第六章 井眼稳定模型
在钻、完井的过程中井眼会出现关于井壁稳定性方面的各种各样的问题。包括下面几种类型：
1、高扭矩高摩阻
2、砂桥和垮塌
3、卡钻
4、定向
5、高密度
6、固井失败
7、井漏
井眼的稳定性是分析垂直或者带有井斜在物理和化学方面上的稳定性，他可以事先对现场的实际操作进行预测。线性的孔隙弹性模型用来预测井眼的稳定性、泥浆的密度范围和井筒的压力。这个模型同时提供了稳定性设计的关键参数。
6.1输入
6.1.1 项目设计页面
井眼稳定性模型的项目设计页面与其他DrillNET项目页面很相似。
6.1.2轨迹数据页面
井眼稳定性模型的轨迹数据输入页面与其他DrillNET轨迹数据输入页面很相似。
6.1.3地层数据输入页面
井眼稳定性模型的地层数据输入页面与其他DrillNET的地层信息录入界面相同。然而也有一些重要的区别，这个模型在表单中显示出了很多的数据，而其他模型中的地层信息要求输入的信息较少。比如，上面的表单显示的是循环水力参数模型中的地层信息输入界面，下面的表单显示的是井眼稳定性模型的地层信息输入界面。
地层参数
如果现场没有密度测井的地层资料，那么使用地层近似覆盖应力梯度为1.0到1.1pis/ft的现场经验来作为地层信息。在构造不活动的区域里，比如一个年轻的三角洲沉积盆地，其有效的水平应力往往是相等的，而与其相关的垂直应力可以通过泊松比计算：
下表列出了一些比较活跃的钻井区块的水平应力值，我们假设正常的水平应力值为0.25。
最大方位角水平应力。这个角度是从北边到最大水平应力的方向线上的角度，他的测量方式是从北方顺时针旋转一定角度。
弹出式估算各项值
在地层信息数据表中右击来访问弹出菜单中的各项，除了地层信息输入表单中可用的标准功能外，一些在“估算”选项中的操作也可以帮助表单数据的输入。
1、估算孔隙压力----根据一个恒定的压力梯度或者大量钻井区块积累的经验公式来计算孔隙压力。通过右击鼠标来选择这个功能，在当前区块中选择一个压力梯度。您也可以输入一个恒定的流体梯度或者恒定的密度值。点击【计算】在表单中显示相应的孔隙压力分布情况。点击【接受】将这些数据输出到主要的地层信息数据表中。
2、估算上部地层---依靠恒定的地层压力梯度/体积密度或者其中一个好的经验公式(Amoco公司，贝尔公司，伊顿，加德纳或者Pennebaker公司)。选择其中一种方法来输入一个值，伊顿和加德纳的经验值适用于很多钻井区块。有些相关经验需要输入额外的参数。输入相关的数据后，点击【计算】来显示相对应的上部地层压力分布的情况。点击【接受】来将这些数据输出至地层信息表单中。
3、估算水平最大应力----依据恒定的地层压力梯度来计算最大水平应力，也可以通过平均上覆应力和最小水平应力，恒定的构造应力，或者各向应力的恒定百分比值来计算。在这个功能中，选择并输入一个恒定的值，或者选择使用平均上覆应力和最小水平应力。点击【计算】在表单中显示相应的最大水平应力分布情况。点击【接受】来将数据输出至地层信息数据表单中。
4、估算最小水平应力---依靠一个恒定的压力梯度来计算最小水平应力；使用矩阵应力系数、松泊比、内摩擦角等在内的估算方法，再或者是先关经验的估算方法。选择并输入一个恒定的地层压力梯度值或者体积密度，要么是相关的经验值。在这里伊顿和马修-凯利的经验值适用于多个钻井区块。一些经验值需要额外输入数据。点击【计算】来显示相应的最小水平应力的分布。点击【应用】来输出这些数据到地层信息数据表单中。
5、估算地热温度----根据您提供的地表温度和地热梯度来计算一个完整的地热温度曲线。
在估算项窗口中，在你选定一个模型并且输入了参数后，点击【计算】来填写窗口中的表单。在您检查这些数据后，点击【接受】您可以输出所有的数据到地层信息数据表单中。点击【取消】来关闭估算窗口，无任何修改的返回至地层信息数据表单中。
6.1.4通用项页面
1)岩石特性表 这个表单顺着井眼深度列出了岩石特性信息。不需要从地面至井底列出所有的地层信息，只需要列出您感兴趣的某段地层的信息即可。在表单上面填写一个垂直井深的起始值。
松泊比 沉积岩石中不同岩性的值从0.18至0.27.
