巖石力學(xué)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)與井壁穩(wěn)定預(yù)測

1、巖石力學(xué)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)與井壁穩(wěn)定預(yù)測井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)o意義？意義？n 井壁穩(wěn)定性分析及安全泥漿密度窗口井壁穩(wěn)定性分析及安全泥漿密度窗口的確定基礎(chǔ)的確定基礎(chǔ)n 出砂預(yù)測研究的基礎(chǔ)出砂預(yù)測研究的基礎(chǔ)n o 假設(shè)條件：假設(shè)條件：n 地層均質(zhì)各向同性地層均質(zhì)各向同性n 線形彈性，小變形線形彈性，小變形n 軸向軸向平面應(yīng)力或平面應(yīng)變平面應(yīng)力或平面應(yīng)變井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) h二維平面應(yīng)變模型二維平面應(yīng)變模型 r直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)依據(jù)線彈

2、性、小變形應(yīng)力疊加原理對井眼受力依據(jù)線彈性、小變形應(yīng)力疊加原理對井眼受力進(jìn)行分解進(jìn)行分解請回憶彈性基礎(chǔ)中厚壁筒及小孔應(yīng)力集中請回憶彈性基礎(chǔ)中厚壁筒及小孔應(yīng)力集中o 由鉆井液柱壓力由鉆井液柱壓力P P引起的應(yīng)力引起的應(yīng)力 直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)無剪應(yīng)力，只與井眼半徑無剪應(yīng)力，只與井眼半徑R R和地層的矢徑和地層的矢徑r r有關(guān)有關(guān)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)由水平最大地應(yīng)力由水平最大地應(yīng)力 所引起的井周應(yīng)力分布所引起的井周應(yīng)力分布直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)由水平最小地應(yīng)力由水平最小地應(yīng)力 所引起的井周應(yīng)力分布所引起的井周應(yīng)力分布

3、直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)鉆井液滲流效應(yīng)鉆井液滲流效應(yīng)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井壁應(yīng)力狀態(tài)：井壁應(yīng)力狀態(tài)：直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍應(yīng)力分布的特點(diǎn)是什么？直井井眼周圍應(yīng)力分布的特點(diǎn)是什么？AAmaxhminh井周地層應(yīng)力狀態(tài)井周地層應(yīng)力狀態(tài)(after Gaarenstroom et al., 1993)volume監(jiān)測裂縫擴(kuò)展和關(guān)井后的壓力，準(zhǔn)監(jiān)測裂縫擴(kuò)展和關(guān)井后的壓力，準(zhǔn)確確定最小主應(yīng)力確確定最小主應(yīng)力典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線出現(xiàn)剪切裂縫破裂漏

4、失停泵裂縫閉合裂縫重張時間井口壓力利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力：利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力：地層破裂壓力（地層破裂壓力（Pf）：地層破裂產(chǎn)生流體漏失時的井底壓力）：地層破裂產(chǎn)生流體漏失時的井底壓力裂縫延伸壓力（裂縫延伸壓力（Pr）：使一個已存在的裂縫延伸擴(kuò)展時的井底壓力）：使一個已存在的裂縫延伸擴(kuò)展時的井底壓力裂縫閉合壓力（裂縫閉合壓力（PFcp）：使一個存在的裂縫保持張開時的最小井底壓）：使一個存在的裂縫保持張開時的最小井底壓力，它等于作用在巖體上垂直裂縫面的法向應(yīng)力，即最小水平主地應(yīng)力力，它等于作用在巖體上垂直裂縫面的法向應(yīng)力，即最小水平主地應(yīng)力。瞬時停泵壓力（瞬時停泵壓力（PISI

