第5讲-岩石力学-常规地层井壁稳定分析方法
井壁稳定性调研 ppt课件
煤层气井壁稳定性研究方法—三维离线元法
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
以沁水盆地郑庄区块沁12－10－70－X 井为例，该井为直井，煤层段割理裂隙 极度发育，造成井在966.7～969.20m段 处发生了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
PPT课件
钻井液压力在某个区间范围内，井壁坍塌程度最低
增大或减小钻井液压力都17使得井壁坍塌加剧
力直井井周弹塑性
应力分布的数学描 述
PPT课件
考虑地层各向异 性分析定向井的 井壁稳定问题
…
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Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
发展历程
Development History
刘向君 2002
岩石力学与井壁稳定性调研
参考文献
发展历史
目录
研究现状
存在问题
实例分析
PPT课件
2
PART 1
参考文献展示
参考文献PPT课件3Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
PPT课件
4
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定
•剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁
•r
•泥浆密度过大 ：地层剪切破坏 产生大量径向微 裂缝形成剪切破 碎带（造成泥浆 的大量侵入使井 壁失稳）
•
•安全泥浆密度的计算方法
•地应力
•给定的泥浆密度
•井周应力应变
•本构模型
•提高泥浆密度
•失稳
•破坏准则 •稳定
•结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟
•胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起
－碎屑岩
•
•1、岩石的组构特征
3）岩石的构造
•岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在
空间上相互排列及所占的位置。
•岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔
状构造、杏仁状构造
岩石的组构特征给出岩石力学的定性 •沉性积质岩，的从构而造保：障层理我构们造的研究不出现方 •变向质性岩的的错构误造：片理构造
•
3、岩石的变形破坏规律
岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件 不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现 象叫流变。
•岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变 关系，为求解应力状态提供基础
•
3、岩石的变形破坏规律
•岩石试样的破坏形式
•
劈裂破坏
•
剪切破坏
•
延性破坏
•岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用 下岩石是否稳定的标准
2）岩石的结构
•微结构面：存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒 间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等
•① 降低岩石强度 •② 导致岩石力学性质各向异性
•
•1、岩石的组构特征
岩体力学(地下洞室围岩稳定性分析)
如果洞壁表面有均布内压 pa 作用，则公式 （2）和（2） 增加相应的内 压在围岩内产生的附加应力项：
r
v h
2
a2 1 r 2
v h 2
3a 4 a2 a2 1 r 4 4 r 2 cos 2 pa r 2 3a 4 1 r 4 a2 cos 2 pa r 2
岩体力学
中国地质大学（北京） 孙进忠来自岩体力学
绪论 岩块和岩体的地质特征 岩石的物理、水理和热学性质 岩块的力学性质 结构面的力学性质 岩体的力学性质 岩体中的天然应力 地下洞室围岩稳定性分析
岩体力学
地下洞室围岩稳定性分析
岩体力学
地下洞室围岩稳定性分析
–概述 –围岩重分布应力分析 –围岩的变形与破坏分析 –围岩压力计算
a 2 v 1 2 θ 2 2 r
v
（b）
rθ
3a 4 2a 2 1 4 2 sin 2 2 r r
v
注意：上式中极角 是向径 oM 与 x 轴之间的夹角。
地下洞室围岩稳定性分析
地下洞室围岩稳定性分析
圆形洞室围岩重分布应力 — 轴对称应力
2 0
洞壁上，r = a
a2 θ 0 1 r 2
r=0，=20
0
a r 0 1 r 2
2
0
随 r 增大
r ↗，↘，→ 0
r
o
a
2a
4a
地下洞室围岩稳定性分析
圆形洞室围岩重分布应力 — 非轴对称应力
井壁稳定分析
地层孔隙压力预测2.1 孔隙压力的预测方法地层孔隙压力是指岩石孔隙流体所具有的压力。
作为一个地质参数，孔隙压力在油气勘探、钻井工程及油气开发中占有十分重要的地位。
