高滲透率地層中非圓形井孔穩(wěn)定性的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)方法研究

1、高滲透率地層中非圓形井筒穩(wěn)定性的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)方法研究摘 要近年來，人們研究了一種基于非圓形井筒鉆井的創(chuàng)新型鉆井方法，該法尤其針對(duì)那種沿井軸存在凹槽的井。這些槽預(yù)計(jì)可以改善井內(nèi)的液壓系統(tǒng)和井眼凈化度。最近，人們對(duì)高滲透率地層中的水平螺旋井的井筒穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。他們發(fā)現(xiàn)在非圓形井筒周圍的一些地方出現(xiàn)了拉伸破裂現(xiàn)象，這在常規(guī)的井（圓形井筒）中是不常出現(xiàn)的。在專門的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)用一塊截面為非圓形井孔的混凝土來定性地證實(shí)了通過有限元法獲得的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。在這次實(shí)驗(yàn)中很清晰地觀察到了上述那種不常見的破裂模式。在同樣的測(cè)試中也觀察到了傳統(tǒng)的伸張模式，但是其規(guī)模更小。在不同的鉆井條件下也實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬，包

2、括陸上和海上鉆井，深度從1000米到2000米，具有正常的和不正常的孔隙壓力。井筒始終無法承受拉力除非利用鉆井液給予其一個(gè)相當(dāng)大的過平衡量。同樣的結(jié)果在具有靜水孔隙壓力、逐漸增高孔隙壓力（超壓力）或逐漸降低孔隙壓力（負(fù)壓力、衰竭油氣藏）的地層中也可以獲得。這些結(jié)論對(duì)于非圓形井筒井的實(shí)際應(yīng)用非常重要。關(guān)鍵詞：鉆井，非圓形井筒，井筒穩(wěn)定性，有限元法，數(shù)值模擬，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)1簡(jiǎn)介隨著油氣藏深度的逐漸增加，需要可以使鉆井更安全、成本更劃算以及更環(huán)保的新的鉆井技術(shù)?，F(xiàn)代鉆井的挑戰(zhàn)（特別是水平井）包括鉆桿和井壁之間的阻力，還有逐漸增加的循環(huán)鉆井液和運(yùn)送鉆屑到井筒外的井筒環(huán)帶壓力。螺旋式鉆井就是這樣一個(gè)新的鉆井

3、概念，最初希望它可以大大減小鉆桿和井壁之間的阻力，并且可以改善井孔內(nèi)的循環(huán)和凈化1。但正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)好像表明這種想法在實(shí)際環(huán)境中不能實(shí)現(xiàn)。這個(gè)問題將會(huì)在以后的出版物中談到。沿著螺旋井，在每一個(gè)點(diǎn)上都會(huì)制作一些槽（按現(xiàn)在的設(shè)計(jì)是4條槽）。在井軸沿井軌跡行進(jìn)的過程中，該非圓形形狀會(huì)繞著井軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，沿著井下去每條槽都會(huì)呈螺旋式花紋（圖1）。因?yàn)檫@些螺旋花紋，鉆桿和井壁的接觸面就會(huì)減少。此外，這些槽為鉆井液提供了連續(xù)的流動(dòng)路徑。這個(gè)研究中提到的“螺旋型截面”不是唯一能想到的非圓形截面。然而，因?yàn)槟壳胺菆A形井筒研究工作的主要焦點(diǎn)都在螺旋型截面上，所以我們這次對(duì)井筒穩(wěn)定性分析的研究會(huì)選擇這種類型的截面