5、P）：關(guān)泵瞬間的裂縫中的壓力。它一般大于）：關(guān)泵瞬間的裂縫中的壓力。它一般大于PFcp，兩者之間的差別一般在兩者之間的差別一般在0.17MPa之間變化，它取決壓裂工藝及巖石之間變化，它取決壓裂工藝及巖石性質(zhì)。在低滲透性地層，兩者近似相等性質(zhì)。在低滲透性地層，兩者近似相等利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力：利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力：地層傾角測井確定地應(yīng)力方位地層傾角測井確定地應(yīng)力方位主地應(yīng)力方向主地應(yīng)力方向H坍塌壓力、破裂壓力坍塌壓力、破裂壓力推導(dǎo)！推導(dǎo)！不考慮非線性修正，直井坍塌、破裂壓力公式：不考慮非線性修正，直井坍塌、破裂壓力公式：注意各符號表示的物理意義。注意各符號表示的物理意義。定向

6、井井周地層應(yīng)力狀態(tài)定向井井周地層應(yīng)力狀態(tài)最大水平地應(yīng)力方位：井壁坍塌風(fēng)險最高坍塌壓力隨井斜方位的變化最大水平地應(yīng)力方位：井壁破裂風(fēng)險最高破裂壓力隨井斜方位的變化安全泥漿密度窗口安全泥漿密度窗口地應(yīng)力地應(yīng)力本構(gòu)模型本構(gòu)模型給定的泥漿密度給定的泥漿密度井周應(yīng)力應(yīng)變井周應(yīng)力應(yīng)變破壞準(zhǔn)則破壞準(zhǔn)則提高泥漿密度提高泥漿密度結(jié)束結(jié)束穩(wěn)定穩(wěn)定失穩(wěn)失穩(wěn)泥頁巖水化坍塌問題泥頁巖水化坍塌問題不同泥漿體系下不同泥漿體系下泥巖吸水特性泥巖吸水特性含水量對泊松比的影響含水量對泊松比的影響含水量對內(nèi)摩擦角的影響含水量對內(nèi)摩擦角的影響含水量對粘聚力的影響含水量對粘聚力的影響含水量對彈性模量的影響含水量對彈性模量的影響改進(jìn)的聚

7、璜泥漿改進(jìn)的聚璜泥漿硅酸鹽泥漿硅酸鹽泥漿層理性地層井壁穩(wěn)定性問題層理性地層井壁穩(wěn)定性問題o 霍霍003003井安集海河組泥井安集海河組泥頁巖地層坍塌掉塊頁巖地層坍塌掉塊層理層理o潿西南油田群，在層理發(fā)育的潿二段、流二段泥潿西南油田群，在層理發(fā)育的潿二段、流二段泥頁巖地層中鉆進(jìn)定向井時，井壁坍塌卡鉆等井下頁巖地層中鉆進(jìn)定向井時，井壁坍塌卡鉆等井下復(fù)雜時有發(fā)生復(fù)雜時有發(fā)生潿二段泥頁巖地層（泡水前）潿二段泥頁巖地層（泡水前）潿二段泥頁巖地層（泡水后）潿二段泥頁巖地層（泡水后）潿二段泥頁巖潿二段泥頁巖Borehole Stability in Fissile Shale in Northeastern

8、 British Columbia Mountain Range層理性泥頁巖地層強(qiáng)度特性層理性泥頁巖地層強(qiáng)度特性o地層力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性，軸向與層理面法線夾角在地層力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性，軸向與層理面法線夾角在45457575度之度之間時強(qiáng)度最低，約為垂直層理面強(qiáng)度的間時強(qiáng)度最低，約為垂直層理面強(qiáng)度的1/51/51/61/6。o層理面的粘聚力、內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)低于巖石基體的粘聚力、內(nèi)摩擦角，高傾角下的破層理面的粘聚力、內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)低于巖石基體的粘聚力、內(nèi)摩擦角，高傾角下的破壞多為沿層理面的剪切破壞。壞多為沿層理面的剪切破壞。取心方式取心方式層理性泥頁巖地層滲透特性層理性泥頁巖地層滲透特性問

