第1讲井壁稳定力学定义、现状及发展趋势-中原

井壁稳定力学机理发展趋势
复杂岩性地层井壁失稳仍然是制约井壁稳定技术发展的关键难 题，也是井壁稳定技术攻关的长期方向。
敏感性页岩地层
裂缝性地层 流变地层（软泥岩、膏盐岩） 为提高油气采收率和钻速为目的的特殊工艺井、 新技术带来的井壁稳定力学机理的研究
井壁稳定力学机理发展趋势
钻井 过程 中实 时预 测
中国石油大学（北京）岩石力学实验室介绍
人员组成：
陈 勉 教授，方向负责人、石油工程学院院长，国务院学位委员 会石油及天然气学科召集人
金 衍 教授，教育部新世纪人才 陈康平 教授，美国总统基金获得者 张广清 教授，拔尖人才 侯冰 讲师 卢运虎 讲师 实验技术人员2人 在校博士研究生13人，硕士研究生34人
钻井液类型 钻井液密度 钻井液流变性和水力参数 钻井实践
地层的失稳机理及控制方法
裂缝性 地层
Germanovich 观点
李鹭光观点
预先存在的裂缝在应力集中作用下开始 发育，及井眼边界的相互作用使裂缝不 稳定发展，边界发生移动，使下一条裂 缝扩展。上述过程不断重复直至井眼边 界的改变足以制止这种不稳定状态，达 到破坏的最终程度
第1讲 井壁稳定力学的定义、现状 及发展趋势
陈勉
中国石油大学（北京）石油工程学院
陈勉
中国石油大学（北京）石油工程学院 院长 国务院学位委员会石油工程学科评议组 召集人 全国博士后管理委员会专家组 成员 全国工程硕士指导委员会石油工程领域 组长
汇报提纲
一、井壁稳定力学的定义 二、井壁稳定力学研究现状及手段 三、井壁稳定力学研究的发展趋势
井壁稳定技术经历了从经验走向理论然后指 导现场的螺旋式、阶段化发展的进程！
井壁稳定研究面临的难题
塔河油田巴楚组、 桑塔木组和奥陶系
塔里木油田上第三系破碎 性泥页岩地层、下第三系 盐膏层、株罗系、三叠系、 二叠系、石炭系
中原油田盐层缩径
川西硬脆性泥页岩地层
川东碳酸盐岩地层
松辽盆地的嫩江组、 青山口组、泉口组
岩石的成因
微观结构
有层理等 具有不同胶结物 颗粒大小不同有优势指向
强度各向 异性地层
构造应力历史：在变形过程中产生了裂缝、节理
宏观结构： 视为横观各向同性
重点考察弱面的影响
井壁稳定研究方法
弹塑性力学理论方法
研究方法
井壁稳定统计方法 井壁失稳引起的钻井作业失败风险评估
汇报提纲
一、井壁稳定力学的定义 二、井壁稳定力学研究现状及手段 三、井壁稳定力学研究的发展趋势
实验室实验能力
MTS-816岩石力学三轴试验机 美国高温高压岩石多功能流变仪
X-射线衍射仪
声发射测试系统
岩心渗透率测试仪
美国高温高压线性膨胀仪
实验室实验能力
井筒变形大型物理模拟实验装置
防砂管柱实验装置
承压堵漏实验评价装置
水力压裂大型物理模拟实验装置
弯曲井眼套管强度测试实验装置
实验室研究方向
深部地层工程地质特征研究； 深层地应力测量技术； 深部地层环境下的岩石力学性质； 岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释； 构造应力场的数值模拟及其在油气勘探及开发中的应用； 深层岩石中天然裂缝的形态、分布和预测理论； 固液耦合理论及在油藏工程中的应用； 井壁围岩稳定性研究； 岩石破碎机理研究； 人工裂缝的起裂、延伸及水力压裂工程设计； 弱固结地层的固相产出问题； 地层错动、蠕变及套管损坏问题； 数值方法在石油工程岩石力学中的应用研究； 石油工程岩石力学的物理模拟技术研究。
地层的失稳机理及控制方法
敏感性页岩地层
地层分类
裂缝性地层 流变地层（软泥岩、膏盐岩）
强度各向异性地层
地层的失稳机理及控制方法
敏感性 页岩地 层
失稳机理 控制方法
应力重新分布：引发井壁失稳 层理面弱面：引发井壁剪切或拉伸破坏 低渗透性：导致有效应力降低引发失稳 预先存在的裂缝：钻液渗入引发块状崩塌
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
油气钻井中钻遇的复杂地层