就钻井工程而言，孔隙压力是实现快速、安全、经济、合理钻进的一个必不可少的重要参数，因此准确的预测孔隙压力非常重要。
地层孔隙压力评价的方法很多，我们采用了国家“863”攻关项目“海洋探查与资源开发技术”中“精确的地层压力预测和监测技术”专题的研究成果，以测井资料为基础，采用高精度的地层压力预测和检测方法，进行地层孔隙压力预测计算。
在岩性和地层水变化不大的地层剖面中，正常压实地层的特点是，随着地层深度的增加，上覆岩层载荷增加，泥页岩的压实程度增大，导致地层孔隙度减小，岩石密度增大。
泥页岩的压实程度直接反应地层孔隙压力的变化。
而在目前的测井系列中，有多种测井方法都能较好地反应地层孔隙压力。
在本研究中，选用了资料来源最广、经济方便的声波时差法。
2.1.1 声波时差法解释原理声波测井测量的是弹性波在地层中的传播时间。
声波时差主要反映岩性、压实程度和孔隙度。
除了含气层的声波时差显示高值或出现周波跳跃外，它受井径、温度及地层水矿化度变化的影响比其它测井方法小得多。
所以用它评价和计算地层孔隙压力比较有效。
对岩性已知、地层水性质变化不大的地质剖面，声波时差与孔隙度之间成正比关系。
在正常压实的地层中可导出相似公式：CH 0e Δt Δt =将上式变换可得：B AH Δt +=logt ∆─深度为H 处的地层声波时差，ft s /μ；0t ∆─深度为0处的地层声波时差，ft s /μ；A 、B 、C 为系数，其中A <0，C <0。
该式即为压实地层声波时差正常趋势线公式，从式中可以直观地看出：t ∆log 与H 成线性关系，斜率是 A (A <0 )，在半对数曲线上，正常压实地层的t ∆对数值随深度呈线性减少。
如出现异常高压，t ∆散点会明显偏离正常趋势线。
[实用参考]钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术
![[实用参考]钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术](https://img.taocdn.com/s3/m/594a2d172f60ddccda38a055.png)
– 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
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
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
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
二、钻井地质力学环境描述
（一）弹性力学基础
井壁稳定性 调研ppt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—极限平衡法
近井壁围岩应力分析
井壁围岩为连续体
割理引起的诱导应力分析 考虑多条割理分布的煤层应力场分析
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岩石力学与井壁稳定性调研
参考文献
发展历史
目录
研究现状
存在问题
实例分析
2
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参考文献展示
参考文献
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岩石力学与井壁稳定性调研
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研究目的
阐明煤层中端割理和面割理等不连续面对 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
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井周应力场分析
井周热应力表达式：
井周渗力场变化表达式：
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谈谈定向井井壁稳定问题
谈谈定向井井壁稳定问题从岩石力学、地球物理测井、工程录井、环空水力学和钻井液化学等方面分析定向井井壁稳定问题，以实现对钻井液性能、井身结构及其它工程参数的优化设计。
标签：定向井岩石应力；地层压力；地层破裂压力液柱压力数学模型引言导致井眼出现失稳问题的因素包括天然的原因和人为的原因。
在天然的原因方面包括：地质构造类型和原地应力，孔隙度渗透性及孔除中的流体压力等；在人为的原因方面包括：钻井液的性能，泥页岩化学作用的强弱，钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。
导致井眼失稳的最根本因素就是在形成井眼的过程中，井眼四周的应力场、化学力出现了变化，导致井壁应力集中的问题，致使井内钻液的压强不可以和底层的地应力重新建立起平衡的关系。
如果井内的钻井液液柱比坍塌的压力还要低的时候，井壁的岩石就会被破坏，这时候的塑性岩石会对井中产生塑性的流动，最后出现缩径的问题，而脆性的岩石就可能会发生坍塌的问题，导致井径的增大，如果当钻井液的液柱压力要比破裂时压力还要高的情况下，井壁内四周的岩石就会被拉伸导致出现井漏的问题。
此外，钻井液的密度最好是让井内的液柱和地层孔隙的压力能够互相平衡。
