1_井壁失稳力学研究进展

试 样 与 层 理 面 夹 角
围 压
抗 压 强 度
纵 波 速 度
横 波 速 度
岩 样 密 度
静 态 弹 性 模 量
静 态 泊 桑 比
强度参数： 粘聚力 内摩擦角
纵相 、关 横关 波系
动态弹性模量、动态泊桑比 岩石强度参数与纵横波 速度、密度的相关关系
地层强度参数与层 理面夹角相关关系
动、静弹性模量转换关系 式，动、静泊桑比转换式
0.14
0.16
0.18 à ® Û à ë ¨ © » » Î » ½ £ m£
0.2
0.22
0.24
0.26
15天泥页岩吸水的水化层厚度小于0.18米
泥页岩水化产生的膨胀应变实验曲线
¹ Ê 3-7 Á Ï Î Ë È ¾ Ð Â Ò Ð ± ³ ¶ Ì à ± Ï ó ® ¼ ë î Ê ¦ ä Á Ô ³

形成了一套利用测井资料求算南缘地区地层 物 理、力 学 参 数 的 数 据 解 释 处 理 技 术。
研究现状
建立了直井、斜井及水平井安全泥浆密度窗口 的计算模式及井壁稳定力学分析系统软件，利 用测井资料输入相关参数可以计算绘制：
全井的分层三个主地应力剖面 岩石弹性参数和强度参数剖面 安全泥浆密度窗口剖面 稳定的井眼轨迹及方位 泥页岩吸水对井壁稳定的影响规律
粘聚力与层理面夹角相关关系的实验点及 回归曲线
º5-4 ºººººººí ºººººº º ± 60 50 40 30 20 10 0 0 15 30 45 60 ë ã í æ Á Í Ä Ð ° ½ À ³ ¹ º 75 90
± Û ¦ Ò » ¾
地层力学参数与测井资料间相关关系
根据上述模式利用纵、横波，密度、井 径、伽玛测井曲线可求得地层的如下参 数：
Ê 3-8 · È ¾ ´ Á Ï Î ³ Í Á ¾ ³ Ð Ì ¹ ¬ ® ¼ Ñ à ± Ï ¯ Ñ £ ¼ Á °ì
î Ì ¯ Ñ £ ¾ Î Ç ³ Í Á ¼ E,x10^4
4.5 3.6 2.7 1.8 0.9 0 0 5
泥页岩水化后含水量增大， 使弹性模量急剧下降，可降 低1个数量级。
² Æ Å ° È ± u
0.3 0.2 0.1 0 0 3 6 ¬ ® ¼ · È ¾ W,% 9 12
含水量增大，泊松比增大，其经验关系式为：
=0.2+1.3w
Ê 3-10 · È ¾ ´ Á Ï Î Ò » Ä ´ ³ Ð Ì ¹ ¬ ® ¼ Ñ à ± Ï ± Û ¼ Å Á °ì
40 32
Ú ¦ ¾ Ä Å Á Á ° º (´ )
地层强度与层理面夹角的相关关系式
粘聚力与层理面夹角的相关关系式
C 45.8 0.226589
式中：Ｃ——粘聚力； α ——与层理面的夹角（垂直层理层为０度）
不同层理面角度下的内摩擦角φ 值变化不大，近 似２０～２５度之间，故层理面对内摩擦角的 影响可不考虑
第一轮井： 呼2井 第二轮井： 呼001井 呼002井
500 400 300 200 100 0 Ú¸Ó® ³Ï¿» ÚþÓ® ³´¿» ÚýÓ® ³Å¿»
第三轮井： 呼2002井 呼2003井 呼2004井
利用研究结果优 化井身结构及合 理使用泥浆密度， 使该区钻井周期 缩短60%以上。
三轮井钻井效果对比
¹ Ê 3-11 · È ¾ ´ Á Ï Î Á Á ° º ³ Ð Ì ¬ ® ¼ Ñ à ± Ï Ú ¦ ¾ Ä Á °ì 30
Ú ¦ ¾ Ä ¨´ © Á Á ° º £ Å £
25 20 15 10 5 0 0 5
¬ ® ¼ · È ¾ W,%
10
15
含水量对内摩擦角的影响的实验结果：
= B – 187.5 ( W – W B )
地层力学参数与测井资料间相关关系
纵、横波转换关系式：
t s 58605 0022719 AMP 2.2763810 AMP . .