4、。圖1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中所用到的一塊混凝土非圓形井孔在石油工業(yè)中，鉆井的實(shí)施伴隨著鉆井液（“鉆井泥漿”）的泵入，鉆井液通過鉆桿中間的通道泵入井中。液體通過鉆桿與井壁間的環(huán)形流到地面，同時(shí)也把鉆屑運(yùn)輸?shù)降孛?。除了帶走鉆屑，清潔井筒外，鉆井液的另一個(gè)重要功能是為井壁提供充分的支撐以保證井筒的穩(wěn)定。如果泥漿重量太輕，則井筒有可能發(fā)生坍塌。這在井筒中進(jìn)行所謂的伸張（狗耳朵狀的破裂區(qū)）時(shí)特別容易發(fā)生2-4。如果泥漿重量太大，鉆井液就會(huì)進(jìn)入井筒附近有孔隙的或破裂的地層中，導(dǎo)致泥漿漏失或在地層中產(chǎn)生新的裂縫3,5。將泥漿的重量控制在這兩種井筒不穩(wěn)定型泥漿的重量范圍內(nèi)是成功鉆井的先決條件之一，即所謂的“泥漿重量窗

5、口”（在伸張和泥漿漏失/破裂之間）。若井筒中的鉆井液壓力與地層流體壓力（即孔隙壓力）相等，則稱之為鉆井平衡。若井筒壓力大于孔隙壓力，則稱為鉆井超平衡。若井筒壓力小于孔隙壓力，則稱為鉆井欠平衡。在傳統(tǒng)意義上，鉆井是在超平衡狀態(tài)下進(jìn)行。然而，欠平衡鉆井也有幾個(gè)有利條件，特別是提高滲透率，但更重要的是減小松軟地層破裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在近幾十年中，欠平衡鉆井在石油工業(yè)中也得到了成功應(yīng)用。井筒穩(wěn)定性問題是在將非圓形鉆井技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到野外進(jìn)行應(yīng)用之前需要闡明的問題之一。從幾何學(xué)上說，非圓形截面周圍的應(yīng)力集中增加是有可能發(fā)生的，否則的話它就不會(huì)以這種形式的橫截面存在，而是具有一個(gè)常規(guī)的圓形形狀。雖然凹陷的非

6、圓形通道和射孔周圍的壓力分布和破裂模式在之前就行過研究6,7，但是螺旋井的非圓形邊界有部分是凸起的。這產(chǎn)生了一種新的破裂模式，正如我們下面要看到的那樣，這需要一次專門的研究。2有限元法井筒穩(wěn)定性分析在不同深度和超平衡條件下，進(jìn)行了非圓形截面附近的張性破裂的有限元分析。剪切破裂（即伸張）在這次研究中沒有考慮，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的井筒和通道穩(wěn)定性處理中已經(jīng)處理得很徹底3,8。然而需要注意的是，與圓形井孔相比，非圓形井孔中的剪切破裂有望加劇，因?yàn)樗锩娴牟圩鳛閼?yīng)力集中體可以促進(jìn)剪切破裂。正是由于這種在非圓形井孔中和圓形井孔中存在差異的機(jī)理，本文中并沒有考慮剪切破裂（然而我們可以在第三部分的實(shí)驗(yàn)中看見剪切破裂

7、的例子，即伸張）。本次分析中考慮了高滲透率巖石（比如儲(chǔ)油砂巖）。儲(chǔ)油砂巖的滲透率可以達(dá)到數(shù)百毫達(dá)西。因此，在井筒完鉆后，在井壁上很快會(huì)形成形成泥餅的沉積?；诰矇毫?，泥餅會(huì)為孔隙介質(zhì)提供一種液壓隔絕方式。在泥餅形成后，后者不會(huì)進(jìn)入到地層內(nèi)部。由于高滲透性，近井區(qū)域附近的孔隙壓力初始瞬值被假定為很快達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，地層中的孔隙壓力分布可認(rèn)為與鉆井前是一樣的，即均質(zhì)地層的孔隙壓力。在井筒壓力等于或不等于地層孔隙壓力的情況下，就壓力和液壓狀態(tài)而言，井筒穩(wěn)定性分析可以被作為穩(wěn)定狀態(tài)來實(shí)施分析。低滲透率巖石（比如頁巖）中的非圓形井筒穩(wěn)定性分析在本研究中也沒涉及到，它可以作為一個(gè)課題進(jìn)行單獨(dú)分析。在