裂缝、孔洞发育的碳酸盐岩 （钻井复杂：严重漏失）
遇水分散的层理性泥页岩 （钻井复杂：井壁坍塌）
油气钻井中钻遇的复杂地层
强度较低的疏松砂岩
力学不稳定——根本原因
地层倾角的大小
岩体破碎程度
关键因素
外来流体侵入的程度
地层的失稳机理及控制方法
流变地层 (软泥岩、 膏岩盐)
力学角度： 软泥岩、膏盐岩具有较强的流动性，高温下
流动性加，当钻开地层后，原应力场的改变
使地层向着井眼方向流动，造成缩径。
物理学角度: 盐的溶解则导致井壁坍塌，造成卡钻
地层的失稳机理及控制方法
井壁稳定力学机理发展趋势
p 井壁稳定要做到“先知先觉”，避免钻井过程中的“遭遇战”， 降低钻井风险，缩短钻井周期。
p 确保以提高机械钻速、提高采收率为目的的新技术、新工艺的 顺利实施。
p 建立井壁稳定信息数据综合管理及实时应用的井壁稳定远程快 速决策系统。也是二十一世纪钻井工程技术发展的主要内容。
4. Ozkaya（美国）
COMPUTERS & GEOSCIENCES, 29 (2): 143-153 MAR 2003
5. Roegiers（美国）
Oklahoma research report 2005-R05
6G.ROUDN.DPWeAtTEeRr,（42荷(4兰): ）509-515 JUL-AUG 2004
研究井壁失稳的角度
研究井壁失稳的角度
井壁稳定的研究现状
井壁稳定力化耦合 化学影响定量描述
实验摸索阶段 （M.E.Chenevert） 井壁稳定化学研究 Gray、Darley、Chenevert 井壁稳定力学机理 （H.M.Westergard）
•1940 •1950 •1960 •1970 •1980 •1990 •2000 •2010
人为因素
地质构造类型和原地应力 地层的岩性和产状 含粘土矿物的类型 弱面的存在和及其倾角 层面的胶结情况 裂隙节理的发育 孔隙度渗透率及空隙中流体压力等
钻井液的性能（失水、粘度、密度） 钻井液和泥页岩化学作用的强弱（水化膨胀） 井眼周围钻井液侵入带的深度和范围 井眼裸露的时间 钻井液的环空反速对井壁的冲刷作用 循环波动压力和起下钻的激动压力 钻井柱眼对轨井迹壁的摩擦和碰撞
当漏、喷、塌、…位于同一裸眼井段(同层)，则引发出多种复杂问 题:主要归纳为窄或负安全密度窗口的安全钻井复杂问题，成为目前钻 井工程亟待解决的重大技术难题，而喷和漏构成的窄或负安全密度窗口 的安全钻井问题则更为复杂、困难和危险,是我们当前重点攻关解决的 重大难题。
井壁失稳的原因
天然因素 井 壁 失 稳
汇报提纲
一、井壁稳定力学的定义 二、井壁稳定力学研究现状及手段 三、井壁稳定力学研究的发展趋势
井壁稳定研究面临的难题
在石油是 世界范围内普遍存在的问题。
哈利伯顿公司最新统计：全球每年花费在井壁稳定上的开 支不低于80亿美元。
保持井壁稳定一直是钻井技术中一份额十分重要的课题， 在我国表现十分普遍，在油气勘探开发中有着重要的作用。
“大幅度提高油气产量的非平面压裂技术及工业化应用” 2009年 北京市技进步一等奖，第二单位、第2、3完成人
“高应力强水敏深层钻井围岩稳定技术及工业化应用” 2008年 中国岩石力学及工程学会特等奖，第一单位、第1、3、5完成人
“非平面水力裂缝设计方法及控制压裂提高油气产量技术” 2007年 教育部科技进步一等奖，第一单位、第1、3、5完成人
APOGCE，30 Oct.07,Jakarta,Indonesia
实验室实验能力
常规岩石力学参数测试 地应力测试 井壁稳定模拟 水力压裂模拟 出砂模拟及防砂评价 岩石可钻性评价 套管损坏物理模拟及腐蚀评价
国家重点实验室的组成部分 211井壁稳定实验室 中石油钻井重点实验室井壁 稳定研究室 中石油储层改造重点实验室 压裂物理模拟研究室 教育部重点实验室的组成 中国岩石力学及工程学会深 层岩石力学专业委员会
利用随钻测量工具来 获得井壁的实时信息 结合测井资料来分析 井壁的力学稳定性
优点：可以直接获得地下资料， 精度较高
