巖石力學(xué)8章分析解析課件

1、 第一節(jié) 井壁失穩(wěn)(unstable borehole)的原因及危害 在石油鉆井中，井眼穩(wěn)定(borehole stability )問題是世界范圍內(nèi)普遍存在的問題。每年由此造成的直徑經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億美元之巨。因此國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在致力于此項研究。 第八章 井 壁 穩(wěn) 定(borehole stability) 在鉆井之前，深埋在地下的巖層受到上覆巖層壓力（overburden pressure） 、最大水平地應(yīng)力(maximu horizontal in site stress )、最小水平地應(yīng)力(minimum horizontal in site stress )和孔隙壓力(pore

2、pressure )的共同作用，處于平衡狀態(tài)。 打開井眼后，井內(nèi)的巖石被取走，井壁(borehole wall )巖石失去了原有的支持，取而代之的是泥漿靜液壓力(mud hydrostatic pressure )，在這種新條件下，井眼應(yīng)力將產(chǎn)生重新分布，使井壁附近產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中(stress concentration )，如果巖石強(qiáng)度不夠大，就會出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象。 井壁失穩(wěn)(unstable borehole)問題的工程分類： 縮徑(out of gauge holes )：井眼壓力較小，井壁巖石發(fā)生延性流動； 井漏(lost circulation )：井眼壓力大于地層破裂壓力；

3、井塌(borehole collapse )：井眼壓力小于地層破裂壓力，同時容易發(fā)生井噴(blowout )事故。 一、井壁不穩(wěn)定的危害 在我國各大油田的長期勘探開發(fā)過程中，井壁不穩(wěn)定問題一直比較突出。如環(huán)渤海灣地區(qū)主要表現(xiàn)為館陶、明化鎮(zhèn)組泥頁巖地層的水化膨脹，造成縮徑卡鉆事故；東營底、沙河街、孔店組泥頁巖地層的剝落掉塊，造成井徑擴(kuò)大(out of gauge hole )、坍塌卡鉆(stuck drill pipe )、電測質(zhì)量低下、固井不合格等工程事故；一些特殊層位如：生物灰?guī)r、裂隙性玄武巖、軟弱砂巖的井塌井漏等。 這些事故的發(fā)生會嚴(yán)重拖延了鉆井周期，明顯增加鉆井成本，并給后續(xù)工作帶來不利

4、影響。嚴(yán)重時可使部分井眼報廢甚至使整個井眼報廢(lost well )。 二、井壁不穩(wěn)定的原因及其研究方法 1、井壁不穩(wěn)定的原因 如果井眼內(nèi)的泥漿密度過低，井壁應(yīng)力將超過巖石的抗剪強(qiáng)度(shear strength )而產(chǎn)生剪切破壞（shear failure,表現(xiàn)為井眼坍塌擴(kuò)徑或屈服縮徑），此時的臨界井眼壓力定義為坍塌壓力(collapse pressure)； 如果泥漿密度過高，井壁上將產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力(tensile stress )大于巖石的抗拉強(qiáng)度(tensile strength )時，將產(chǎn)生拉伸破壞（ tensile failure,表現(xiàn)為井漏），此時的臨界井眼壓力定義為

5、破裂壓力(fracture pressure )。 因此，在工程實(shí)際中，可以通過調(diào)整泥漿密度，來改變井眼附近的應(yīng)力狀態(tài)(stress state )，達(dá)到穩(wěn)定井眼的目的。 2、井壁失穩(wěn)與巖石破壞類型的關(guān)系 井壁失穩(wěn)(unstable borehole)時巖石的破壞類型主要有兩種：拉伸破壞(tensile failure)、剪切破壞（shear failure )。 剪切破壞又分為兩種類型: 一種是脆性破壞，導(dǎo)致井眼擴(kuò)大，這會給固井、測井帶來問題。這種破壞通常發(fā)生在脆性巖石中，但對于弱膠結(jié)地層由于沖蝕作用也可能出現(xiàn)井眼擴(kuò)大； 另一種是延性破壞，導(dǎo)致縮徑，發(fā)生在軟泥巖、砂巖、巖鹽等地層，在工程上遇

