线弹性地层井周应力分布规律研究

本文摘要：（由ai生成）

本文研究了线弹性地层中不同井眼轨迹下井周应力的分布规律。研究发现，直井井壁应力随井周角呈函数关系变化，并在水平地应力方向取得极值。水平井井周应力分布与直井类似，但存在剪切应力。通过绘制应力分布云图，直观展示了井周应力分布情况。这些研究对于理解井壁失稳机理、确定坍塌压力及研究井周失稳区域具有重要意义，有助于指导油气田安全高效开发。本文的研究结果可为井身结构设计、钻井液性能优化及井壁稳定性评价提供理论支持。

为认识线弹性地层中井周应力的分布规律，在井周应力计算模型中设定输入参数如下，水平最大地应力为164.5MPa，水平最小地应力为137.1MPa，上覆岩层压力为147MPa，孔隙压力为102.9MPa，水平最大地应力方向为N108.5°E，井底液柱压力为120MPa，对不同井眼轨迹的井周有效应力随井周角及距井眼轴线距离的增加的变化规律进行研究。

图6-5  直井井壁应力分量随井周角变化规律

图6-6  井周角θ=0°方向直井井壁应力分量随距井眼轴线距离的变化规律

图6-7  井周角θ=90°方向直井井壁应力分量随距井眼轴线距离的变化规律

当井眼为直井时，井壁上有效应力随井周角的分布如图6-5所示，周向应力和轴向应力随井周角存在sin或cos函数关系，且同时在水平最大地应力方向取得最小值，在水平最小地应力方向取得最大值；井壁上径向应力为井底液柱压力和孔隙压力的差值，不随井周角变化，同时，由于井眼轨迹为直井，井壁上不存在剪切应力；在井周角θ为0°和90°方向，井周应力随距离井眼轴线距离增加的变化规律如图6-6和图6-7所示，随着距离的增加，井周三向应力呈现单调递增或递减规律，且最终趋近于有效地应力，但在井周角θ=90°方向，井周周向应力随距离井眼轴线距离的增加，出现先增大，在1.5倍井径附近达到顶峰，并在之后逐渐减小的规律。

图6-8  直井井周径向有效应力分布云图

图6-9  直井井周轴向有效应力分布云图

图6-10  直井井周周向有效应力分布云图

为更直观看出该区块直井井周应力的分布规律，本研究绘制了直井3倍井径范围内井周径向应力、轴向应力和周向应力的分布云图，如图6-8~图6-10所示，可以发现，轴向应力和周向应力在水平最小地应力方向出现了应力集中，反映了该方向井壁最容易发生压缩破坏，井壁坍塌多发生在该方向上；井周径向应力在井壁处不随井周角变化，但在地层内部，水平最大地应力方向迅速趋近于有效水平最大地应力，水平最小地应力方向迅速趋近于有效水平最小地应力。

图6-11  水平井井周应力分量随井周角变化规律

图6-12  井周角θ=0°方向水平井井壁应力分量随距离井眼轴向距离的变化规律

图6-13  井周角θ=90°方向水平井井壁应力分量随距离井眼轴向距离的变化规律

图6-14  水平井井周径向应力分布云图

图6-15  水平井井周轴向应力分布云图

图6-16  水平井井周周向应力分布云图

图6-17  水平井井周剪切应力τ_rθ分布云图

该区块水平井井壁上应力分布如图6-11所示，井周角0°和90°方向井周应力分量随距离井眼轴线距离增加的变化规律如图6-12~图6-13所示，井周应力云图如图6-14~图6-17所示。水平井井周应力分布规律与直井分布类似，不同的是水平井井周存在剪切应力，剪切应力τ_rθ在井周角90°~270°范围内为拉应力，在0°~90°和270°~360°范围内为压应力。井周应力集中是造成井壁失稳的主要因素之一，研究得到的井周应力分布规律可为后续井壁失稳机理、坍塌压力及井周失稳区域的研究奠定基础。