石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)2015

1、巖石力學(xué)大作業(yè)專 業(yè)：油氣井工程專業(yè) 班 級(jí)：研油氣井班姓 名： 學(xué) 號(hào)： 2015.05.25目錄題目：2014-2015石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)1已知條件1要求1第一章 前言31.1 井壁穩(wěn)定研究的意義31.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)31.3 本題的研究方法5第二章 基于測(cè)井資料分析過(guò)程62.1 地層巖性分析62.1.1 泥質(zhì)含量62.1.2 井徑測(cè)井分析72.1.3 巖性分析72.1.4 求取Biot系數(shù)82.2 求取彈性模量和泊松比92.2.1 聲波測(cè)井解釋原理92.2.2 彈性模量和泊松比92.3 求取內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度連續(xù)剖面112.3.1 計(jì)算單點(diǎn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角1

2、12.3.2粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面122.4 孔隙壓力分析132.4.1 求上覆巖層壓力132.4.2 求地層孔隙壓力6132.5水平最大和最小主應(yīng)力剖面5162.6 坍塌壓力、破裂壓力和鉆井液密度窗口5192.6.1 坍塌壓力192.6.2 破裂壓力192.6.3 繪制鉆井液密度窗口202.6.4防止井壁坍塌合理建議212.7 分析出砂可能性5212.7.1 出砂指數(shù)法分析出砂可能性212.7.2 合理完井方式推薦222.8 水平井起裂壓力計(jì)算222.8.1 水平井起裂壓力計(jì)算模型222.8.2 計(jì)算起裂壓力23參考文獻(xiàn)25附錄：Matlab源程序26題目：2014-201

3、5石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)結(jié)合所學(xué)的石油工程巖石力學(xué)課程內(nèi)容及相關(guān)知識(shí)，利用給出的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)地層力學(xué)參數(shù)、孔隙壓力、地應(yīng)力、地層坍塌壓力與破裂壓力進(jìn)行分析計(jì)算，得出地層力學(xué)參數(shù)、地層主應(yīng)力、地層坍塌、破裂壓力剖面；分析儲(chǔ)層出砂可能性，提出完井方式建議；分析水平井裸眼壓裂的起裂壓力。最終形成結(jié)課作業(yè)報(bào)告。已知條件(1) A井為一口預(yù)探井、直井，位于受正斷層控制的某凹陷構(gòu)造，鉆遇地層為第三系、第四系地層，主要為砂巖、泥巖地層，部分層位有薄層煤巖夾層。儲(chǔ)層為3600-4100m砂巖地層。(2) 已知A井縱波時(shí)差、密度、自然伽馬和井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，見附件一。(3) 已知A井鉆井過(guò)程中實(shí)際使用的鉆井液密度，

4、見附件一。(4) A井鉆井中的主要復(fù)雜問(wèn)題是起下鉆阻卡，一般通過(guò)劃眼、倒劃眼方法解決，一定程度上影響鉆井時(shí)效。鉆井中進(jìn)行過(guò)兩次地漏試驗(yàn)，分別位于井深1605m和3832m，具體數(shù)據(jù)見附件一。(5) 利用A井鉆井取得的巖心進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表1。表1 A井巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)井深(m)巖心編號(hào)圍壓(MPa)破壞強(qiáng)度(MPa)備注37971-1039.52-120146.43-140215.438874-1050.65-120155.26-140201.439758-1052.59-120148.210-140187.739758-2018.4浸泡鉆井液2天9-22097.510-2401

5、28.5要求1） 編寫程序讀取、計(jì)算、輸出數(shù)據(jù)。2） 利用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析地層巖性，合理設(shè)定或求取有效應(yīng)力系數(shù)。3） 利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算分析地層的彈性模量、泊松比。4）根據(jù)抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)線性莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算粘聚力和內(nèi)摩擦角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整合理的系數(shù)，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面。5） 采用地層密度積分方法計(jì)算上覆主應(yīng)力，利用聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析地層孔隙壓力，得出孔隙壓力隨井深變化的連續(xù)剖面。6）根據(jù)地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水平地應(yīng)力大小，選取水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，采用適當(dāng)模型計(jì)算水平主應(yīng)力大小，得出水平最大和最小主應(yīng)力剖面。7）采用直井均質(zhì)各向同性模型計(jì)算地層坍塌