缺点：设备成本高，井径不规则 时影响精度
利用对岩屑的测量获 得拟声波测井结果和 岩石强度参数来分析 井壁的力学稳定性
优点：操作简单，成本低廉
缺点：钻屑采集困难(非胶结地 层、钻井液漏失等)，大孔隙钻 屑颗粒加工困难等问题
“深部储层应力及裂缝扩展的动态耦合理论及应用研究”
近五年标志性成果
2.国家发明专利
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
项目名称 利用地震层速度钻前预测坍塌压力及破裂压力方法 利用地震记录预测井眼待钻井段坍塌压力和破裂压力的方法 一种随钻预测钻头底下地层孔隙压力的方法 一种随钻预测钻头底下地层坍塌压力和破裂压力的方法 一种评价筛管筛网挡砂性能的装置 一种评测防砂筛管的防砂性能的装置、系统及方法 大尺寸真三轴钻井堵漏评价装置 应力敏感性地层钻井堵漏模拟评价装置 一种利用测井资料检测高压盐水层孔隙压力的方法 高压盐水层区域分布的识别方法 一种利用测井资料预测碳酸盐岩地层孔隙压力的方法 一种可视化实时监测水力裂缝扩展的方法 一种计算岩石II型断裂韧性的方法 一种盐下水平井造斜段钻井液密度确定方法
近五年标志性成果
1.国家奖及省部级奖
2011年中国石油及化学工业学会科技进步二等奖，第一单位 “定向井井壁失稳控制技术及应用” 2010年 中石油集团科技进步二等奖，第二单位、第3、6、9完成人 “库车前缘隆起带盐下水平井钻井技术研究及实践” 2009年 国家科技进步二等奖，第一单位、第1、4、7完成人
渤海湾的馆陶组、 明化镇组、沙河街 组等
江苏油田的阜宁组
南海地区乐东组、珠 海组、莺歌海组
井壁稳定研究面临的难题
1.复杂地层条件下的井壁稳定问题
如深井、高温大段盐、膏、泥层的井壁稳定; 山前高陡构造、破碎地层井壁稳定问题 气体钻井转换泥浆后的井壁稳定问题……
2.井漏问题(主要是指恶性漏失)及由此引发的一些井下复杂问题
至今无一有效可靠的技术。主要由工程经验来解决问题。
“恶性漏失”主要表现为漏失厉害并且很难堵住。它常有两种不同的情况： 较大的天然裂缝及溶洞引起的有进无出的严重(漏速很大、很难堵住…)漏失 长井段低承压地层“随机性、多点漏失” (漏速很大、很难堵住…)问题
井壁稳定研究面临的难题
3.窄安全密度窗口安全钻井问题:
研究方向 井壁稳定钻前预测 井壁稳定随钻预测 防砂 防漏堵漏
孔隙压力预测
水力压裂 盐膏层钻井
近五年标志性成果
3.论文
国外刊物发表论文 21篇 国内核心期刊论文 45篇
国际会议 专著
8篇 3部
得到国际同行权威的高度评价
1. Tuncay,K.（美国）
JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SOLID EARTH,2001,106(B1):803-817
（钻井复杂：缩径或散 塌，起下钻阻卡）
具有蠕变特性的盐膏岩 （钻井复杂：缩径阻卡）
油气钻井中的井壁坍塌问题
高地应力造成坍塌
弱固结地层散塌 裂缝性、破碎性地层坍塌
油气钻井中的阻卡问题
蠕变地层造成阻卡 地层坍塌造成阻卡
定向井键槽 造成阻卡
井眼清洁问题造成阻卡
油气钻井中的漏失问题
高孔高渗地层的渗漏 钻井液密度过高压裂地层造成漏失 断层、不整合面、破碎带漏失
2. Helstrup （澳大利亚）
Journal of Petroleum Science and Engineering,2004(43):113-128
3. Rutqvist,J.（美国）
INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES, 2004，41(7): 1191-1210
碳酸盐岩地层裂缝、溶洞漏失
井壁稳定的力学定义是什么？
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 •砂岩、泥岩、碳酸盐岩、盐膏岩…… •层理、裂缝、断层……