抗张强度 上表显示普通有代表岩石的抗张强度。通常情况下，抗张强度没有显著的影响。
内摩擦角 下面的公式表示了内聚强度，单轴压缩强度和内摩擦角之间的关系：
粘结强度 上面提到的内聚强度、单轴压缩强度和内摩擦角之间的关系。只需要输入内聚强度和单轴压缩强度中的一个即可。选择一个参数并输入一个代表值。下表既是有代表性的值。
允许井壁失稳的角度 允许井眼井壁上坍塌的圆周角值。 这个概念是来自当一个局部的压缩破坏并未造成整个井眼失稳的情况。通常井壁失稳角度值不能超过90度，如果井壁失稳角度没有指定，系统一般默认其值为0度。
波及常数 公式被定义为：
其中K和Ks分别是固体骨架的体积模量和聚孔质的材料。这些参数的值的范围是0到1之间。从Neville表单中，对于大多数岩石，波及系数是在0.95至0.97之间。这个程序的默认值是0.96。
页岩活性 指的是页岩中的活性水，可以被认为是页岩孔隙中流体的“逃逸倾向”。这是定义水在页岩中的逃逸度，与纯水的比率。对于一些页岩的活性水值列于下表。
隔膜效率 高压实、粘土丰富的页岩，当他与水接触时，可以提供一个非常理想的半透膜来渗水，页面的溶解量较少。改渗透膜产生渗透压力，这与理想的半透膜不同。隔膜效率是描述半透膜(非理想)的渗透效率，他被定义为：
这里的JV是溶液穿过渗透膜的净通量。隔膜效率的值在报告中的范围是0.01至0.2。泥浆和页岩都能影响隔膜效率。
2)感兴趣的区域 为当前的计算序列指定一个感兴趣的MD范围值。计算的结果依据您指定的多个井深范围来显示。在安全的泥浆密度的条件下显示对应MD井深的内容。垂直深度的上限与下限会自动计算出来。
2)钻井条件 当您假定当前井筒中的泥饼具有渗透性时，请勾选选择泥饼渗透性。当您假设井筒中的泥饼非常完美，其不具有渗透性时，请不要勾选泥饼渗透性。波及参数要求泥饼具有一定的渗透性。
泥浆中的含盐浓度 泥浆/活性水可以被认为是水的“逃逸趋势”，在钻井流体中这个概念逐步被采用。他被定义为水的逃逸度与纯水的比率。有溶质浓度与水分活动之间的反比关系。
几种不同的盐的水分活动值列于下表中。
4)计算选项 一般来说莫尔-库伦准则常用来定义坍塌岩石。在主应力条件下公式表达式为：
公式中的Φ和S0分别表示为内摩擦角和岩石的内聚力。右边的第二项为岩石单轴抗压强度。德鲁克-普拉格准则的主应力表达式如下：
公式中的T0和m表示为材质方面的参数，根据定义公式
使用这种准则，有以下三类参数可以选择：
库伦-莫尔准则的主要特性是他关于中间要素不敏感。而德鲁克-普拉格准则中没有引入任何不相称的参数。这四个准则中，内侧和中间的德鲁克-普拉格准则预测出相似的结果，但是他们的预测过于保守。外侧德鲁克-普拉格准则是其中最保守的准则。总而言之，库伦-莫尔准则作为最靠近实际的准则被推荐使用。
安全泥浆密度梯度的下限 在大多数情况下(如：过平衡钻井)，钻井工程师要保持泥浆的压力大于地层孔隙压力。因此，地层孔隙压力经常被用作安全泥浆密度的最下限。在其他情况下，比如欠平衡钻井中，如果钻井工程师想得到本软件准确的数学解答话，请选择“无”最低下限值。
