井壁稳定性 调研

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
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
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
PART 1
参考文献展示
参考文献
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
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对应正常地应力、 走滑地应力、 反转地应力类型分
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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991.48m。
岩石力学与井壁稳定性调研
PART 2
发展历史
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岩石力学与井壁稳定性调研
发展历史
Development Histor y
力学与化学 耦合研究
判断井壁岩石稳定性的 强度判别准则
案例 分析
1
煤层气井壁稳定性 研究方法
2
页岩气井壁稳定性 研究方法
页岩水平井井壁稳定性分析—层理性页岩
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
影响因素
层理面产状、经验轨迹、层理面强度弱化
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0°~30°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 30°~90°时，沿特定方位钻水平井的井壁稳定性却比较好的 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/cm3 3、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
井壁稳定问题
…
力直井井周弹塑性
应力分布的数学描 述
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岩石力学与井壁稳定性调研
发展历程
Development Histor y
谭强 2010
着重于研究泥页 岩的井壁稳定性
煤层气井壁稳定性研究
岩石力学与井壁稳定性调研
实例拟合
煤岩及储层参数
内摩擦角
内聚力 抗张强度
数值
33.72°
6.25 MPa 2 MPa
体积模量
剪切模量 密度
4100 MPa
3100 MPa
垂直地应力
水平地应力 法向刚度
15 MPa
10 MPa
切向刚度
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岩石力学与井壁稳定性调研
发展趋势
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 针对水基钻井液，应进一步研究钻井液密度控制；针对油基钻井液，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-化-温度-耦合模型 由力学-化学耦合向力学，化学，电势，热力等多场耦合方向发展
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
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
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
解析模型
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
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
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，此时的煤层井眼可简化为 平面应变问题
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PART 4
实例分析
案例 分析
1
煤层气井壁稳定性 研究方法
2
页岩气井壁稳定性 研究方法
煤层气井壁稳定性—极限平衡法
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
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
岩石力学与井壁稳定性调研
敏感性分析
井眼走向：面割理走向与井眼走向平行时, 井壁稳定性更差 割理密度：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：井径越大,井眼切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：井底压力越大 ,井壁越稳定
岩石力学与井壁稳定性调研
建议在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。
页岩气水平井井壁稳定性分析—地应力类型
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—温度和化学耦合作用
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
主要诱因
泥页岩的强水化膨胀性（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
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）
刘向君 2002
研究软弱结构面对
赵凯 2013
袁俊亮 2013
赵新波 2014…
屈平 2016
井壁稳定性的影响
PART 3
研究现状
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研究现况
1
失稳机理
假设地层均匀各项同性
考虑井筒液注压力
Mclean 1990
Aadony JCRoegier Abousl eiman 1993 1987 1998
金衍 1999
Westgard 1940
与各方向应力差异
考虑地层各向异 性分析定向井的
没考虑井筒液注压
Willis 1957
Fairhurst 1964
2
钻井液研发
地层特征
3 力-化-温度耦合模型
三 维 离 线 元 法 热 比 拟 法 等 效 孔 隙 压 力 极 限 平 衡 法
理 化 特 征
微 观 结 构
岩 石 组 成
体系设计 化学性能 室内评价
效果分析
现场应用
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煤层气井壁稳定性—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
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使得井壁坍塌加剧
PART 5
存在问题
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存在问题
热力场及化学稳定性
钻具振动
井斜角方位角
三轴实验
THANKS
欢迎老师同学们批评指正
汇报结束
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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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在该井设计过程中，采用了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%。
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西南石油大学石油与天然气工程学院
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石油ຫໍສະໝຸດ Baidu程岩石力学
井壁稳定性 调研汇报
汇报小组成员：陈睿飏 申鑫
2016年
12月
13日
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钻井液 化学研究 纯力学研究
65%
井壁稳 定力学 研究
预测井周应力分布的 本构模型
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岩石力学与井壁稳定性调研
发展历程
Development Histor y
着重于选择合适的 破坏准则以确定安 全的钻井液密度
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
内摩擦角 内聚力 孔隙压力 井眼半径
数值
28° 18 MPa 24.6 MPa 0.108 m
钻井液柱压力
地层孔隙度 水平地应力（最小） 水平地应力（最大） 地层温度 泊松比
27.4 MPa
7.5% 32.6 MPa 41.2 MPa 108℃ 0.24
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 。
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
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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