一、井壁应力分布因为上覆岩层的压力不能很好的和井轴重合，原来的水平地应力也就不能和井轴正交，所以井眼四周的岩石在切向正应力与法相正应力的共同作用之下处在三维应力的情况之下。
不仅正压力作用在井轴垂直平面井壁四周的岩石，剪应力也作用在井轴垂直平面与岩石之上，它们都严重的影响着井壁岩石的形态，对井壁岩石有破坏作用。
二、井壁岩石破坏准则当前许多人为拉伸断裂的机制操纵着地层的压裂情况，也就是说，如果当一个有效的主应力的大小能够与岩石拉伸的强度值相同时就会发生底层破裂的情况。
三、岩石强度参数的确定为了能够对全井段进行连续预测，仅凭室内岩心试验是不够的。
而要充分利用相关的间接资料，其中最完整的莫过于测井资料。
因此，将测井资料的处理与岩心试验结合起来，确定所需要的地层参数。
页岩气储层岩石力学特性及井壁稳定性分析
页岩气储层岩石力学特性及井壁稳定性分析页岩气是一种非常有前景的能源资源，其储层岩石力学特性和井壁稳定性对于开发和生产页岩气十分重要。
本文将详细分析页岩气储层岩石力学特性和井壁稳定性，并探讨其影响因素和解决方法。
1. 页岩气储层岩石力学特性页岩气储层岩石具有以下几个主要的力学特性：1.1 低渗透性：由于页岩中孔隙度低、连通性差，储层渗透率低，导致气体难以流通和开采。
1.2 脆性：页岩岩石易于破裂和碎裂，在压力作用下容易萌生裂缝，但裂缝的扩展能力有限，对气体渗透性的改善作用有限。
1.3 维持力弱：页岩岩石强度较低，常常呈现脆性破裂，难以在高温高压环境下维持稳定。
1.4 孔隙结构复杂：页岩储层的孔隙结构相对于传统储层来说较复杂，主要包括纳米孔隙和裂缝孔隙，这对储层渗流特性和岩石力学性质产生影响。
2. 井壁稳定性分析井壁稳定性是指井壁在钻井和生产过程中不发生塌陷、裂缝和滑移等现象的能力。
页岩气储层的井壁稳定性主要受到以下几个因素的影响：2.1 初始地应力：页岩气储层通常位于深部地层，初始地应力较高。
高差异性地应力使得井壁容易发生塌陷和滑移。
2.2 井壁液压：钻井液和地层流体与井壁之间的相互作用会改变井壁的力学性质，进而影响井壁稳定性。
2.3 复杂的页岩岩石力学特性：页岩岩石具有复杂的力学特性，对井壁稳定性的影响也较大。
岩石破碎、断裂和固结都会导致井壁的变形和破坏。
2.4 井壁支撑能力：井壁支撑材料的选择和加固对于井壁稳定性至关重要。
针对这些影响因素，可以采取以下措施来提高页岩气储层的井壁稳定性：1. 优化钻井液：选择适当的液相比重、粘度和有效抑制剂，减小与地层的相容性差异，降低井壁液压引起的问题。
2. 加强井壁支撑：选择适当的井壁支撑材料，如钢夹心井壁、钢网井壁等，提高井壁的强度和稳定性。
3. 预防井壁塌陷：通过合理的斜井设计、优化固井技术和有效的井壁支撑材料，减少井壁塌陷的风险。
4. 精确控制钻井参数：合理控制钻井参数，如钻井液性质、钻进速度和饱和度等，减少对井壁的损害。
井壁稳定性解析课件
max
P 3 H
h
[ (1 2 ) 1
](P Pp )
min
P 3 h
H
[ (1 2 ) 1
](P Pp )
70 60 50 40 30 20 10
0
90
180
270
360
50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
0
90
180
270
360
井周地层应力状态
Pt
3 H
h
2C K K2 1
K2
1 P
Pf 3 h H P St
K ctg(45 )
2
注意各符号表示的物理意义。
定向井井周地层应力状态
3 z1
β
z
y
o
r
γ
θ
x
α
1
β
y1 α
2
x1
东营组地层斜井井壁稳定性分析
最大水平地应力方位： 井壁坍塌风险最高
坍塌压力随井 斜方位的变化
监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失 出现剪切 裂缝
停泵
裂缝重张
井口压力
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底 压力
地应力
给定的泥浆密度
井周应力应变
本构模型
提高泥浆密度
失稳
破坏准则 稳定
结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟
岩体力学教学课件 第五章 地下洞室围岩稳定性分析
应力）或重分布应力，也就是地下开挖扰动后在围岩 中形成的新的应力。
重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。
（一）弹性岩体中圆形水平洞室的围岩应力计 算及应力分布特征
假设条件：
（1）围岩是均质、各向同性、线弹性、无蠕变 特性；
（6）如果定义应力集中系数k：
开挖后的应力 次生应力 k 开挖前的应力 原岩应力
则周边的k=2。为次生应力场的最大应力 集中系数；
（7）如果定义以>1.05p0或r<0.95p0为 巷道影响圈边界，则影响圈半径约为5R0 ；工程上有时以10%作为影响边界，则影 响半径约为3 R0。
原问题的解=问题I的解+问题II的解。—叠加原理
问题I的解前面已经知道了。问题II可以再分解为 两个柯西课题（参见弹性力学）。
求解得原问题的解为：
r
1 1
2
K0 p01
R02 r2
1 2
1
K0 p0 1 4
R02 r2
3
R04 r4
§5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5
