1、石油工程岩石力学井壁稳定性调研汇报西南石油大学石油与天然气工程学院西南石油大学石油与天然气工程学院汇报小组成员：陈睿飏 申鑫20162016年年Southwest petroleum university institute of petroleum engineering1212月月1313日日1PPT课件目 录参考文献存在问题发展历史研究现状实例分析Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研2PPT课件参考文献展示PART 1参考文献3PPT课件Southwest petrole
2、um university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研4PPT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研5PPT课件PART 2发展历史6PPT课件预测井周应力分布的本构模型判断井壁岩石稳定性的强度判别准则纯力学研究65%钻井液化学研究力学与化学耦合研究井壁稳定力学研究Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定
3、性调研发展历史Development History7PPT课件发展历程Development History没考虑井筒液注压力直井井周弹塑性应力分布的数学描述着重于选择合适的破坏准则以确定安全的钻井液密度考虑井筒液注压力与各方向应力差异考虑地层各向异性分析定向井的井壁稳定问题Westgard1940Willis1957Fairhurst1964Mclean1990Aadony1987JCRoegier1993Abousleiman1998金衍1999u 假设地层均匀各项同性Southwest petroleum university institute of petroleum engine
4、ering岩石力学与井壁稳定性调研8PPT课件发展历程Development History研究软弱结构面对井壁稳定性的影响着重于研究泥页岩的井壁稳定性刘向君2002谭强2010赵凯2013袁俊亮2013Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研z屈平2016z赵新波2014煤层气井壁稳定性研究9PPT课件PART 3研究现状10PPT课件失稳机理岩石组成微观结构理化特征1钻井液研发地层特征体系设计化学性能室内评价效果分析现场应用2力-化-温度耦合模型极限平衡法等效孔隙压力热比拟法
5、三维离线元法 3研究现况Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研11PPT课件失稳机理失稳机理从基础物性、矿物组成、微观结构、理化特征、到力学特征对煤层、页岩进行系统研究，总结提炼煤层、页岩岩石物理和力学共性特征钻井液研发钻井液研发针对水基水基钻井液，应进一步研究钻井液密度控制；针对油基油基钻井液，应进一步研究封堵性能好的变形粒子。同时，因钻井过程中井壁稳定具有极强的时效性所以应研究如何实时地对当前钻头处地层的井壁稳定性进行评价力力-化化-温度温度-耦合模型耦合模型由力学-化学耦合
6、向力学，化学，电势，热力等多场耦合方向发展发展趋势Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研12PPT课件PART 4实例分析13PPT课件煤层气井壁稳定性研究方法1页岩气井壁稳定性研究方法2案例 分析14PPT课件假设条件假设井眼附近围岩为拟连续体，采用连续介质理论和岩石断裂力学获取了井壁附近的应力场分布，并借助极限平衡理论分析和 Mohr Coulomb 准则，推导了块体滑落作为煤层井壁坍塌条件的解析判据公式稳定性模型假设煤层井眼的轴向变形为0即不考虑轴向应变的变化，此时的煤层井
7、眼可简化为平面应变问题建立思路考虑煤层割理、裂隙随机分布及近井壁被切割成块体的特点，建立非均匀地应力和钻井液压力共同作用下的煤层井眼稳定性解析模型模型检验以块体滑落方位和滑落面积作为验证条件 利用 PFC 离散元软件验证了解析模型的准确性煤层气井壁稳定性极限平衡法15PPT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研煤层气井壁稳定性煤层气井壁稳定性极限平衡法极限平衡法近井壁围岩应力分析井壁围岩为连续体连续体割理割理引起的诱导应力分析考虑多条割理分布多条割理分布的煤层应力场分析16P
8、PT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研煤层气井壁稳定性煤层气井壁稳定性极限平衡法极限平衡法实例拟合及应用1、基础资料以沁水盆地郑庄区块沁121070X井为例，该井为直井直井，煤层段割理裂隙极度发育，造成井在966.7969.20m段处发生了严重的严重的井壁坍塌事故。根据各块体的滑落条件计算结果，III 型块体最易滑落最易滑落 钻井液压力在某个区间范围内，井壁坍塌程度井壁坍塌程度最低最低增大或减小钻井液压力都使得井壁坍塌加剧 17PPT课件研究目的阐明煤层中端割理和面割理等