6、到這種現(xiàn)象要不斷地劃眼，否則會出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。 拉伸破壞或水力壓裂會導(dǎo)致井漏，嚴(yán)重時可造成井噴。 實(shí)際上井壁穩(wěn)定與否最終都表現(xiàn)在井眼圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。如果井壁應(yīng)力超過強(qiáng)度包線，井壁就要破壞；否則井壁就是穩(wěn)定的。 3、井壁失穩(wěn)的原因 通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)，影響井壁穩(wěn)定的因素概括起來可分為四大類： （1）地質(zhì)力學(xué)因素，原地應(yīng)力狀態(tài)(in site stress state )、地層孔隙壓力(formation pore pressure ) 、原地溫度、地質(zhì)構(gòu)造特征(geological structural feature)等。這些因素是不可改變的，只能準(zhǔn)確地確定它們。 （2）巖石的綜合性質(zhì)，巖石

7、的強(qiáng)度(rock strength )和變形(deformation )特征等、孔隙度(porosity )、含水量、粘土含量(clay content )、組成和壓實(shí)情況等。 （3）鉆井液(drilling fluid )的綜合性質(zhì)，化學(xué)組成、連續(xù)相的性質(zhì)、內(nèi)部相的組成和類型、與連續(xù)相有關(guān)的添加劑類型、泥漿體系的維護(hù)等。特別是對于泥頁巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，鉆井液對它們的物理力學(xué)性質(zhì)的影響非常的大。 （4）其它工程因素，包括打開井眼的時間、裸眼長度、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)（井深、井斜角、方位角azimuth angle ）、壓力激動和抽吸(surge and swab pressure)等。 這些因素和參

8、數(shù)之間相互作用、相互影響，使井壁穩(wěn)定問題變得非常復(fù)雜。 4、井壁穩(wěn)定的研究方法 井壁穩(wěn)定性(borehole stability )的研究方法目前主要有三種：一是泥漿化學(xué)研究，二是巖石力學(xué)研究，三是化學(xué)和力學(xué)藕合起來研究。 泥漿化學(xué)方面研究: 從泥漿化學(xué)方面研究井壁穩(wěn)定，主要研究泥頁巖水化膨脹的機(jī)理，尋找抑制泥頁巖水化膨脹(hydrate expansion )的化學(xué)添加劑和泥漿體系，最大限度地減少鉆井液對地層的負(fù)面影響。 力學(xué)方面的研究: 巖石力學(xué)研究主要包括原地應(yīng)力狀態(tài)(in site stress state )的確定、巖石力學(xué)性質(zhì)(rock mechanical character)的

9、測定、井眼圍巖應(yīng)力(stresses around borehole )分析，最終確定保持井眼穩(wěn)定的合理泥漿密度(mud weight )。 化學(xué)和力學(xué)藕合研究 泥漿化學(xué)和巖石力學(xué)藕合起來研究，盡可能多地搜集井眼情況資料（如井眼何時以何種方式出現(xiàn)復(fù)雜情況），盡可能準(zhǔn)確地估計巖石的性能，確定起主要作用的參數(shù)有哪些。第二節(jié) 井眼圍巖應(yīng)力(stresses around borehole )分布 要進(jìn)行井壁穩(wěn)定的力學(xué)分析，首要任務(wù)之一就是確定井壁圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律。 一、直井井壁圍巖的應(yīng)力分布 下圖是直井井眼(vertical borehole )力學(xué)模型，在X方向無限遠(yuǎn)處作用有最大水平主應(yīng)力，在Y