概述 围岩重分布应力计算 围岩的变形与破坏 围岩压力计算 围岩抗力与极限承载力
地下洞室是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为 各种用途的构筑物。
地下洞室的分类 按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧 道、地下厂房（仓库）、地下军事工程 按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室 按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形 按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室 （井） 按介质类型：岩石洞室、土洞 按应力情况：单式洞室、群洞
岩石稳定性分析方法及应用
岩石稳定性分析方法及应用岩石稳定性是岩土工程中非常重要的一个研究方向。
在工程中，岩石的稳定性对于确保工程的安全和可靠性至关重要。
本文将介绍一些常见的岩石稳定性分析方法，并探讨其在工程实践中的应用。
一、岩石稳定性分析方法1. 直观法直观法是最简单常用的一种岩石稳定性分析方法。
它基于对岩体的直观观察和经验判断，主要包括裂缝分布、岩体断面形态、岩体颜色变化等方面的观察。
通过对这些直观指标的分析，可以初步评估岩石的稳定性。
2. 摩尔－库伦准则摩尔－库伦准则是基于极限平衡原理和强度理论的一种经典分析方法。
它将岩石视为具有一定内聚力的等效材料，基于材料的内聚强度和应变能耗散能力进行分析，计算岩体是否稳定。
该方法适用于简单的岩石体或者边坡稳定性分析。
3. 数值模拟法数值模拟法是利用计算机进行岩石稳定性分析的一种方法。
它基于有限元或有限差分法，将岩石体离散化为一系列有限大小的元素或节点，通过求解力学方程得到岩体的应力和应变分布。
数值模拟法可以考虑复杂的岩石结构和边界条件，对于复杂工程问题的分析具有较好的适用性。
二、岩石稳定性分析方法的应用1. 边坡稳定性分析在公路、铁路、水电站等工程中，岩石边坡的稳定性是一个必须要考虑的问题。
通过对边坡进行岩石稳定性分析，可以确定边坡的合理坡度和防护措施，确保工程的长期稳定运行。
2. 堡坎固结场稳定性分析堡坎固结场是矿山开采过程中的一个重要工程环节。
通过对岩石堡坎的稳定性进行分析，可以评估岩石的开挖难度和支护方案，确保矿山开采的安全和高效进行。
3. 岩石坝稳定性分析岩石坝在水利工程中应用广泛，其稳定性对于坝体的安全和工程的可靠性至关重要。
通过岩石稳定性分析，可以确定岩石坝的合理坡度和防护措施，保证坝体长期稳定运行，并防止坝体发生破坏。
总结：岩石稳定性分析是岩土工程中的重要内容，通过合理的分析方法和工具，可以评估岩石体的稳定状况，为工程的设计和施工提供科学依据。
本文介绍了一些常见的岩石稳定性分析方法，并探讨了它们在工程实践中的应用领域。
岩体稳定性分析计算
V
1 2
•
w
Z
w
• Zw
1 2
w
Z
2 w
滑面AE长： L H Z
sin
因水压而在滑动面上产生浮力U：
1
1
HZ
U 2 w Z w • L 2 w Z w • sin
滑体ADCE面积
S (DC AG) 1
2
2
AG • (H Z )
滑体ADCE重量W
则
Ks
f 2 •[V2 cos R sin( ) U 2 ] c2 L2 R cos( ) V2 sin
由上式可求解出推力R：
R K sV2 sin f 2 (V2 cos U 2 ) c2 L2 K s cos( ) f 2 sin( )
第五章 岩体稳定性分析
联立方程求解，可分别求出抗滑稳定系数Ks和推力R
若c、U、V等于零，则
W cos • tan tan
Ks T
W sin
tan
即，Ks只与软弱结构面倾角β和岩石内摩擦角φ有关， 而与坡高无关
第五章 岩体稳定性分析
作业一
已知水平推力H=25×104N，V=50×104N，V2=15×104N， 滑面AB与BC的面积分别为L1=50m2，L2=23m2。内摩擦系数 f1=0.4，f2=0.6；粘聚力c1=c2=0。
Ks
f0 (V cos H sin ) H cos V sin
第五章 岩体稳定性分析
当单斜滑移面倾向上游时，根据抗滑体极限平衡原理
抗滑力τ： f0(V cos U H sin ) cL
滑动力T：T H cos V sin
因此，稳定系数Ks
Ks
f0 (V cos U H sin ) cL H cos V sin
岩石力学与地下工程稳定性分析
岩石力学与地下工程稳定性分析地下工程在现代城市建设中扮演着重要的角色，然而地下工程的稳定性常常受到岩石力学的影响。
岩石力学作为一门研究岩石的力学性质及其变形和破坏规律的学科，对地下工程的稳定性分析起着至关重要的作用。
本文将探讨岩石力学与地下工程稳定性分析的相关内容。
一、岩石力学基础知识1. 岩石的力学性质岩石的力学性质是指岩石在受力作用下的变形和破坏特征。
了解岩石的力学性质对于地下工程的稳定性分析是必要的。
2. 岩石的力学参数岩石的力学参数是描述岩石力学性质的量值，如弹性模量、抗压强度、剪切强度等。
通过测定岩石的力学参数可以为地下工程的设计和稳定性分析提供依据。
3. 岩石的变形和破坏规律岩石在受力作用下会发生变形和破坏，了解岩石的变形和破坏规律对于地下工程的稳定性分析具有重要意义。