9、題的難點(diǎn)問題的難點(diǎn)考慮因素傳統(tǒng)模型層理性泥頁巖問題地層本構(gòu)模型各向同性體各向異性體滲流方式Darcy滲流各向異性滲流滲流對強(qiáng)度的影響無有泥頁巖吸水影響強(qiáng)度無沿層吸水層理、裂縫面無有復(fù)雜的力學(xué)、化學(xué)、水復(fù)雜的力學(xué)、化學(xué)、水動力學(xué)耦合問題動力學(xué)耦合問題沒有解析解，必須數(shù)值求解沒有解析解，必須數(shù)值求解層理性地層井壁破壞點(diǎn)分析 定義層理面破壞比定義層理面破壞比最大水平地應(yīng)力南最大水平地應(yīng)力南北方向，破壞點(diǎn)最北方向，破壞點(diǎn)最大值不在最小地應(yīng)大值不在最小地應(yīng)力方位，在應(yīng)用井力方位，在應(yīng)用井壁崩落橢圓法確定壁崩落橢圓法確定水平地應(yīng)力方位時水平地應(yīng)力方位時應(yīng)當(dāng)引起注意應(yīng)當(dāng)引起注意破壞比大于破壞比大于1，失穩(wěn)，

10、失穩(wěn)地層走向?qū)永硇阅囗搸r坍塌壓力的影響地層走向?qū)永硇阅囗搸r坍塌壓力的影響與地層傾角相比較，與地層傾角相比較，走向?qū)μ鷫毫Φ挠白呦驅(qū)μ鷫毫Φ挠绊戄^小響較小定向井井眼軌跡對坍塌壓力的影響定向井井眼軌跡對坍塌壓力的影響o以霍爾果斯構(gòu)造安集海河組高陡層理性泥頁巖地層為例，地層南傾，地層傾角以霍爾果斯構(gòu)造安集海河組高陡層理性泥頁巖地層為例，地層南傾，地層傾角50500 0，水平最大地應(yīng)力近南北走向，水平最大地應(yīng)力近南北走向o以近垂直層理面的方位井斜鉆定向井，使坍塌壓力大幅降低，有利于井壁穩(wěn)定以近垂直層理面的方位井斜鉆定向井，使坍塌壓力大幅降低，有利于井壁穩(wěn)定定向井井眼軌跡對坍塌壓力的影響定向井井

11、眼軌跡對坍塌壓力的影響井斜過大，坍塌壓井斜過大，坍塌壓力迅速增高力迅速增高近似水平層理近似水平層理o以潿以潿12-112-1北油田潿二段層理性泥北油田潿二段層理性泥頁巖地層為例頁巖地層為例水平最大地應(yīng)力方位水平最大地應(yīng)力方位N50N50 E E方位角方位角井斜角井斜角高陡層理性地層井眼縮徑規(guī)律研究高陡層理性地層井眼縮徑規(guī)律研究 隨井眼鉆開時間的增長，井隨井眼鉆開時間的增長，井壁最大縮徑量經(jīng)歷緩慢、快壁最大縮徑量經(jīng)歷緩慢、快速平緩增長三個階段速平緩增長三個階段起鉆時鉆頭對縮徑的地層產(chǎn)起鉆時鉆頭對縮徑的地層產(chǎn)生向上的拉力，地層坍塌生向上的拉力，地層坍塌高陡層理性地層井眼縮徑規(guī)律研究高陡層理性地層井

12、眼縮徑規(guī)律研究提高泥漿密度只在短期內(nèi)提高泥漿密度只在短期內(nèi)有利于控制井眼縮徑有利于控制井眼縮徑井壁滲流速度越大井井壁滲流速度越大井眼穩(wěn)定周期越短眼穩(wěn)定周期越短裂縫發(fā)育的破碎性地層各向異性地層加拿大科學(xué)家的研究結(jié)果加拿大科學(xué)家的研究結(jié)果破碎性地層的穩(wěn)定性的研究方法o破碎性地層的力學(xué)特性破碎性地層的力學(xué)特性n 由于結(jié)構(gòu)面的存在，破碎性地層的力學(xué)性質(zhì)主要受結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的影響n 與完整地層相比，結(jié)構(gòu)面是高滲面，必須考慮滲流影響o 破碎性地層穩(wěn)定性問題，沒有解析解，必須進(jìn)行數(shù)值求解破碎性地層穩(wěn)定性問題，沒有解析解，必須進(jìn)行數(shù)值求解n 有限元方法：節(jié)理面有限元模型（有限結(jié)構(gòu)面）、當(dāng)量連續(xù)體模型（多組結(jié)構(gòu)