8、孔隙介質(zhì)中，外加應(yīng)力的產(chǎn)生部分來自于基質(zhì)（即礦物顆粒），部分來自于飽和流體。通過基質(zhì)進(jìn)行傳遞的那部分總正應(yīng)力稱為有效壓力（粒間壓力）。通過孔隙流體進(jìn)行傳遞的那部分壓力稱為孔隙壓力或地層流體壓力。有效壓力控制介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)及其強(qiáng)度?？倝毫κ軕?yīng)力邊界條件的控制，這樣就可以代入到固體力學(xué)的平衡方程中去。在固體力學(xué)中9，通常假設(shè)總正應(yīng)力是有效應(yīng)力和孔隙壓力的總和（Terzaghi定理）。另一方面，致密巖中的總應(yīng)力是有效應(yīng)力與孔隙壓力的某個(gè)分量之和，這個(gè)分量是一個(gè)無量綱的系數(shù)，通常稱為Biot有效應(yīng)力系數(shù)，用表示。2.1模擬設(shè)定用商業(yè)軟件ABAQUS來進(jìn)行有限元模擬。模擬中用到了多孔彈性介質(zhì)模型（“

9、Biot多孔彈性力學(xué)”）。由于只考慮穩(wěn)定狀態(tài)，除Biot有效應(yīng)力系數(shù)之外，在這些模擬中獲得的多孔彈性參數(shù)無關(guān)于壓力分布。在所有模擬中，將的值設(shè)定為0.92，這符合砂巖中該系數(shù)的正常范圍10,11。模擬是在穩(wěn)定狀態(tài)下的一步模擬。模型的幾何結(jié)構(gòu)見圖2。相對(duì)于這里研究的各向異性地層應(yīng)力場(chǎng)而言，圖2所示的遠(yuǎn)源場(chǎng)地層應(yīng)力的兩個(gè)方位代表了非圓形截面的不同方位。因?yàn)榉菆A形橫截面的軸對(duì)稱性以二面群D4來表征，所以這足以將旋轉(zhuǎn)角度考慮在0°到45°之間。我們選擇旋轉(zhuǎn)角的兩種極值（即0°和45°）情況來進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖2。圖2 非圓形井孔區(qū)域附近的有限元網(wǎng)格。箭頭指示外加

10、遠(yuǎn)源場(chǎng)地層應(yīng)力：實(shí)線箭頭0°旋轉(zhuǎn)；虛線箭頭45°旋轉(zhuǎn)用于進(jìn)行有限元法分析的模型是一個(gè)中間有非圓形孔的方塊。假設(shè)有一口非圓形井孔的水平井，垂直地層應(yīng)力作用在模型的頂部邊緣。與井正交的水平應(yīng)力作用在模型的右邊邊緣。滾輪（即零正常位移）作用在底部邊緣和左邊邊緣。非圓形孔可以被定位，從而使得槽與地層主應(yīng)力（“0°旋轉(zhuǎn)”，圖2中的實(shí)線箭頭）對(duì)稱，或使得突出部分與地層主應(yīng)力對(duì)稱（“45°旋轉(zhuǎn)”，圖2中的虛線箭頭）。模型中兩個(gè)相對(duì)邊緣之間的距離是井筒直徑的15倍，這使得井孔周圍應(yīng)力狀態(tài)的邊界效應(yīng)可以忽略不計(jì)。從這一結(jié)果可以明顯看出，模型的尺寸足以使邊界周圍的應(yīng)力分布幾

11、乎呈均勻狀態(tài)。這次模擬意在代表泥餅在井壁上完全形成后的狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，地層就會(huì)具有與最初的地層應(yīng)力相等的恒定的孔隙壓力，且我們可以通過增加井壁的總正應(yīng)力來模擬超平衡或欠平衡狀態(tài)。泥餅的存在使得我們假設(shè)井孔在水力壓力方面是獨(dú)立于地層的。使模型所有邊界和井壁上的孔隙壓力保持恒定或相等可以讓地層的孔隙壓力保持恒定（通常來說，除了平衡鉆井情況，后者不等于作用在井壁上的正應(yīng)力，而在平衡鉆井情況下，它等于井壁上的正應(yīng)力）。這次模擬使用了八節(jié)點(diǎn)四次平面應(yīng)變四邊形單元的降階積分。為了非圓形的幾何結(jié)構(gòu)得到合適的解決，朝著井孔的網(wǎng)格逐漸被細(xì)化（圖2）。我們對(duì)非圓形橫截面兩個(gè)方向上（即0°和45

