钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术

弹性
弹- 塑
塑-弹
塑-弹-塑
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
塑-弹-塑
屈服
– 围压对岩石力学性质的影响 岩石的延性与脆性 随着围压的增加，岩石的破坏强度、屈服应 力及延性都在增加。 – 温度对岩石力学性质的影响 随着温度的增加，岩石的延性增大； 随着温度的增加，岩石的强度、屈服应力都 在降低。 – 孔隙压力对岩石力学性质的影响 – 应变速率对岩石力学性质的影响
z zx zy
3 y yz yx
2 x xz xy 1 1 > 2 > 3
– 偏应力和八面体应力
应力可分解为偏应力和静水应力分量 平均应力（或静水应力） m= I1/3 偏应力 Sij=ij-ij m
• 静力平衡方程
z y x y
y
y y
dy

1
2
2
1
• 几何方程
x y
u x v y w z
xy 2 y x yz 2 y z zx
1 u w 2 z x 1 w v
1 u
v=(m-p)/K
基本概念：
塑性变形
外力去除后，变形不能恢复
•屈服函数
F(,H)<0 弹性变形
F(,H)=0 塑性变形
•应变硬化
•扩容 随着塑性应变的增加，体积增大的现象。
• 典型岩石的变形特征和破坏特性
– 常温常压下岩石的力学性质 Miller将单轴压缩应力应变曲线分为六类： 弹性变形 弹-塑性变形 塑-弹性变形 塑-弹-塑性变形 塑-弹-塑性变形 弹-塑-蠕变
v
• 本构方程
– 线弹性模型
z


1 x x y z E 1 y y z x E 1 z z x y E 1 xy xy G 1 yz yz G 1 zx zx G
' p
Biot 系数
K fr C 1 M Ks
（二）、岩石的力学特性
• • • • 典型岩石的变形特征和破坏特性 实验室测试技术 页岩和软弱砂岩的力学性质 根据现场资料估算岩石的力学性质
基本概念:
弹性变形 外力去除后，变形能够完全恢复。 由弹性模量E和泊松比表征。 其它弹性参数有：体积弹性模量K，剪切弹性模 量G K=E/[3(1-2 )], G=E/[2(1+ )]
二、钻井地质力学环境描述
（一）弹性力学基础
• • • • • 应力的概念 静力平衡方程 Mohr’s stress circle 几何方程 本构方程
应力的概念
应力符号说明： v上覆岩层压力； H最大水平主应力； h最小水平主应力 x y z r 正应力； xy yz zx r rz z切向应力；
• 井壁稳定技术
– 研究现状 – 自适应井壁稳定技术
一、概述
（一）岩石力学的概念和特点
• 工程岩石力学
– 概念
岩石力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科 学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境的力场的反 应的力学分支。 岩石力学=应力+强度
– 特点
岩石的破裂 抗拉强度 岩体外载 结构特征 孔隙流体 风化
钻井地质力学环境描述及井壁 稳定技术
• 概述
钻井地质力学环境描述及井壁 稳定技术
– 石油工程岩石力学的概念和特点 – 研究领域
• 钻井地质力学环境
– – – – – 弹性力学基础 岩石的力学特性 原地应力状态 强度破坏准则 页岩和软弱砂岩的力学性质
• 井壁稳定理论
– – – – – – 地层三个压力的概念 井眼围岩应力状态 强度破坏准则 地层三个压力的确定 井壁稳定影响因素 力学-化学耦合模型
r 径向应力；
周向应力；
– 一点的应力状态
分正应力、剪应力两大类。 由六个独立的应力分量描述： []={x,y,z,xy,yz,zx}
– 主应力和应力不变量
一点的应力也可以由3个主应力分量描述： []={1,2,3} I1= x+y+z= 1+2+3 I2= x y+y z +z x-(xy2+yz2+zx2) I3= x y z+2 xyyzzx-(x yz2+ y zx2+ z xy2)
– 应用
采矿（表面开采与地下开采） 能源开发（水电与核电、油气储存、核废料储存、地 热） 交通运输 建筑 军事 石油工程 地质构造分析 地震预测
• 石油工程岩石力学
– 特点
深度大 看不见摸不着 固液耦合 钻遇地层的种类繁杂
– 研究课题
岩石破碎机理及地层可钻性 井壁不稳定问题 水力压裂 出砂与防砂 套管损坏 油藏变形 地面下沉
– 岩石的强度特征 岩石的强度：岩石破坏时所承担的应力 岩石的破坏取决于物理环境（围压、温度、 应变率、中间主应力、孔隙、孔隙压力等） 根据岩石破坏前的应变量分为五类： 第一类：近地表岩石，破坏前变形量1%，岩 石垂直于最小主应力方向产生张性破裂。 第二类：离地表一定深度，岩石表现少量延性， 破坏前应变量在1-5%。 第三类：离地表2-5Km，破坏面为单一剪切面， 破裂面与最大主应力方向的夹角小于45°， 破坏前的应变在2-8%。
x yx zx X 0 x y z y xy zy Y 0 y x z z xz yz Z 0 z x y
• Mohr’s stress circle
1 1 1 2 1 2 cos 2 2 2 1 1 2 sin 2 2





– 非线弹性模型
– 多孔弹性介质模型
p
Drained test Undrained test p
对于排水实验，静水应力与体积应变的关系如下：
p K fr v
对于非排水实验，静水应力与体积应变的关系为：
C p p p K fr v M
C pp 有效应力定义： p M