13、面或隨機(jī)結(jié)構(gòu)面）n 離散元方法：塊體平衡理論，目前只能進(jìn)行二維分析破碎性地層的失穩(wěn)形式 o 結(jié)構(gòu)面的破壞有兩類：一是沿著結(jié)構(gòu)面的剪切破壞，二是垂直于節(jié)理面的結(jié)構(gòu)面的破壞有兩類：一是沿著結(jié)構(gòu)面的剪切破壞，二是垂直于節(jié)理面的拉張破壞；支撐不夠的時候發(fā)生沿著結(jié)構(gòu)面的剪切破壞，大塊坍塌，封堵拉張破壞；支撐不夠的時候發(fā)生沿著結(jié)構(gòu)面的剪切破壞，大塊坍塌，封堵不好，無法有效遏制滲流，導(dǎo)致垂直于結(jié)構(gòu)面的拉張破壞，也是大塊坍塌。不好，無法有效遏制滲流，導(dǎo)致垂直于結(jié)構(gòu)面的拉張破壞，也是大塊坍塌。破碎性地層井壁失穩(wěn)規(guī)律的數(shù)值模擬破碎性地層井壁失穩(wěn)規(guī)律的數(shù)值模擬破碎性地層井壁失穩(wěn)規(guī)律的數(shù)值模擬 井眼周圍巖體的快速崩解

14、過程流變性地層井壁穩(wěn)定性問題流變性地層井壁穩(wěn)定性問題例題例題1：o 巖石抗壓強(qiáng)度的定義？下圖巖石單軸壓縮實(shí)巖石抗壓強(qiáng)度的定義？下圖巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)確定的地層抗壓強(qiáng)度是？驗(yàn)確定的地層抗壓強(qiáng)度是？o 巖石初始變形模量、切線變形模量和割線變巖石初始變形模量、切線變形模量和割線變形模量的數(shù)學(xué)表達(dá)式？通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定巖形模量的數(shù)學(xué)表達(dá)式？通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定巖石的切線變形模量和泊松比石的切線變形模量和泊松比o 若相同巖石在若相同巖石在15MPa15MPa圍壓下抗壓強(qiáng)度為圍壓下抗壓強(qiáng)度為70MPa70MPa，結(jié)合單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算巖石的內(nèi)摩擦角結(jié)合單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力。和粘聚力。例題例

15、題2：o 巖石典型蠕變曲線分為那幾個階段？特征是巖石典型蠕變曲線分為那幾個階段？特征是什么？什么？o 用用MaxwellMaxwell模型闡述巖石的蠕變特性和松弛特模型闡述巖石的蠕變特性和松弛特性，試述巖石蠕變特性對石油工程的影響性，試述巖石蠕變特性對石油工程的影響（井壁穩(wěn)定方面和套管損壞方面）？（井壁穩(wěn)定方面和套管損壞方面）？例題例題3：o 地應(yīng)力的概念？成因及分布規(guī)律？地應(yīng)力的概念？成因及分布規(guī)律？o 對井深對井深20002000米的地層，通過水力壓裂法測量米的地層，通過水力壓裂法測量地應(yīng)力過程中，若已知地層抗拉強(qiáng)度為地應(yīng)力過程中，若已知地層抗拉強(qiáng)度為2MPa2MPa，孔隙壓力為孔隙壓力為20MPa20MPa，裂縫閉合壓力為，裂縫閉合壓力為35MPa35MPa，求兩個水平地應(yīng)力的當(dāng)量泥漿密度求兩個水平地應(yīng)力的當(dāng)量泥漿密度o 利用測井資料進(jìn)行分層地應(yīng)力