6、、破裂壓力，分析鉆井液密度使用是否合理。8） 分析儲(chǔ)層出砂可能性，推薦合理的完井方式。9）如果后期開發(fā)中在該井區(qū)垂深3980-4000m地層鉆進(jìn)水平井且進(jìn)行壓裂，分別計(jì)算向水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)的水平井裸眼起裂壓力大小。10）輸出結(jié)果中單位的使用：地層強(qiáng)度參數(shù)采用MPa為單位，地應(yīng)力、坍塌壓力、破裂壓力采用當(dāng)量泥漿密度為單位。11） 編寫結(jié)課作業(yè)報(bào)告。12）課程結(jié)課作業(yè)報(bào)告提交截止時(shí)間：2015年5月25日。第一章 前言1.1 井壁穩(wěn)定研究的意義井壁穩(wěn)定一般是指鉆井過(guò)程中井壁的張性破壞(井漏)和剪切破壞(井塌)問(wèn)題，是鉆井工程中經(jīng)常遇到的井下復(fù)雜情況之一，具體包括井眼縮徑、坍塌

7、、井漏、卡鉆等，尤其是井漏、井噴對(duì)儲(chǔ)層的傷害很大。井壁失穩(wěn)問(wèn)題是世界許多油田都普遍存在的一大難題，一直困擾著石油工業(yè)界。據(jù)有關(guān)資料介紹，世界范圍內(nèi)平均每年用于處理井眼失穩(wěn)的費(fèi)用達(dá)810億美元，消耗的時(shí)間約占鉆井總時(shí)間的5一6%。國(guó)內(nèi)各油田由于井壁失穩(wěn)造成的損失在鉆井事故損失中所占比例依然很大。因此，鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定與否，關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)安全、快速的鉆進(jìn)，同時(shí).又能夠盡可能的減少對(duì)儲(chǔ)集層段的污染，減少鉆井費(fèi)用。所以對(duì)井壁穩(wěn)定性的研究越來(lái)越受到重視，已經(jīng)成為當(dāng)今乃至將來(lái)研究重點(diǎn)。通過(guò)相關(guān)資料的研究和計(jì)算可以得出井壁巖石地層處的破裂壓力及坍塌壓力，從而建立相應(yīng)的井壁穩(wěn)定模型，可以有效的控制鉆井過(guò)程中

8、的井壁失穩(wěn)，以便采取相應(yīng)的措施，達(dá)到減少井下事故的發(fā)生，縮短鉆井周期的目的，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、安全、高效和低成本鉆井的關(guān)鍵。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)由于鉆井過(guò)程中的井壁失穩(wěn)是一個(gè)世界性難題，因此受到各國(guó)科研人員的高度重視。但是，由于受石油鉆井工程發(fā)展歷史的影響，長(zhǎng)期以來(lái)，研究的重點(diǎn)多集中于化學(xué)防塌方面。在這方面，泥漿工作者進(jìn)行了大量行之有效的工作，從化學(xué)的角度出發(fā)研制抑制泥頁(yè)巖水化、膨脹和實(shí)現(xiàn)離子活度平衡的新型泥漿處理劑和配方，使井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大為減少，井壁穩(wěn)定技術(shù)取得很大進(jìn)展，但是，仍然解決不了水化程度弱、強(qiáng)度低的泥頁(yè)巖、砂泥巖地層，強(qiáng)地應(yīng)力條件的山前構(gòu)造、弱面地層和井斜及井斜引起的井壁失穩(wěn)