二、地下工程稳定性分析方法1. 应力—应变分析法基于岩石的弹性性质，通过建立应力—应变关系来分析地下工程的稳定性。
这种方法适用于小变形和较为简单的工程情况。
2. 基于岩石力学参数的数值模拟方法基于岩石的力学参数和地下工程具体情况，利用数值模拟方法对地下工程进行稳定性分析。
数值模拟方法能够考虑更多复杂的因素，对于复杂工程情况具有较高的适用性。
三、岩石力学与地下工程稳定性分析实例1. 地下隧道工程地下隧道工程是岩石力学与地下工程稳定性分析的典型应用。
通过对岩石的力学性质和力学参数进行研究，可以对隧道的稳定性进行分析和评估，为隧道的设计和建设提供依据。
2. 地下采空区地下采空区是地下矿山开采过程中形成的空隙地带。
通过岩石力学的研究和分析，可以预测地下采空区的稳定性，制定有效的支护和加固措施，以减少地质灾害的发生。
3. 地下水库工程地下水库工程是一种新型的水利工程形式，在设计和建设过程中需要进行地下工程的稳定性分析。
岩石力学的知识可以为地下水库的开挖和建设提供科学依据，确保工程的安全和稳定性。
结论岩石力学与地下工程稳定性分析密切相关，通过深入研究岩石的力学性质和力学参数，可以为地下工程的设计、建设和维护提供科学依据。
岩体力学教学课件 第五章 地下洞室围岩稳定性分析
地质勘查与监测措施
加强地质勘查
在施工前进行详细的地质勘查， 了解围岩的分布、性质和结构，
为设计提供依据。
施工监测
在施工过程中进行实时监测，及 时发现围岩变形、位移等异常情
况，采取相应措施。
长期监测
在洞室使用过程中进行长期监测 ，了解围岩稳定性的变化情况，
为维护和加固提供依据。
THANKS
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有限差分法
将连续的岩体离散成有限个差分网格，通过差分方程近似描述岩体的 运动规律，对围岩的稳定性进行计算和分析。
边界元法
基于边界积分方程的数值方法，适用于求解具有复杂边界条件的围岩 稳定性问题。
无单元法
不需对岩体进行离散，而是通过节点信息直接建立数学模型，对围岩 的稳定性进行计算和分析。
物理模拟方法
解析方法
01
02
03
04
极限平衡法
基于力的平衡原理，通过分析 岩体的滑移、倾倒等极限状态 ，对围岩的稳定性进行评估。
赤平投影法
利用赤平投影原理，对岩体的 节理、断层等结构面进行投影 分析，评估围岩的稳定性。
块体理论
将岩体离散成若干个块体，基 于块体的运动规律和相互作用 ，对围岩的稳定性进行分析。
关键块体分析法
支护设计
根据围岩稳定性评价结果，进行支护 设计，包括锚杆、钢筋网、喷射混凝 土等支护措施的选择和设计。
围岩稳定性监测与预警系统
位移监测 应力监测 声发射监测 预警系统
通过位移传感器对围岩的位移量进行实时监测，包括水平位移 和垂直位移。
通过应力传感器对围岩的应力状态进行监测，包括压应力、拉 应力和剪应力。
排水降压
降低地下水位，减少水压 力对围岩的影响，提高围 岩稳定性。
第5讲-岩石力学-常规地层井壁稳定分析方法
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
斜井井眼周围地层应力状态
斜井井眼周围地层应力状态
平台B 目标 平台A
平台C 为了使成功钻遇目标的概率最大，应从哪个平台起钻？
斜井井眼周围地层应力状态
通过坐标变换求取井眼周围应力分布：
cos cos L sin sin cos cos sin cos sin cos sin 0 cos
srr随泥浆比重增大而增大， srr代表泥浆作用于井壁的压力。 （假设井筒压力与地层压力之间完全封隔）
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
srr随泥浆比重增大而增大，与此同时径向应力（ sqq ）减小。 因此， 崩落宽度随泥浆比重增大而减小。 崩塌泥浆比重有助于确保崩落宽度低于临界大小（直井，90°）
2 2
直井井眼周围地层应力状态
r R2 ( H h ) R2 ( H h ) 3R 4 4R 2 2 P (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r r (1 2 ) R2 [ (1 2 ) ](P Pp ) 2 (1 ) r
三维问题转化为二维问题
直井井眼周围地层应力状态
h
r
二维平面应变模型
直井井眼周围地层应力状态
依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼受 力进行分解
a 2b 2 q1 q 2 a 2q1 b 2q 2 r 2 2 2 b a r b 2 a2 2 2 2 2 a b q1 q 2 a q1 b q 2 2 2 2 2 2 b a r b a 2 2 2 2 1 ( a q b q ) r 1 ( q q ) a b 请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中 1 2 1 2 u 2 2 E E b a (b 2 a 2 )r
钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术
• Griffith 断裂准则
1 3
裂纹尖端周向应力：
b2m m 2y2 xy
d b 0 d
d 0 d
Griffith断裂准则
1 3 2 8 t1 3 0 (1 33 0 ) 3 t 1 3 3 0