9、不连续面对井壁稳定的影响建模假设煤岩块体用可变形块体来模拟 本构方程选用摩尔-库伦模型。面割理和端割理的本构模型选用摩尔-库伦节理模型优点在于能真实地对地层中的裂纹、断层、褶皱等宏观或微观地质构造进行三维建模,同时在计算过程中能自动处理不连续面间的接触问题建模思路在充分、真实反映煤岩割理特性的基础上,对煤层水平井进行了井壁稳定数值模拟分析。提出了虚拟节理和内外双层建模技术,虚拟节理技术可实现节理在各个方向的随机分布和动态的断裂分析煤层气井壁稳定性研究方法三维离线元法18PPT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engi
10、neering岩石力学与井壁稳定性调研 实例拟合煤岩及储层参数数值内摩擦角33.72内聚力6.25 MPa抗张强度2 MPa体积模量4100 MPa剪切模量3100 MPa密度垂直地应力15 MPa水平地应力10 MPa法向刚度切向刚度19PPT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 敏感性分析 井眼井眼走向走向：面割理走向与井眼走向平行时,井壁稳定性更差 割割理理密度密度：割理密度越小,需要保持井壁稳定的井底压力就越小 井壁的破坏主要出现在割理面 井径井径：井径越大,井眼切
11、割的割理数就越多保持井壁稳定所需的井底 压力就越大 井底压力井底压力：井底压力越大,井壁越稳定20PPT课件煤层气井壁稳定性煤层气井壁稳定性研究方法研究方法1页岩气井壁稳定性研究方法2案例 分析21PPT课件影响因素层理面产状、经验轨迹、层理面强度弱化理论方法孔隙弹性力学和单结构面强度理论建立层理性页岩水平井井壁稳定力学分析模型页岩水平井井壁稳定性分析页岩水平井井壁稳定性分析层理性页岩层理性页岩研究结论1、页岩层理面产状和层理面强度弱化是导致水平井井壁坍塌失稳的主要因素 层理面倾角为030时，沿着任何方位钻水平井的井壁稳定性都比较差 层理面倾角为 3090时，沿特定方位钻水平井的井壁稳定性却比
12、较好的2、层理面强度弱化的影响可以比层理面产状的影响更大 不同产状下坍塌压力差异可达0.45 g/cm3，而层理面强度弱化导致的井壁坍塌压力可增加约0.54 g/cm33、钻井液在渗透作用下沿层理面侵入地层 导致层理面黏聚力和内摩擦角降低，使井壁岩石更容易沿层理产生滑移22PPT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 实例分析四川东南部威远构造第一口第一口页岩气水平井 W201-H1 井 设计井深3032m，水平段长度1200m，实钻井深为 2823.48m，最终水平段长度为
13、991.48m。在该井设计过程中，采用了常规井壁稳定分析模型常规井壁稳定分析模型进行密度设计。因此，由于水平段发生井壁坍塌失稳问题，处理井下复杂事故耗时 37.66 d，处理井下复杂事故的时间达到了整口井的 52.26%。23PPT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 建议在直井段直井段页岩地层按照常规井壁稳定分析方法设计钻井液密度，而在水平段页岩地层水平段页岩地层推荐采用考虑层理及其弱化影响的井壁坍塌失稳分析方法设计钻井液密度，从而降低井壁坍塌失稳的风险，确保安全快速钻井
14、。24PPT课件研究线索以页岩气水平井现场测井资料为基础，通过分析不同地应力类型区块的页岩气水平井岩石力学测井解释成果，得到了地应力类型对页岩气水平井井壁稳定性的影响规律。页岩气水平井井壁稳定性分析地应力类型研究结论1、水平段沿着地层最小地应力的方向前进时，后期水力压裂的裂缝沿着最大水平地应力延伸得更远2、水平井水平段沿最大地应力方向钻进时，有利于保持井壁稳定。3、正常地应力和反转地应力条件下，随着井斜角的增加，井壁稳定性逐渐变差，即直井较水平井井壁 稳定性好。4、走滑地应力类型条件下，随着井斜角的增加，井壁稳定性逐渐变强，即水平井井壁稳定性最好。5、水平井钻井最优方位与最大水平地应力方向夹角
15、对应正常地应力、走滑地应力、反转地应力类型分 别为 90、45和 0。25PPT课件理论依据基于热孔隙弹性理论，考虑泥页岩的半透膜效应，对钻井过程中泥页岩地层温度和化学渗流作用对井周应力和坍塌压力的影响程度进行了分析页岩气水平井井壁稳定性分析温度和化学耦合作用主要诱因泥页岩的泥页岩的强水化膨胀性强水化膨胀性（随着温度和化学渗流的扩散，井周应力重新分布，尤其会对井周（随着温度和化学渗流的扩散，井周应力重新分布，尤其会对井周附近岩石的受力状态产生影响，附近岩石的受力状态产生影响，使得近井地带岩石的稳定性发生改变）使得近井地带岩石的稳定性发生改变）26PPT课件井周热应力表达式：井周渗力场变化表达式
16、：Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 井周应力场分析27PPT课件Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 实例分析采用中国北部某油田X井数据资料页岩及储层参数数值内摩擦角 28内聚力18 MPa孔隙压力24.6 MPa井眼半径0.108 m钻井液柱压力27.4 MPa地层孔隙度7.5%水平地应力（最小）32.6 MPa水平地应力（最大）41.2 MPa地层温度108泊松比0.2428PPT课件PART 5存在问题29PPT课件热力场及化学稳定性井斜角方位角钻具振动三轴实验 存在问题Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研30PPT课件欢迎老师同学们批评指正汇报结束THANKS31PPT课件