9、問(wèn)題，可見，解決井壁失穩(wěn)僅通過(guò)使用優(yōu)質(zhì)泥漿是不夠的，有必要從巖石力學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)行井壁穩(wěn)定力學(xué)研究。自本一世紀(jì)40年代以來(lái)，國(guó)外眾多的研究者就己為解決與井壁穩(wěn)定有關(guān)的巖石力學(xué)問(wèn)題做出了大量的努力。這些研究最初是將力學(xué)和化學(xué)兩方面的問(wèn)題分開進(jìn)行的，并著重于純理論上的定性分析。隨后，一些研究人員又從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的角度提出了利用測(cè)井資料來(lái)研究井壁穩(wěn)定的方法，比如斯倫貝謝測(cè)井公司從70年代起開始利用測(cè)井資料解釋地層的力學(xué)問(wèn)題，先后提供了巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)井(MECHPRO)，力學(xué)穩(wěn)定性測(cè)井(MSL)和井眼力學(xué)問(wèn)題系統(tǒng)(IMPACT)等技術(shù)。80年代以來(lái)，特別是近年來(lái)隨著水平井和大位移井的發(fā)展，這方面的研究更

10、為受到重視，己達(dá)到定量化階段，并開始在現(xiàn)場(chǎng)試用。國(guó)內(nèi)學(xué)者將巖石力學(xué)理論用于鉆井井壁穩(wěn)定方面的研究起步相對(duì)較晚。80年代初期，巖石力學(xué)的研究主要是用于描述地層蠕變對(duì)套管產(chǎn)生的破壞作用，到90年代，在井壁穩(wěn)定方面的研究有了很大的發(fā)展，黃榮蹲等人還對(duì)大斜度井和水平井井壁力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題作了深入的研究，其井壁穩(wěn)定性模型在Aadnoy模型的基礎(chǔ)上又附加了井壁滲透性因素和考慮了兩個(gè)水平地應(yīng)力不相等的情況，并指出井壁滲透性對(duì)坍塌壓力的計(jì)算影響大不，但對(duì)計(jì)算破裂壓力有較大的影響。隨后，石油大學(xué)巖石力學(xué)研究組又集中力量開展了對(duì)泥頁(yè)巖井壁坍塌的力學(xué)、化學(xué)藕合方面的研究。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還應(yīng)用損傷力學(xué)理論，從巖體節(jié)理的

11、變形能出發(fā)，建立了硬脆性泥頁(yè)巖(含節(jié)理裂隙)的本構(gòu)方程，又以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用固體力學(xué)方法建立了膨脹性泥頁(yè)巖水化的本構(gòu)方程，根據(jù)損傷和水化膨脹的特性，建立了有限元計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算程序，結(jié)合莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，給出了確定井壁穩(wěn)定所需鉆井液密度值的新方法。總之，井壁穩(wěn)定問(wèn)題的理論研究已發(fā)展到了一定的水平，而且正不斷加大鉆前井壁穩(wěn)定的預(yù)測(cè)力度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)井壁穩(wěn)定的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)研究主要從兩個(gè)方面來(lái)展開:第一是借助先進(jìn)的隨鉆測(cè)量工具(UWD、MWD等)來(lái)獲得井壁的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而利用原有的相對(duì)成熟的巖石力學(xué)參數(shù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)公式，來(lái)分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性:第二是利用對(duì)巖屑的測(cè)量獲得擬聲波測(cè)井結(jié)果和巖石強(qiáng)度參數(shù)，

12、來(lái)分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性。而實(shí)時(shí)地對(duì)當(dāng)前鉆頭處地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，及對(duì)鉆頭底下地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，是當(dāng)前鉆井急需解決的理論和工程難題?？偟膩?lái)講，井壁穩(wěn)定力學(xué)研究應(yīng)從3個(gè)方面入手:巖石力學(xué)參數(shù)、原地應(yīng)力場(chǎng)和井壁穩(wěn)定力學(xué)模型研究。巖石力學(xué)參數(shù)是基礎(chǔ)，地應(yīng)力是井壁失穩(wěn)的根本誘因，合理的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型是解決井壁穩(wěn)定問(wèn)題的有效途徑。結(jié)合3個(gè)方面的研究，掌握地應(yīng)力狀態(tài)和地層力學(xué)參數(shù)，采用合理的力學(xué)模型，得出能控制井壁失穩(wěn)的泥漿密度范圍，再配合使用優(yōu)質(zhì)泥漿，才能使得井壁失穩(wěn)問(wèn)題得到最大限度的降低。1.3 本題的研究方法主要利用給出的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)地層力學(xué)參數(shù)、孔隙壓力、地應(yīng)力、地層坍塌壓力與破裂壓