12、76;）的地層應(yīng)力共做了18次模擬。代表陸上鉆井的9次模擬的結(jié)果詳細(xì)列在了表1中。代表1000米海上鉆井的9次模擬的結(jié)果詳細(xì)列在了表2中。 表1 陸上鉆井模擬綜述。在每個(gè)深度上都做了3次模擬，即井筒壓力等于孔隙壓力；超過孔隙壓力10%；超過孔隙壓力20%。在9次模擬過程中都做了橫截面上0°旋轉(zhuǎn)和45°旋轉(zhuǎn)的地層應(yīng)力模擬（圖2）表2 海上鉆井模擬綜述。深度1000米。在每個(gè)深度上都做了3次模擬，即井筒壓力等于孔隙壓力；超過孔隙壓力10%；超過孔隙壓力20%。在9次模擬過程中都做了橫截面上0°旋轉(zhuǎn)和45°旋轉(zhuǎn)的地層應(yīng)力模擬（圖2）表1和表2中的數(shù)據(jù)代表了陸上

13、或海上鉆井中期望出現(xiàn)的一些典型情況。它們沒有涵蓋所有的鉆井情況。例如，表1和表2中的孔隙壓力為靜水壓力。靜水孔隙壓力在許多區(qū)域都可以看到（常見于欠壓油藏中），特別是在一些成熟的工區(qū)。結(jié)果中異常孔隙壓力效應(yīng)的討論放在了結(jié)論部分。表1和表2中還有另一個(gè)假設(shè)，即總垂直應(yīng)力梯度等于20MPa/km。這一估計(jì)通常用于與石油相關(guān)的巖石力學(xué)3，但其適用性一般依賴于地質(zhì)因素和地貌學(xué)。2.2模擬結(jié)果這些模擬是在線性彈性介質(zhì)模型上進(jìn)行應(yīng)用。由于我們只對(duì)拉伸破裂感興趣，所以這個(gè)方法是可行的。為了確定拉伸破裂什么時(shí)候發(fā)生，我們需要的唯一信息就是最大（拉伸）有效主應(yīng)力的值。如果它超出了巖石的拉伸強(qiáng)度，我們可以得出該巖石

14、不抗拉伸的結(jié)論。眾所周知，巖石的拉伸強(qiáng)度都很低。對(duì)于典型的類似儲(chǔ)油砂巖，其值在1MPa左右或更低，會(huì)低于0.1MPa（見參考文獻(xiàn)12，E. Papamichos，個(gè)人通信，2012年）。因此，我們處理模擬結(jié)果的策略是獲得井筒周圍的最大（拉伸）有效應(yīng)力的值的分布，并把它與設(shè)定的拉伸強(qiáng)度作比較。值得注意的是，如其在結(jié)構(gòu)力學(xué)中通常說到的一樣，用ABAQUS所有模塊產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力及本文出現(xiàn)的拉伸應(yīng)力都是正值。這與巖石力學(xué)規(guī)定的相反，按照它的規(guī)定拉伸應(yīng)力是負(fù)值。還要注意的是，ABAQUS產(chǎn)生的有效應(yīng)力，與其在模塊中計(jì)算的有效應(yīng)力通常都與Biot有效應(yīng)力系數(shù)一致，其值為1。為了評(píng)估“真有效應(yīng)力”是否超過了