小结： 1。强度是描述工程结构是否失稳的参数。 2。根据分析目的不同应选用不同的破坏准则。 如：破裂压力分析、水力压裂裂缝传播、井壁稳 定等。 3。一般岩石的弹性屈服点不同于破坏点。
（2）与页岩相关的工程问题
膨胀特性、内在缺陷和邻近油藏是页岩产生问题的主 要因素。
z
1 E
z
x y
xy
1 G
xy
yz
1 G
yz
zx
1 G
zx
– 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 Kfrv
对于非排水实验，静水应力与体积应变的关系为：
p
C Mpp
Kfrv
不考虑应力历史的作用或结构的变化。
v gz
h
1
z
一般地层=0.25，水平地应力比上覆岩层压力为1/3； 盐膏层=0.5，水平地应力等于上覆岩层压力
上覆岩层压力随井深的变化
上覆岩层压力v（Mpa)
40
80
0
1000 井深/m
2000
3000
v=0.027h
• 构造应力 现今构造应力，如板块运动、断层活动； 现今岩石力学性质； 沉积历史 温度和孔隙压力
f= 0+fn
n f
0为内聚力；f内摩擦系数。
井壁稳定研究
1、地层孔隙压力计算根据处理得到地层声波时差资料，采用Eaton 法进行地层压力计算。
Eaton 法地层压力计算模型如下：()()np op op w n G G G t t ρ=--∆∆式中，p G —井深H 处的地层孔隙压力，g/cm 3； o p G —井深H 处的上覆岩层压力梯度，g/cm 3；w ρ—井深H 处的地层水密度，g/cm 3；n t ∆—井深H 处的正常压实时的声波时差值，/s ft μ；t∆—井深H 处的实测声波时差值，/s ft μ；n —Eaton 指数。
经试算分析得到了适用于泌阳区块的Eaton 指数n ＝0.2，取地层水密度wρ＝0.991 g/cm 3。
安3006井地层孔隙压力图2、地层分层地应力计算模型地应力是影响地层破裂压力的一个重要因素，它是一个客观存在的岩石内应力，它来源于上覆地层的自重和地质构造力。
对于不同井深及不同力学性质的地层，地应力的值是不同的。
采用下列地应力计算模型：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=P P P P p v h p p v H αασωμμσαασωμμσ)(1)(121 式中：ωω12,—构造应力系数；v h H σσσ,,——水平最大、最小地应力和上覆压力； p P ——孔隙压力；μ——地层泊松比；α——有效应力系数。
泌阳凹陷的地层构造应力系数w 1＝0.64，w 2＝0.34。
（按照压裂数据估算）3、用库仑——摩尔强度准则计算坍塌压力式（4-13）中的r ''σσθ和分别为井壁坍塌处的最大和最小有效主应力，将它们代入库仑—摩尔强度条件（4-8）式，便可求得保持井壁稳定所需的钻井液密度计算公式为：2122(3)2(1)100()h h p m C K ap K K Hησσρη--+-=⨯+)245cot(Φ-︒=K式中，H ——井深，m ； m ρ——钻井液密度，g/cm 34、地层破裂压力的确定方法破裂压力是井眼裸露地层在井内泥浆柱压力作用下使其起裂或原有裂缝重新开启的压力，它是由于井内泥浆密度过大使井壁岩石所受的周向应力超过岩石的抗拉强度造成的。
岩石力学-井眼周围地层应力状态及井壁稳定预测
层理性泥页岩力学特点之三：层理面非线性
数值模拟研究表明：沿层理面的非线性剪切位移是造成 井壁失稳的主要原因之一，层理性地层井眼轨迹的优化 与均质地层井眼轨迹的优化方案不同，必须考虑层理面 因素的影响（K. Yamamoto，2002）
层理性泥页岩地层渗透特性
试验设备
平行层理面和垂直 层理面测试—层理 面可能为高渗面
问题的难点
复杂的力学、化学、 水动力学耦合问题
考虑因素
地层本构模型 渗流方式 渗流对强度的影响 泥页岩吸水影响强度 层理、裂缝面
传统模型
各向同性体 Darcy渗流 无 无 无
层理性泥页岩问题
各向异性体 各向异性渗流 有 沿层吸水 有
由水平最小地应力 h 所引起的井周应力分布
r
h 2
(1
R2 r2 )
h 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
h 2
(1
R2 r2
)
h 2
(1பைடு நூலகம்
3R 4 r4
) cos2
r
h 2
(1
3R 4 r4
2R2 r 2 ) sin 2
40.8
50.8
60.8
45 40 35 30 25 20 15 10
5 0 10.8
20.8
30.8
40.8
50.8
60.8
直井井眼周围地层应力状态
井壁应力状态：
井眼安全--井壁稳定
（2）缩径现象 当发生缩径时，由于井径小于钻头直径，会 出项扭矩增大、上提遇卡，下放遇阻，严重 时发生卡钻。 缩径根据产生的原因，地层、地区采用适合 有针对性措施。 例如：划眼、增大滤失量、降低滤失量、提 高密度等。 （3）压裂现象 当钻井液液柱压力大于地层破裂压力，就会 压裂地层，产生井漏。井漏引起液柱压力降 低，易引起井涌及井塌等事故复杂。
（2）活度和半透膜对泥页岩水化的影响 石油勘探院、石油大学等单位通过研究也 得出钻井过程中，钻井液的滤液向页岩中扩 散的动力是钻井液与页岩间的水化学势之差。 影响它的主要因素是钻井液液柱压力与孔隙 压力之差及钻井液水活度与页岩水活度之比。 只有存在较高效率的半透膜时，钻井液与页 岩的水活度差才能在较长的时间内控制水的 迁移。