13、力進(jìn)行分析計(jì)算，得出地層力學(xué)參數(shù)、地層主應(yīng)力、地層坍塌、破裂壓力剖面；分析儲(chǔ)層出砂可能性，提出完井方式建議；分析水平井裸眼壓裂的起裂壓力。第二章 基于測(cè)井資料分析過(guò)程2.1 地層巖性分析2.1.1 泥質(zhì)含量地層中的泥質(zhì)含量與自然讀數(shù)GR的關(guān)系往往是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的。德萊賽測(cè)井公司在墨西哥灣采用式（2.1.1）求泥質(zhì)的體積含量Vs1。 （2.1.1） （2.1.2）式中，Vsh泥質(zhì)的體積含量；GCUR希爾奇指數(shù)，對(duì)于第三系地層取值3.7，老地層取值2，題目中有說(shuō)明鉆遇的是第三系和第四系，故其值取3.7；IGR泥質(zhì)含量指數(shù)；GR、GRmax 、GRmin目的層的、純泥頁(yè)巖的和純砂巖層的自然伽馬值。根

14、據(jù)GR測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，獲得最大值134.92和最小值35.213。取GRmin=30(API)，GRmax=140(API)。在Matlab中編程并繪制泥質(zhì)含量隨井身變化剖面圖：圖2-1 泥質(zhì)含量隨井深剖面變化圖2.1.2 井徑測(cè)井分析將鉆頭直徑數(shù)據(jù)與井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)繪制與一張圖中：圖 2-2 井眼直徑在鉆井過(guò)程的變化2.1.3 巖性分析自然伽馬測(cè)井劃分巖性原理是利用自然伽馬測(cè)井曲線劃分巖性，主要是根據(jù)巖層中泥質(zhì)含量不同進(jìn)行的。在砂泥巖剖面中，砂巖顯示出最低值，粘土（泥巖、頁(yè)巖）顯示最高值，而粉砂巖、泥質(zhì)砂巖介于中間，并隨著巖層中泥質(zhì)含量增加曲線幅度增大。通常規(guī)定Vsh0.7的層段是純泥巖段，Vsh0.

15、2的層段是純砂巖段。井徑測(cè)井中擴(kuò)徑主要發(fā)生在疏松砂巖段和泥質(zhì)含量較高的井段，縮頸主要發(fā)生于砂巖段。結(jié)合泥質(zhì)含量曲線和井徑測(cè)井曲線分析地層巖性：1600m-1800m深度處，泥質(zhì)含量較低（Vsh %導(dǎo)入測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（已存為loggingdata.mat）。load(C:UserswdyDesktoploggingdata.mat);L=loggingdata;l,r=size(L);DEPT=L(:,1);BIT=L(:,2);CAL=L(:,3);GR=L(:,4);DT=L(:,5);DEN=L(:,6);%繪制鉆頭尺寸和井眼直徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線。subplot(1,2,2);plot(BIT,DE

16、PT,r,CAL,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(in);ylabel(深度/m); title(鉆頭尺寸與實(shí)際井眼尺寸對(duì)比); legend(BIT,CAL); grid on;%用GR（自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)）計(jì)算泥質(zhì)含量。plot(GR,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(API);ylabel(深度/m); title(自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)隨深度的變化); grid on;%繪制自然伽馬測(cè)井曲線，以便選取GRmin和GRmax。M=max(GR);m=min(GR);%得到M=134.9200，m=35.2130。G

17、Rmin=30;GRmax=140;IGR=(GR-GRmin*ones(l,1)./(GRmax-GRmin);GCUR=3.7;%鉆遇第三系和第四系地層，希爾奇指數(shù)取3.7。Vsh=(2.(GCUR*IGR-ones(l,1)./(2.GCUR-ones(l,1);plot(Vsh,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(泥質(zhì)含量);ylabel(深度/m); title(泥質(zhì)含量隨深度的變化關(guān)系); grid on;%利用密度測(cè)井和聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算Biot彈性系數(shù)。DT=100/30.48*10-6*DT;%將聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換為國(guó)際單位。Vp=one

18、s(l,1)./DT*10-3;%求取縱波速度，單位是Km/s。Vs=(11.44*Vp+18.03*ones(l,1).0.5-5.686*ones(l,1);%利用經(jīng)驗(yàn)公式求取橫波速度。B=1-(DEN.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(2.65*ones(l,1).*(3*5.952*ones(l,1)-4*32*ones(l,1);plot(B,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(有效應(yīng)力系數(shù));ylabel(深度/m); title(有效應(yīng)力系數(shù)); grid on;%用聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和密度測(cè)井資料求取彈性模量和泊松比。Ed=1000*DEN.