15、設(shè)定的拉伸強(qiáng)度，需進(jìn)行必要的校正。從模擬的結(jié)果中可以看出，所論及的突起或邊緣比螺旋井橫截面上的槽更有意義，至少從拉伸應(yīng)力集中這個(gè)觀點(diǎn)上看也是這樣。在這里定義的突起（邊緣）是巖石的某部分，位于槽之間?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)的螺旋井孔有四個(gè)突起和四條槽。從定性上說，不同深度獲得的結(jié)果都是相似的，不管是陸上（表1）還是海上（表2），0°或45°旋轉(zhuǎn)。突起處產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。圖3中展示了一個(gè)例子，它是在深度為2000米的陸上井中旋轉(zhuǎn)0°后在不同的超平衡狀態(tài)下取得的預(yù)期的拉伸破裂區(qū)。給予同樣的泥漿重量（比如超平衡時(shí)就多出10%），在研究區(qū)內(nèi)（1000米到2000米），不同鉆井深度上的拉伸應(yīng)力

16、區(qū)的大小大體相似。在分析井孔周圍的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，對(duì)比有關(guān)井孔附近兩點(diǎn)的拉伸應(yīng)力的值的模擬是有幫助的：A點(diǎn)和B點(diǎn)（圖3a）。A點(diǎn)位于突起和槽的結(jié)合處，在每次模擬中都具有最大的拉伸應(yīng)力。拉伸應(yīng)力在A點(diǎn)周圍呈環(huán)形并試圖產(chǎn)生與井壁大體垂直的裂紋。這條裂紋最終可以消除槽和突起處之間的尖銳部分，使得井孔橫截面變得更光滑。應(yīng)當(dāng)注意的是雖然槽和突起處之間的部位看起來尖銳，但實(shí)際上在ABAQUS中已經(jīng)變得圓滑且被合適地網(wǎng)格化了，這一處理采用了5毫米的曲率半徑而主井孔的半徑為50毫米。我們可以設(shè)想，大大增加A點(diǎn)處的曲率半徑可能會(huì)削減A點(diǎn)處的應(yīng)力集中。B點(diǎn)來自于突起處內(nèi)部。B點(diǎn)的拉伸應(yīng)力朝向井孔，試圖切割井壁上的介質(zhì)

17、來使井孔橫截面更接近于圓形。B點(diǎn)的拉伸應(yīng)力可以應(yīng)用足夠的大量的超平衡狀態(tài)來抑制（見圖3a和3c）。圖4說明了拉伸應(yīng)力隨深度的增加而增加。拉伸應(yīng)力在突起處內(nèi)部和突起與槽的結(jié)合處都隨深度的增加而增加。圖4中曲線的延長部分會(huì)經(jīng)過原點(diǎn)。超平衡對(duì)拉伸破裂有一個(gè)主要的影響：即使我們沒有打算在模擬過程中完全消除拉伸應(yīng)力，增加井壁上的正應(yīng)力會(huì)大幅度減小拉伸破裂區(qū)域的大小。超平衡對(duì)拉伸應(yīng)力作用區(qū)的大小及在該區(qū)域中拉伸應(yīng)力的值都有影響。圖5總結(jié)了陸上井在0°旋轉(zhuǎn)時(shí)的9次模擬結(jié)果。從圖5中可以明顯看出，在每個(gè)深度上，地層內(nèi)部的拉伸應(yīng)力集中隨超平衡降低而減小，而A點(diǎn)處的應(yīng)力集中幾乎沒變化。(a) (b)(c

18、)圖3 2000米深0°旋轉(zhuǎn)的陸上井模擬非圓形井筒附近的拉伸應(yīng)力分布圖：a-平衡；b-10%超平衡；c-20%超平衡圖4 在非圓形井孔平衡鉆井中，拉伸應(yīng)力是深度的函數(shù) 圖5 非圓形井孔中，有效拉伸應(yīng)力是不同深度上超平衡的函數(shù)45°旋轉(zhuǎn)所取得的結(jié)果與0°旋轉(zhuǎn)非常相似（圖6）。唯一的不同是裂縫有輕微的各向異性：突起處與水平應(yīng)力匹配的破裂帶比與垂直應(yīng)力匹配的破裂帶略大。這是由地層應(yīng)力的各向異性引起的，因?yàn)榇怪睉?yīng)力比水平應(yīng)力要大。當(dāng)井孔橫截面旋轉(zhuǎn)45°時(shí)，拉伸應(yīng)力區(qū)的大小和拉伸應(yīng)力的大小只存在定量的區(qū)別（圖6）。在這里談到的井孔橫截面的“45°旋轉(zhuǎn)”中

