borehole Wall Strengthening Using ABAQUA

SONG Dingding1, QIU Zhengsong1, WANG Can2, LIU Junyi1, WANG Qiang1, ZHONG Hanyi1, ZHAO Xin1
(1.School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580; 2.Drilling Fluids Technology Service Company, BHDC, Tianjin 300457)

AbstractThe borehole wall strengthening technology has in recent years been becoming an important means of enhancing the compressive strength of formations all over the world. This paper discusses a two-dimensional model for borehole wall strengthening based on the software ABAQUS, and the working mechanism of and factors affecting borehole wall strengthening through numerical simulation. It has been found that plugging materials, after bridging the fractures in the formations, laterally press the formations on both sides, increasing the peripheral stresses of the borehole which have the maximum increase between the lower angles of 0° and 30°. After the redistribution of the peripheral stresses, the fracture pressure of the formation is increased, and the easy-to-fracture point is deviated from its original position. In certain fracture openings, the wider the fractures, the more severe the lateral formations are pressed, and hence the better the strengthening of the borehole wall. Anisotropy of geo-stresses, positions of the bridging by plugging agents and borehole pressures all play important roles in affecting the peripheral stresses. The more severe the anisotropy, and the higher the borehole pressure, the higher the peripheral stress increments after bridging. Bridging spots of the plugging agents that are much closer to the borehole wall mean better strengthening effects; with the bridging spots moving towards the apexes of the fractures, the borehole wall strengthening dies away.

Key wordsBorehole wall strengthening; Compressive capacity of formation; Numerical simulation; Peripheral stress of borehole; Fracture opening

中图分类号：TE283

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）03-0015-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.003

基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）项目“深水油气井完井与测试优化方法”（2015CB251205）；国家自然基金项目“海洋深水浅层井壁稳定与水合物抑制的机理和新方法研究”（51474236）；“海洋油气井钻完井理论与工程”教育部创新团队（IRT_14R58）。

第一作者简介：宋丁丁，1989年生，中国石油大学（华东）油气井工程专业在读硕士研究生，主要从事钻井液技术研究工作。E-mail：sddupc@126.com。通讯作者：邱正松，E-mail：qiuzs63@sina.com。

收稿日期（2016-4-9；HGF=1603F10；编辑付玥颖）