19、*Vs.2.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(Vp.2-2*Vs.2);%求動(dòng)態(tài)彈性模量。Es=0.6042*Ed-0.1989;%求靜態(tài)彈性模量。plot(Es,DEPT,r);set(gca,YDir,reverse);xlabel(靜態(tài)態(tài)彈性模量/MPa);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對(duì)應(yīng)的靜態(tài)彈性模量); grid on;%繪制彈性模量曲線。miud=(0.5*Vp.2-Vs.2)./(Vp.2-Vs.2); %求動(dòng)態(tài)泊松比。mius=0.18+0.3*miud;%求靜態(tài)泊松比。plot(mius,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);

20、xlabel(靜態(tài)泊松比);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對(duì)應(yīng)的靜態(tài)泊松比); grid on;%繪制泊松比曲線。%求取內(nèi)聚力，內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度。C1=(ones(l,1)-2*mius).*(ones(l,1)+mius)./(ones(l,1)-mius).*DEN.2.*(Vp*1000).4.*(ones(l,1)+0.78*Vsh);%不帶系數(shù)的內(nèi)聚力。a=C1(2198);b=C1(2288);c=C1(2376);C=7.927e-15*C1;%通過(guò)室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定求內(nèi)聚力的系數(shù)。St=10-1*(0.0045*Es.*(ones(l,1)-Vsh)+

21、0.008*Vsh.*Es)/12;%計(jì)算抗拉強(qiáng)度。KL=58.93-1.785*C;phi=2.6541*log10(KL+KL.2+1).0.5)+20;%計(jì)算內(nèi)摩擦角。subplot(1,3,1);plot(C,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(內(nèi)聚力);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對(duì)應(yīng)的內(nèi)聚力); grid on;%繪制內(nèi)聚力曲線。subplot(1,3,2);plot(phi,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(內(nèi)摩擦角/度);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對(duì)應(yīng)

22、的內(nèi)摩擦角); grid on;%繪制內(nèi)摩擦角曲線。subplot(1,3,3);plot(St,DEPT,r);set(gca,YDir,reverse);xlabel(抗拉強(qiáng)度/MPa);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度); grid on;%繪制抗拉強(qiáng)度曲線。 %利用積分法計(jì)算垂直主應(yīng)力，計(jì)算孔隙壓力。 Sigv=ones(l,1);for i=1:lSigv(i)= 0.00981*1600*2.1918+sum(0.00981*DEN(1:i);%求垂直應(yīng)力。end%導(dǎo)入正常壓實(shí)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)（已存為P.mat）。load(C:UserswdyDesk

23、topP.mat);Gv=Sigv./DEPT/0.00981;Pp=Gv+(Gv-ones(l,1).* (37.276*DT*30.48/100*1e6-6222.1*ones(l,1)./DEPT;plot(Pp,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(地層壓力梯度);ylabel(深度/m); title(地層孔隙壓力剖面);plot(Gv,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(上覆巖層壓力);ylabel(深度/m); title(上覆巖層壓力當(dāng)量鉆井液密度井深剖面);%求最大最小水平主應(yīng)力ep1 =9.3901e

24、-4;ep2=5.1362e-4;Sigmah=mius./(1-mius).*(Sigv-B.*Pp)+B.*Pp+ep1*Es.*mius./(1-mius)+ep2*Es./(1-mius);SigmaH=mius./(ones(l,1)-mius).*(Sigv-B.*Pp)+B.*Pp+ep2*Es.*mius./(ones(l,1)-mius)+ep1*Es./(ones(l,1)-mius);PH= SigmaH./( 0.00981*DEPT);Ph= Sigmah./(0.00981*DEPT);subplot(1,3,1);plot(Ph,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(最小水平主