19、，拉伸應(yīng)力比較大，有時(shí)候特別大（即當(dāng)突起處與主應(yīng)力方向匹配時(shí)）。因此，橫截面會(huì)向井中那些井孔截面按這種方式旋轉(zhuǎn)的部位的拉伸破裂帶傾斜。對(duì)拉伸破裂帶而言，當(dāng)?shù)貙又鲬?yīng)力與槽相匹配時(shí)（即“0°旋轉(zhuǎn)”），橫截面的方位最穩(wěn)定。因此，井中槽與地層應(yīng)力相匹配的部分就會(huì)有最小的拉伸破壞。然而，這些差異是很小的。陸上井和海上井得到的拉伸應(yīng)力區(qū)的形狀是很相似的。但海上井的穩(wěn)定性要低于陸上井。海床之上1000米的深水處會(huì)給非圓形井孔的井周圍帶來更大的拉伸應(yīng)力。平衡鉆井實(shí)例的比較放在了圖7中。圖6 在0°和45°旋轉(zhuǎn)的非圓形井孔平衡鉆井中，拉伸應(yīng)力是深度的函數(shù)圖7 陸上井和海上井在采用螺

20、旋式平衡鉆井時(shí)，拉伸應(yīng)力是深度的函數(shù)。拉伸應(yīng)力為正值。在海上井的例子中，“深度”是指海床以下的實(shí)際垂直深度同時(shí)，在海上和陸上井的模擬中，拉伸區(qū)的大?。臻g展度）是很相似的，這是受超平衡的影響而不是海水的深度。在零超平衡鉆井中（即井筒壓力與孔隙壓力相等），海上井模擬中的拉伸應(yīng)力很大，以致幾乎沒有巖石可以承受，更不用說儲(chǔ)油砂巖。應(yīng)用20%的超平衡鉆井（即井筒壓力等于孔隙壓力的1.2倍）可以局部抑制突起處內(nèi)部的拉伸應(yīng)力，而突起和槽過渡處的拉伸應(yīng)力則一直存在。這與陸上井中得出的結(jié)果是一致的。同樣來自陸上井的結(jié)果也表明，從采用45°旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆井的海上井中得到的結(jié)果在定性上相似于0°旋

21、轉(zhuǎn)鉆井的結(jié)果。圖8中展示了井筒壓力為孔隙壓力的1.2倍時(shí)的鉆井實(shí)例，這是來自陸上井的拉伸應(yīng)力。海上井的“深度”指的是海底之下的實(shí)際垂直深度。圖8中的負(fù)應(yīng)力說明在20%超平衡鉆井情況下B點(diǎn)不存在有效拉伸應(yīng)力。圖8 陸上和海上非圓形井孔鉆井中，拉伸應(yīng)力是深度的函數(shù)。井筒壓力為孔隙壓力的1.2倍。在海上井的例子中，“深度”是指海床以下的實(shí)際垂直深度總的結(jié)論就是，在本研究所談到的條件下（高滲透率儲(chǔ)油巖層），非圓形井孔鉆井中始終存在拉伸應(yīng)力，但其強(qiáng)度在較小的程度上依賴于超平衡鉆井且其還依賴于井軸的位置，這決定了非圓形橫截面相對(duì)于地層應(yīng)力的方位。表1和表2中列出了在上述所有條件下傳統(tǒng)圓形井孔鉆井的分析結(jié)果

