温度对井壁稳定影响研究现状

本文摘要：（由ai生成）

岩石受热时宏观和微观均发生热膨胀，测量方法随技术发展而提高。井壁稳定性研究始于20世纪，涵盖井壁厚度、滑动稳定性等方面。温度效应对井壁稳定性的影响逐渐受到重视，前苏联研究者及Raymond等提出相关理论。国内研究包括井眼温度变化对井壁稳定的影响等，刘玉石、何湘清和杨旭等人从不同角度分析了温度对井壁稳定的影响。

岩石在受热情况下，宏观条件下会产生一定的膨胀，这就是岩石的热膨胀特性。而在微观条件下，岩石的主要成分就是各种矿物的组合，每一个矿物晶体都有自己的晶格，矿物晶体都在自己的晶格内无规则运动。当温度升高时，矿物晶体的晶格会变大，从而每一个矿物晶体的运动范围都会增大，这就从微观条件下解释了岩石受热膨胀的原因。 

关于材料热膨胀的研究早在 18 世纪就开始了，当时由于试验仪比较简陋，所以测量出来的岩石热膨胀系数的误差也是非常大。当时人们在水平的加热台上放上待测材料，下方使用酒精灯加热，直接测量材料的变形量来计算出其热膨胀系数。这种方法测出的数据中，温度和变形量的误差都非常大，这就会导致实验结果的不准确性。此后有人在原先的基础上对试验器材进行了改造，让测量精度得到了一定的提升。 

到了 19 世纪，人们对钢铁和岩石材料的使用逐渐变多了起来。这时测量小变形材料的热膨胀系数也开始逐渐变多了起来。由于钢铁和岩石材料的热膨胀系数都比较小，所以衍生出了一些新的测量方法，主要有绝对法和相对法。绝对法是指用热膨胀系数很小的测量仪器来测量材料的热膨胀系数；相对法是指利用热膨胀系数的材料和待测材料同时加热，然后进行对比算出待测材料的热膨胀系数。 

1950 年前后，由于红外射线技术的发展，在岩石热膨胀系数测量技术上有了质的飞跃，测量精度已经从原先的 10 的-4 次方到了现在的 10 的-6 次方。而对于岩石热膨胀特性的研究已经从试验逐渐转向理论方面，众多地质学者开始对岩石热膨胀系数的理论公式和经验公式进行研究。国外的研究学者、和国内的学者周开元等人都对岩石热膨胀系数的公式做了一系列的研究。表 1-1 是一些常见无机非金属材料的热膨胀系数。 

赵洪宝（2011）对石灰岩进行热膨胀特性分析，建立了各个温度区间岩石的热膨胀系数变化值，分析了石灰岩的热膨胀特性，而且从原理层面分析了热膨胀系数改变的原因。指出了岩石热膨胀系数的变化是非线性的，与岩石孔隙率、孔隙结构、岩石结构等有关。中国地质大学（北京）的李瑞（2016）从微观角度分析影响岩石热膨胀特性的因素，通过理论推导和试验总结了对岩石热膨胀特性影响的因素。 

对于井壁稳定性研究最早开始于美国，早在 1940 年， 在他的研究中就提到了井壁应力分布的概念。在他的文章《超深钻井周围的应力状态》中提出了柱坐标模型，在不考虑钻井过程中的孔隙压力和液柱压力，并假设井壁模型为各向同性的前提下建立了最原始的井壁稳定模型，后来人们对于井壁稳定分析也大多是基于该模型建立的。 

在之后的几十年里，各国的专家纷纷完善井壁稳定理论，提出了很多观点和定理。其中比较著名的有太沙基提出的有效应力原理，他考虑了地下水渗流情况，并对井壁稳定方程进行了修正。 

在国内关于井壁稳定的研究起步较晚，查依卡（1957）在《关于圆形井壁稳定的验算》中对井壁稳定进行了力学分析，这篇文章主要是对于煤矿开采过程中的井壁稳定进行分析。这是国内第一篇关于井壁稳定定量分析的文章，这也给今后国内的岩石力学研究工作建立了一个良好的开端。 

煤炭科学研究院（1976）在井筒支护中提到了预制井壁厚度计算，钢筋配比的计算方法，量化了井壁支护方法中的一些问题，对于井壁支护技术有着十分重要的意义。李凤久（1982）在《井壁稳定问题探讨》一文中提到了影响井壁稳定的因素不仅有力学因素，还有化学因素，并从化学方面提出解决井壁稳定问题的方法和手段。林鸿苞（1988）在矿井设计里提到了各种断面对井壁稳定的影响，推导出断面的临界高度计算公式，并在此基础上给出了解决方案，以便施工队作为参考。狄特马.贝科曼（1989）在研究滑动井壁的稳定性时给出了滑动金币的应力和稳定性计算，对滑动井壁的的设计提出了新的见解与指导方案。江汉大学的余雄鹰（1991）提出了关于椭圆井的井壁稳定研究方法，对椭圆井筒进行应力分析，确定井壁的坍塌和破裂压力。 

程乐亮（1993）分析了钻井液在大斜度井和水平井在维持井壁稳定中的作用，主要从减少磨阻、清洗岩屑、堵漏、和保持井壁稳定四个方面对钻井液性能进行分析。并通过一系列的钻井液配方成功降低了钻井过程中的摩擦阻力。成都地质学院的叶第芹（1993）提出了套管技术与井壁力学参数之间的关系，让钻井中的套管参数可以随井壁应力分布改变而改变。这对于钻井技术的发展有着重要的意义。陈勉、陈治喜（1994）在对大斜度井分析时提出了井壁破坏的两种基本形式和缩颈这种特殊的破坏形式，利用了小斜度井的井壁稳定分析模型，对大斜度井和水平井问题金星分析，分别得出了方位角，井斜角以及各种岩石参数和钻井液的参数对井壁稳定影响分析。黄荣尊和陈勉（1995）提出了井壁稳定的力学与化学耦合作用，并利用有限元计算出不同距离、不同含水量对于井壁岩石材料参数的影响。徐同台（1997）在对井壁稳定的研究现状及未来的发展方向做总结时提到了，在钻井工程中最大的难题就是井壁稳定问题，井壁稳定技术将是制约钻井技术发展的首要因素。介绍了井壁稳定与金币岩石之间的联系，以及井壁稳定的评价方法的修正，并对井壁稳定的未来发展方向做出了细致而又长远的分析与规划。金衍与陈勉（1999）对大位移井的井壁稳定进行分析，并设计出一套解决井壁稳定问题的软件。该软件可以利用现有的测井参数计算出大位移井的最优钻井轨迹，并提出合理的泥浆密度。此后，国内的井壁稳定研究进入了一个较快的发展时期。陈勉（2005）对深井的井壁稳定研究做了总结和展望，指出了钻头处的稳定性是井壁稳定中最重要的一环，能够解决这类问题将对钻井工程的发展有很大帮助。徐加放（2007）首次提出利用能量守恒的方法对井壁稳定进行分析。他利用实际案例定量分析了钻井过程中的能量流动过程，并给出在钻井过程中井壁热量以及钻井液的能量对井壁稳定的影响。卢运虎（2013年9月）提出了各向异性地层中斜井的井壁稳定分析，相比之前的各向同性地层模型有了质的突破，给各向异性地层分析提供了基础。这是国内首次就椭圆钻井进行单独分析，也给后来的其他形态钻井提供了参考和帮助，使得人们对于钻井的研究不再局限于传统的圆柱形钻井。