10、方向無限遠(yuǎn)處作用有最小水平主應(yīng)力，在井眼內(nèi)部作用有鉆井液的靜液壓力，地層內(nèi)部作用有地層孔隙壓力。 由于地層是線彈性的，遵循疊加原理，圖8-1可分解為圖8-2所示的兩個模型的疊加。一是厚壁筒(thick-wall cylinder )模型，一是單向受壓大板小孔應(yīng)力集中模型。這兩個模型都是經(jīng)典的彈性力學(xué)問題，具有解析解。 單向受壓無限大板小孔應(yīng)力集中模型的解為： 厚壁筒模型的解為： 當(dāng)井內(nèi)流體與地層流體相互滲透時，還應(yīng)考慮流體滲濾的作用所引起的附加應(yīng)力場 。將以上三方面綜合起來（或疊加起來），即得直井井壁圍巖應(yīng)力分布： 式中： 一 分為最大和最小水平主應(yīng)力； 垂直主應(yīng)力； P 地層中的原始孔隙壓力

11、； P 井眼壓力； 波松比； 當(dāng)井壁有滲透時， ；當(dāng)井壁無滲透時， 。 二、斜井圍巖應(yīng)力分布規(guī)律 斜井(deviated borehole )時，所建立的坐標(biāo)系需要轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過一系列的比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以得到井壁圍巖的應(yīng)力分布（略）。 已知井眼的應(yīng)力分布規(guī)律后，根據(jù)一定的強(qiáng)度準(zhǔn)則，就可以判斷井壁是否發(fā)生失穩(wěn)破壞。 一、井壁坍塌 井壁坍塌時，井壁上發(fā)生的是剪切破壞，常用的破壞準(zhǔn)則有Mohre-Coulomb準(zhǔn)則和Drucker-Prager準(zhǔn)則。 第三節(jié) 井壁的坍塌與破裂 對于直井、均勻水平原地應(yīng)力、不考慮流體滲濾和孔隙壓力的情況，井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)： 根據(jù)井壁上的主應(yīng)力分量的相對大小不同，

12、可能存在幾種破壞情況。在 的情況下，根據(jù)Mohre-Coulomb準(zhǔn)則有： 若井眼壓力低于上式的值，井壁就會發(fā)生剪切破壞（井壁坍塌）。 隨著井眼壓力的提高會出現(xiàn) 的情況，仍根據(jù)莫爾一庫侖準(zhǔn)則，有： 若井眼壓力高于上式的值，井壁就會發(fā)生剪切破壞（井壁坍塌）。可見剪切破壞存在一個低限和一個高限，在低限和高限之間井壁才能保持穩(wěn)定。 對于直井、非均勻水平原地應(yīng)力、不考慮流體滲濾和孔隙壓力（ pore pressure ）的情況，井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)： 由上式可以看出，井壁應(yīng)力分量與圓周角 有關(guān)，當(dāng) 時， ， 最大。對于 的情況，剪切破壞（shear failure ）最先出現(xiàn)在最小水平地應(yīng)力(minim

13、um horizontal in site stress )的方向。 s1s1s2s2RqrZ(reiq)圖8-3 計算井壁附近應(yīng)力場的坐標(biāo)系s1+s22(s1s2)Opp/2qsq圖8-4 井壁圍巖應(yīng)力隨q角的分布 從上式可以看出，最小水平主應(yīng)力降低，就意味著剪切破壞下限的升高。 對于斜井，井壁上存在剪應(yīng)力分量，應(yīng)先求出主應(yīng)力分量（公式復(fù)雜） ，再利用破壞準(zhǔn)則（failure criterion ）求解。 三、井壁破裂的判據(jù) 對于拉伸破壞一般采用最大拉應(yīng)力理論： 其中 為井壁上的最小主應(yīng)力； 為地層的抗拉強(qiáng)度。對于直井，均勻水平地應(yīng)力的情況，有:對于直井，非均勻水平地應(yīng)力的情況 ： 某油田井深為2600米的砂巖地層，強(qiáng)度符合庫侖-莫爾準(zhǔn)則，其內(nèi)聚力為6.0Mpa，內(nèi)摩擦角43.8，泊松比為0.2，單軸抗拉強(qiáng)度為0。地層的上覆巖層壓力梯度為22.6Kpa/m，地層孔隙壓力梯度為12.2Kpa/m，假設(shè)水平地應(yīng)力均勻，且其應(yīng)力梯度為17.0Kpa/m。 試確定打開該砂巖層的合理泥漿密度范圍？第四節(jié)