基于真三轴强度理论的层状各向异性岩石井壁稳定性研究

The layered rock has obvious anisotropy in mechanical properties. The criterions based on conventional triaxial test are often used to evaluate the borehole stability. However, the comprehensive effect of intermediate principal stress and bedding plane are often neglected, it is not reliable to evaluate the borehole stability of layered rock under true three-dimensional stress state. In view of anisotropic feature of layered rock under true-triaxial stress state, the project will carry a series of compression tests and numerical simulation of the layered rock under true-triaxial stress state. The influence mechanism of dip angle (β) and the azimuth angle (ω) of bedding plane on mechanical behavior of layered rock will be revealed. The new true-triaxial strength criterions considering the effect of dip angle (β), the azimuth angle (ω) and intermediate principal stress will be proposed. The characteristics, correctness and applicability of the new criterions will be further studied. The wellbore stability evaluation and wellbore trajectory optimization theory for layered anisotropic formation will be developed. The achievements will be of scientific significant for the drilling of layered formation and enriching the petroleum related rock mechanics theory.

层状岩石在力学性质上具有显著的各向异性，常规三轴强度准则常被用于层状地层井壁稳定性评价，但常规三轴强度准则往往忽略了中间主应力和层理面的影响，不能可靠地评价层状地层在真实三维应力条件下的井壁稳定。本项目拟针对层状岩石在真三轴条件下的各向异性特征，开展层状岩石在真三轴条件下的变形、破坏试验及数值模拟研究；揭示层理面倾角（β）及方位角（ω）对岩石力学行为的影响机制；探讨层理面与中间主应力对岩石承载能力的综合影响效应；提出考虑层理面倾角（β）、方位角（ω）及中间主应力影响的真三轴强度准则；讨论新准则在主应力空间中的特征，并检验其正确性和适用性；建立基于层状岩石真三轴准则的井壁稳定性评价模型与井眼轨迹优化方法。研究成果不仅能够为层状地层钻井工程提供科学依据，而且对丰富石油工程岩石力学理论具有重要意义。

深部层状岩石地层井壁失稳情况频发，常规井壁稳定性评价理论与方法未考虑中间主应力及层理面的综合影响，不能有效指导深部层状岩石地层的钻井实践。为此，针对层状各向异性岩石真三轴应力条件下的力学行为研究、真三轴强度准则研究、基于真三轴强度准则的井壁稳定性评价模型、不同抑制剂对井壁失稳的抑制效果评价、裂缝性地层井壁稳定性评价等关键科学问题展开研究。取得了以下成果：（1）通过层状岩石三轴条件下力学行为研究发现，岩石层理面及中间主应力对层状各向异性岩石强度的影响大体可以分为三类，研究结果较好地诠释了层状岩石真三轴条件下的力学行为及规律。（2）构建了适用于描述层状岩石考虑主应力效应的真三轴强度准则，并以此为基础建立了层状岩石井壁稳定性评价模型，较好地描述了井壁失稳机理，并能够实现层状岩石地层的井眼轨迹优化设计。（3）对比分析了不同抑制剂对页岩地层井壁失稳的抑制效果，得出了不同抑制剂对岩石膨胀性和岩石力学性质的影响规律，提出了抑制剂抑制效果评价方法，提出了页岩地层井壁失稳的应对措施。（4）建立了裂缝性地层井壁稳定性评价的离散元模型与方法，揭示了裂缝性地层井壁失稳机理，发明了裂缝性地层安全钻井液窗口确定方法，并有效指导了顺北油气田该类地层井壁失稳工程措施。相关成果在国内外期刊发表论文15篇，授权国家国际发明专利5项、软件著作权4件，获四川省人民政府自然科学三等奖1项，绿色矿山科学技术奖一等奖1项，并获得2021年石油工程岩石力学十大科技进展1项，培养硕士研究生4人。