向钻井液中加入有机硅防塌剂，有机 硅在泥页岩表面迅速展开，形成薄膜。 在一定温度下，有机硅中的 -Si-OH 基易 和粘土表面的-Si-OH基缩合失水，形成Si-O-Si键，在粘土表面产生一种很强的 化学吸附作用，使粘土发生润湿反转， 从而使泥页岩的水化得到控制。
（5）沥青类防塌剂
国内外使用天然沥青和各种化学改性沥青产品稳 定井壁已有多年的历史。沥青粉的主要作用机理是 在钻遇页岩之前，往钻井液中加入该种物质，当钻 遇到页岩时，若沥青的软化点与地层温度相匹配， 在钻井液液柱压力与地层孔隙压力之间的压差作用 下，沥青产品会发生塑性流动，挤入页岩孔隙、裂 缝和层面，封堵地层层理与裂隙，提高对裂缝的粘 结力，在井壁处形成良好的内、外泥饼，外泥饼与 地层之间有一层致密的保护膜，使外泥饼难以冲刷 掉，阻止水进入地层，起到稳定井壁的作用。
•作用机理主要是“浊点效应”——温度在浊点以下时，该 产品溶于水，在浊点以上表现为“亲油疏水而又分散于 水”---。 •浊点在30-50℃之间，在钻井液中可始终保持“亲油疏水分 散于水”的状态，可吸附于钻屑及粘土颗粒表面，抑制其水 化分散与膨胀---； •同类产品对比，优势突出---。
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天然裂缝性地层或断层
高构造应力地层
研究意义
易缩径地层
疏松地层
研究意义
自然的受压泥页岩地层
诱导受压泥页岩地层
研究意义
井壁垮塌的形式
• 井壁坍塌，井径扩大（灰岩， 泥页岩，破碎性地层） • 井眼缩径（软泥岩、盐膏层） • 井眼压裂，泥浆漏失（砂岩）
研究意义
研究意义
钻井液密度对井壁的作用
斜井井眼周围地层应力状态
线性叠加后，井壁围岩应力分布的表达式：
r
( xx yy ) ( xx yy ) R2 R2 3R 4 4R 2 2 pi (1 2 ) (1 ) cos 2 2 2 r r r4 r2 (1 2 ) 3R 4 4R 2 R2 xy (1 ) sin 2 [ (1 2 ) ]( p i Pp ) 2(1 ) r4 r2 r
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
斜井井眼周围地层应力状态
斜井井眼周围地层应力状态
平台B 目标 平台A
平台C 为了使成功钻遇目标的概率最大，应从哪个平台起钻？
斜井井眼周围地层应力状态
通过坐标变换求取井眼周围应力分布：
cos cos L sin sin cos cos sin cos sin cos sin 0 cos
3R 4 2R 2 ) cos 2 r4 r2 R2 yz (1 2 ) cos xz (1 r R2 xz (1 2 ) cos yz (1 r
斜井井眼周围地层应力状态
井壁上应力分量可表示为：(即：
rR )
r pi ( pi Pp )
( xx yy ) ( xx yy ) R2 R2 3R 4 p ( 1 ) ( 1 ) cos 2 i 2 2 r2 r2 r4 (1 2 ) 3R 4 R2 xy (1 ) sin 2 [ (1 ) ]( p i Pp ) 2(1 ) r4 r2
研究意义
研究意义
需要多大的泥浆密度才能稳定井壁？
井壁坍塌与原地应力、孔隙压力及岩石强度
的关系？
是不是泥浆密度越大井壁一定越稳定？
井壁稳定的力学定义
定义：井壁稳定是钻井过程中通过钻井液密度、钻井液体系 和钻井工艺三者的协同来确保井眼不坍塌、不破裂、不缩径。 油气井工程井壁稳定力学的研究内容 ： •如何保证钻遇地质体结构的稳定 •如何降低钻井复杂情况，实现安全、高效钻井 油气井工程井壁稳定力学的研究对象：钻遇地质体
没有能得到很好的解决。随着世界石油工业的不断发展， 勘探开发领域的拓宽，地质构造日趋复杂，钻井深度不断 增大，井壁稳定问题也更加突出， • 井眼失稳造成的事故损失十分巨大。据有关资料介绍，世 界范围内平均每年用于处理井眼失稳的费用高达80亿美元 之巨，消耗的时间约占钻井总时间的5％～6％。
研究意义
srr随泥浆比重增大而增大， srr代表泥浆作用于井壁的压力。 （假设井筒压力与地层压力之间完全封隔）
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
srr随泥浆比重增大而增大，与此同时径向应力（ sqq ）减小。 因此， 崩落宽度随泥浆比重增大而减小。 崩塌泥浆比重有助于确保崩落宽度低于临界大小（直井，90°）
直井井眼周围地层应力状态
钻井液渗流效应
(1 2 ) (r 2 R 2 ) r [ ]( P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) (r R ) [ ]( P Pp ) 2 2(1 ) r (1 2 ) r [ ]( P Pp ) 2(1 )
井壁稳定的力学定义
复杂地层钻井应考虑四压力剖面，即孔隙压力、坍塌压力、漏失压力及破裂压力，安全 钻井液密度窗口应大于孔隙压力与坍塌压力，小于漏失压力与破裂压力。
W ell: Dabei-101 Field: Made by: Date: Air Gap: 7.5 m W ater Depth: 0.0 m Mud W eight 0 1000 0.5 1 Pore Pressure Collapse Frac: Link-up (RKB), SG 1.5 2 2.5 Least Stress