安全泥浆密度梯度的上限 这个限制是以前使用本软件的用户建议添加的新功能项。大多数钻井工程师认为泥浆的液柱压力不应该超过地层的破裂压力(这个破裂压力通常被认为其值与地层的最小水平应力是相同或者值接近)。这个限制可以作为安全系数的一种类型，这样泥浆的上限可以被定义。
6.2输出
井眼稳定性模型的输出包括三个结果：
1、总计--显示井眼稳定性关键的参数和结果数据。
2、图形/表格--一个典型的DrillNET多功能的输出界面，显示出允许选择的单根或者多个图像。在输出图形和表格中显示的数量可以包括地层的孔隙压力、上覆岩层应力、最大水平应力和最小水平应力。您可以通过使用“操作”选项卡来选择或者取消这些选项。
3、稳定性图表--象征井眼稳定性计算结果的多参数图表。所有的重要的信息被整合后显示在图表中，地层岩石的信息被作为背景显示，绘制出井眼轨迹是以TVD和水平位移为刻度表示。岩性(内摩擦角度、内聚力、抗张强度)、孔隙压力、原始地应力、最大水平应力的方向、安全泥浆范围值都以TVD刻度表示出来。
6.3特殊功能项
6.3.1工具条图标
当井壁稳定性模型被选定，用户就能使用特殊的工具条图标。这些图标包括以下功能：
敏感性分析 打开一个敏感性分析窗口，用于对整个井筒快速衡量各种参数对泥浆安全比重的影响
单一井深分析 打开一个单一井深分析窗口，为井筒中一个单独指定的井深计算详细的泥浆密度的安全范围值。
6.3.2 灵敏度分析窗体
灵敏度分析窗体用来分析当其他参数恒定不变，只有单独一个参数变化的影响，他是一个次级的输出窗口。通过点击图标
来访问这个窗体。对应指定的井深，灵敏度分析窗体计算出安全的泥浆密度范围。稳定、安全的泥浆密度范围以X-Y轴的图形表达。图形中绿色的区域表示井筒在井斜0-90范围内的稳定、安全泥浆密度值。一些参数改变后会立即出现相应对泥浆密度的影响效果。而这些参数被列于分页式选项栏中(表1为常规；表2为孔隙/原始压力；表3岩石特性)。通过点击
来对参数进行值改变。在每次点击改变相应的参数值后，程序将会自动计算泥浆安全的密度的范围，图形也会随之更新。点击【保存】来设置输入后的参数成为默认值(在地层数据表中输入相应的值)。
从这个敏感分析窗口中，用户可以很快选择合适的参数值，而这些参数值将会对安全的泥浆密度范围值有所影响(与井斜、方位对密度影响的效果一样)。这窗口可以作为便捷设计井眼稳定性的工具。
6.3.3 单一井深分析窗口
单一井深分析窗口用来对应特定的井深计算出安全的泥浆密度范围。以X-Y轴的形式来表示泥浆的稳定、安全范围。相对于敏感分析窗口，单一井深分析窗口列出特定井深处的详细数据分析结果。
在红色与蓝色线之间的区域表示井筒随着0-90度的井斜时，泥浆密度的安全、稳定的范围值。同样也有许多参数随着自身的改变来影响这个范围值。而这些参数被列于分页式选项栏中(表1为常规；表2为孔隙/原始压力；表3岩石特性)。利用改变参数的值来设置所给的参数，设置完成后点击【计算】来更新图形与数据表单。
此功能的目的是为某一特定的井深提供详细的参数值来计算出安全的泥浆密度范围值。这个窗口中的数据可以来自于之前项目的输入，用户也可以完全重新输入新的值。因此，它可以用作独立的工具来分析特定井深井眼稳定性的分析。
《本章完》