22、。像預(yù)期的那樣，在這些條件下圓形井孔鉆井中不存在拉伸應(yīng)力，也就不存在拉伸破裂現(xiàn)象。因此，模擬的非圓形井孔鉆井中的裂紋用其幾何結(jié)構(gòu)來進(jìn)行表征且這歸因于井壁上突出部分的存在。3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在螺旋鉆井技術(shù)應(yīng)用到野外之前，想要直接驗(yàn)證第2部分的模擬結(jié)果是幾乎不可能的。然而，建立一個(gè)類似上述預(yù)期條件的實(shí)驗(yàn)還是可能的，從模擬結(jié)果來看，這個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)期會(huì)生成一個(gè)有類似第2部分中描述的拉伸破裂的破裂模型。雖然不是一個(gè)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)仍可以用來驗(yàn)證有限元模型，從而提高模擬結(jié)果和那些不能用該實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證的現(xiàn)象的可信度。這部分所描述的實(shí)驗(yàn)的邏輯如下：我們基于螺旋井的幾何結(jié)構(gòu)建立一次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，其具有一個(gè)有限大小的

23、樣本但沒有孔隙壓力。我們載入樣本直到產(chǎn)生裂紋。我們還建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的有限元模擬，用以再生測(cè)試條件。然后我們把實(shí)驗(yàn)結(jié)果同模擬結(jié)果進(jìn)行比較。如果模擬結(jié)果，也就是破裂模型和破裂帶的位置符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，那么我們可以預(yù)計(jì)在第2部分中對(duì)原位裂縫的預(yù)測(cè)是完全真實(shí)的（或者至少說明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果增強(qiáng)了第2部分結(jié)論的可信度）。3.1實(shí)驗(yàn)建立產(chǎn)生具有螺旋式鉆井的井孔截面的圓柱形混凝土塊（圖1）。其外部直徑為201毫米。在圖1中，混凝土塊外側(cè)邊緣上的5個(gè)窄通道是由技術(shù)原因造成的。為了避免通道中應(yīng)力集中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，在測(cè)試開始前它們被充以環(huán)氧樹脂。原始井孔的直徑為100毫米。在原始井孔上制造4條槽，見圖1。將混凝土樣

24、本放入一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的容器中來鑄成4條槽，而不是在井壁中才來切割它們。把樣品放入一個(gè)橡膠套中然后增加套筒外部邊緣的側(cè)限壓力，把它加載到一個(gè)SBEL單元中。作用在樣本上的側(cè)限應(yīng)力在非圓形橫截面的平面上是各向同性的，這不同于第2部分中研究的條件。加載速率為18MPa/h。整個(gè)測(cè)試過程中井孔內(nèi)無應(yīng)力。在測(cè)試過程中不允許任何流體的進(jìn)入（隨鉆測(cè)試無地層流體）。套筒在樣本和封閉液壓液之間形成了一個(gè)絕緣體。同樣的側(cè)限壓力作用于樣本頂部和底部表面上的活塞上。樣本具有有限的直徑，為201毫米，然而真實(shí)地層確是無限的。我們期望有限大小的樣本可以說明影響測(cè)試的端點(diǎn)效應(yīng)，特別是在測(cè)試中的破裂后階段。測(cè)試中確實(shí)觀察到了這

25、樣的影響并將在下面給予描述。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)側(cè)限壓力達(dá)到49.5MPa時(shí)樣本會(huì)坍塌。圖9b和9c中，4條槽中的一條很明顯發(fā)生了整體破裂。破裂是由井壁下切所產(chǎn)生的。這與模擬結(jié)果一致，因?yàn)槔鞈?yīng)力沿著突起的內(nèi)半徑一直有作用，這導(dǎo)致介質(zhì)碎片從井壁上滑落。測(cè)試結(jié)束后，在井筒中發(fā)現(xiàn)了這些薄碎片。在突起處破裂區(qū)附近，樣本發(fā)生了貫穿其整個(gè)厚度的徹底損毀現(xiàn)象。井壁上可明顯看見另外兩個(gè)更小的破裂區(qū)，這代表了更小的伸張，即剪切破裂區(qū)，像預(yù)期的那樣，它位于槽的頂部（壓應(yīng)力的應(yīng)力集中）。這些剪切破裂（圖9d）代表了由壓應(yīng)力引起的常見的井壁剪切破裂。剪切破裂不會(huì)沿整個(gè)樣品延伸，但在樣品的外表面發(fā)現(xiàn)有單裂縫參與到了剪切破