式中:ＡＭＰ=ρ · p—纵波阻抗 V Δ ts——横波时差（μ s/ft） Vp——纵波速度（ft/s） ρ ——地层密度（g/cm3）
7
2
呼002井DSI测井数据纵、横波速度相关关 系回归曲线
地层力学参数与测井资料间相关关系
动、静弹性模量转换模式：
E s 0.21393 * E
1.62465 d
Es——静态弹性模量（*104MPa） Ed——动态弹性模量（*104MPa）
动、静弹性模量实验点及回归曲线
° ¬ ¯ Ñ £ ¼ ¨ » É ³ Í Á ¾ £ *10^4 MPa)
7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 ¯ ¬ ¯ Ñ £ ¼ ´ É ³ Í Á ¾ (*10^4 MPa) 8
研究现状
对泥页岩井壁在泥浆侵泡下的吸水及破坏性质 进行了试验测定和理论分析，得出了地层坍塌 压力随钻井周期的定量变化规律
凯塞尔效应试验法地应力测量装置
微 机
Locan AT 声发射仪
45 度 45 度
压 力 MTS 伺服 排 量 伺服控制 供 液 反 馈 MTS 液压源 MTS 控制器
声发射探头
弹性模量及泊松比与含水量有关，即与时间相关
用差分法求得r，再根据平衡方程求
非均匀地应力下井壁应力随水化时间的变化规律（有限 元解）
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 10
40HR 20HR 80H R 120HR
Þ ® ¯ Ë È ¸
20HR
40HR
80HR 120HR
1.8
1.6
1.4
1.2
3.2
© Ô ¦ ¦ Ý Å ¨ ³ Ð ¾ É ´ £ G/cm^3£
2.9 2.6 2.3 2 1.7 1.4 2400 2600 2800 ® î ¨À © » Æ £ ×£ 3000 3200
ººº°ººº×ºººººººººº º é ÷
实验结果处理流程图
原始数据
C,MPa
24 16 8 0 0
2
3
1
2 4 6 ¬ ® ¼ · È ¾ W,% 8 10
粘聚力与含水量的关系：C=C B – K S ( W – W B ) MPa 曲线1：H=1500~2500m，或=2.18~2.30，有KS =250； 曲线2：H=2500~4000m，或=2.30~2.50，有KS =350； 曲线3：H=4000~5500m，或=2.50~2.60，有KS =450。
呼图壁地区地层粘聚力与内摩擦角的相关关系
º5-3 45 40 35 30 25 20 15 10 5 10 20 30 40 ± Û ¦ Ò » ¾ (MPa) 50 60 ºº±ººººººººººººººººº º à
35012 0.2855 C .
Fai=35.012-0.2855*C
ε H、ε h—表示构造运动激烈程度的构造应力系 数，由实测地应力值反算。 μ ---泊桑比，E----弹性模量 σ H、σ h———分别为最大、最小水平主地应力
呼2井安集海河组三个主地应力纵向剖面
î ï ® º ð³ ¦ ¦ ¯ î ¡ ® º ð³ ײ È Ã Ó Ô Ð ¾ £ ×Í È Ã Ó Ô ¦ ¦ Ð ¾
井壁失稳力学研究进展
研究现状
形成了一套比较完善的声发射凯塞尔效应实验 与现场水力压裂实验相结合的深部地层地应力 测试技术，其优点是可以低成本获得大量深部 地层地应力实测数据； 研究了地应力纵横向分布规律。
研究现状
通过大量室内岩石动、静弹性参数的同步测试 实验，建立了如下经验关系式
动、静弹性参数转换模式 纵、横波速度转换关系式 岩石强度及弹性参数与测井资料的相关关系 地层强度与层理面夹角的相关关系式
井眼周围泥页岩地层含水量的时空变化规律
10
® Û ë ´ · » Î °» £ a=0.108m ó º ± ý · Ë µ £ Ç £ Cf=0.0134
9
8 t=100h t=200h t=300h t=400h t=500h t=600h
7
¬ ® ¼ · È ¾
6
时间增大
5
4
3 0.1
0.12
600
º ñ ê ® Ü Ú ¨É © à » ×» Ó Ã £ ì £
第一轮井： 呼2井 第二轮井： 呼001井 呼002井
500 400 300 200 100 0 Ú¸Ó® ³Ï¿» ÚþÓ® ³´¿» ÚýÓ® ³Å¿»
第三轮井： 呼2002井 呼2003井 呼2004井
利用研究结果优 化井身结构及合 理使用泥浆密度， 使该区钻井周期 缩短60%以上。
物理方程：
平衡方程及几何方程不变
1 r r z h E 1 r z h E z 1 z r v E
d 2 r r dE 2vr dv d r 4v 1 dv 1 2v 1 dE r 3 2 2 r 2 dr E dr v 1 dr dr v 1 dr E v 1 dr
E m v d v E v dv 2 2 v 1 dr v 1 dr
侧钻后
±¾ Ü Å ¨ ³ ¼ À ´ £ g/cc)
2.2 1.9 1.6
原套管下深
建议密度
建议套管下深
1.3
侧钻前
坍 塌 压 力
1 2400
2600
2800
3000
3200
® î ¨À £ » Æ £ ש
三轮井钻井效果对比
600
º ñ ê ® Ü Ú ¨É © à » ×» Ó Ã £ ì £