井壁稳定的影响因素
地应力大小、方向及非均匀性
地层强度；层理面
泥浆理化性质
井斜角、方位角
地层孔隙压力
钻井周期
井周应力状态
v
v
H
h
H
h
井周应力状态
t r a
r
井眼周围地层应力状态
• 假设条件：
– 地层均质各向同性 – 线形弹性，小变形 – 轴向——平面应力或平面应变
直井井眼周围地层应力状态
由水平最小地应力 h 所引起的井周应力分布
h h R2 3R 4 4 R 2 r (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r 2 4 h h R 3R (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r h 3R 4 2 R 2 r (1 4 2 ) sin 2 2 r r
应力状态、井眼轨迹和泥浆比重均能影响井筒稳定性。
正断层
走滑断层
逆断层
常规井壁稳定分析需要的资料
1. 地质资料：掌握研究区域地质构造情况。
r 0
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
剪切破坏模型
压
缩 破
坏
轴向应力
剪切破坏
拉 伸 破 坏
拉伸破坏
当量钻井液密度ppg
22 MJSH Nov2007
拉伸破坏模型
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
不同井周应力下井壁剪切破坏的形式
z zz [ xx yy 2( xx yy )(
[
(1 2 ) ]( pi Pp ) 1
R22 4 xy sin 2 ] r
r xy (1 z zr
•砂岩、泥岩、碳酸盐岩、盐膏岩……
•层理、裂缝、断层……
井壁稳定的力学定义
坍塌压力：井壁不发生坍塌时的最低泥浆密 度： 若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够 的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本 身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。 破裂压力：使井眼产生拉伸破坏而漏失的井 内泥浆密度。
井壁稳定的力学定义
常规地层井壁稳定分析方法
卢运虎
学习目标 1.井壁稳定的定义及影响因素。 2.井壁稳定的研究方法及流程。 3.钻井液密度对井壁稳定的影响及应用。
提纲 井壁稳定力学定义 井周应力分布 常规地层井壁稳定分析流程及方法
什么是井壁失稳？
研究意义
正断层活动应力状态 SHmax 略小于 Sv 井眼沿Shmin 方向钻进
2
3R 4 2 R 2 (1 4 2 ) sin 2 r r
直井井眼周围地层应力状态
r P (P Pp )
P （ （ H 1 2 cos 2） h 1 2 cos 2） (1 2 ) [ ](P Pp ) (1 )
A h B H C v ( K1 1) pi K1 Pp
z D h E H F v K1 ( pi Pp )
z G h H H J v
r rz 0
斜井井眼周围地层应力状态
斜井井眼轨迹说明
井眼轨迹沿什么方位安全？
研究意义
正断层活动应力状态 SHmax 略小于 Sv 井眼沿Shmin 方向钻进
井眼轨迹沿什么方位安全？
研究意义
油气钻井中需要钻穿不同性质的地层，井壁稳定 技术主要是分析地层性质，澄清钻井复杂机理， 解决钻井复杂问题，提高钻井效率。
储层
隔层
储层
研究意义
• 井壁稳定问题带有普遍性，在世界许多油田都存在，一直
2 2
直井井眼周围地层应力状态
r R2 ( H h ) R2 ( H h ) 3R 4 4R 2 2 P (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 2 2 r r r r (1 2 ) R2 [ (1 2 ) ](P Pp ) 2 (1 ) r
( H h ) ( H h ) R2 R2 3R 4 2 P (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 r r r (1 2 ) R2 [ (1 2 ) ]( P Pp ) 2(1 ) r
r
H h
三维问题转化为二维问题
直井井眼周围地层应力状态
h
r
二维平面应变模型
直井井眼周围地层应力状态
依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼受 力进行分解
a 2b 2 q1 q 2 a 2q1 b 2q 2 r 2 2 2 b a r b 2 a2 2 2 2 2 a b q1 q 2 a q1 b q 2 2 2 2 2 2 b a r b a 2 2 2 2 1 ( a q b q ) r 1 ( q q ) a b 请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中 1 2 1 2 u 2 2 E E b a (b 2 a 2 )r
破裂压力 孔隙压力
Measured Depth (RKB), m
1500
2000
2500
3000
漏失压力 坍塌压力
3500 KangCunZu
4000
4500 JiDKeZu SuW eiYiZu 5000 KuMuGelieMuZu Interm.Casing 9.875''@5076