26、裂中來。這是由于樣品的大小有限而造成的，在現(xiàn)場(chǎng)不易發(fā)現(xiàn)。它也代表了上述提到的端點(diǎn)效應(yīng)。此外，裂縫的傳播及剪切破裂的發(fā)展要依賴于加載系統(tǒng)的剛度。建立了用于測(cè)試的有限元模型，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模型的唯一區(qū)別在于，數(shù)值模型是單面應(yīng)變而實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯勺饔迷跇悠讽敳亢偷撞勘砻娴膫?cè)限壓力控制。整個(gè)數(shù)值模擬過程沒有孔隙流體存在，這與第2部分的模擬不同。圖10中展示了界限壓力為50MPa時(shí)，拉伸主應(yīng)力的分布。拉伸破裂區(qū)與第2部分中獲得的在形狀上是相似的。它與所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致：拉伸應(yīng)力切割介質(zhì)使得樣品在突起處損壞。圖9 非圓形井孔在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的破裂：a-損毀樣本總觀；b，c-突起處大量破裂；d-槽頂部的細(xì)

27、小伸張圖10 在實(shí)驗(yàn)室樣品中的拉伸應(yīng)力受制于50MPa的均勻側(cè)限壓力4討論第3部分的實(shí)驗(yàn)從定性上證實(shí)了本次研究中為螺旋井井筒穩(wěn)定性分析所建立的數(shù)值模型。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中得到的49.5MPa的坍塌壓力是對(duì)混凝土樣品而言。儲(chǔ)油巖石通常更脆弱。因此，如果樣品是由儲(chǔ)油砂巖構(gòu)成，那么破裂很可能更容易產(chǎn)生。這里重要的不是極限壓力的絕對(duì)值，而是破裂模型。盡管強(qiáng)度有差異，但混凝土在很多方面和儲(chǔ)油巖石很相似，特別是它也是相對(duì)易碎的孔隙介質(zhì)，這與儲(chǔ)油砂巖一樣。值得注意的是，這次研究中用到了一個(gè)線性彈性本構(gòu)模型。結(jié)果在一些實(shí)例中獲得了非常高的拉伸應(yīng)力集中。實(shí)際上，巖石在拉伸時(shí)會(huì)因拉伸裂縫的存在而被損壞，而這樣極

28、大的拉伸應(yīng)力會(huì)持續(xù)很久。因此，這里展示的結(jié)果可以被認(rèn)為是拉伸破裂發(fā)生及其位置的唯一指示，但不是實(shí)際拉伸應(yīng)力的大小。在以后的工作中，可以用彈塑性介質(zhì)模型來擴(kuò)展本次研究，就像Cosserat連續(xù)運(yùn)用一樣，有可能獲得更多的內(nèi)部自由度6。想要結(jié)合每種巖石特性來分析現(xiàn)場(chǎng)螺旋井鉆井中遇到的所有情況下井孔的穩(wěn)定性是幾乎不可能的。所以本文只選取了其中一些情況（很有代表性）進(jìn)行研究（表1和表2）。從模擬結(jié)果中研究欠壓或超壓的影響對(duì)螺旋井鉆井在石油工業(yè)中的實(shí)際運(yùn)用是非常有利的。欠壓地層常見于枯竭油田，其中的地層流體壓力由于石油生產(chǎn)而減小。由于地層的地質(zhì)構(gòu)造（液壓障礙），沉積歷史或地貌的影響，超壓（及欠壓）區(qū)常自然形成。為了研究地層壓力的影響，增加了4次模擬實(shí)驗(yàn)，詳見表3。所有4次模擬都是針對(duì)陸上井，深度2000米，采用0°旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)深度上，