钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术.ppt

钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术 钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术 概述 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 井壁稳定技术 研究现状 自适应井壁稳定技术 一、概述 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 结构特征 抗拉强度 孔隙流体 风化 岩体外载 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 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 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 ?xy?yz?zx-(?x ?yz2+ ?y ?zx2+ ?z ?xy2) 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 Mohr’s stress circle 几何方程 本构方程 线弹性模型 非线弹性模型 多孔弹性介质模型 对于排水实验，静水应力与体积应变的关系如下： （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 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 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 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%。 第四类：离开地表10-20Km，处于较高的温度和围压下，破坏时剪切破碎带较宽，且有一定的相互错动，断层面与最大主应力方向夹角略小于45°，破坏前应变量在5-10%。 第五类：距地表20Km，围压大于50MPa，温度大于500°，岩石处于完全延性状态，永久应变量大于10%。 岩石的破坏类型可分为破裂和流动两种。 岩石强度的表征 单轴抗压强度简称抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 实验室测试技术 岩样的制备 既要避免岩体的结构面，又要有一定的代表性和广泛性。 出处-产地、井深、层位和岩性 规则岩样： ?25-50mm 抗压实验：h/d=2.5-3.0 抗弯实验：h/d=3.0-7.0 巴西实验：h/d=0.5-1.0 冲压实验：h/d=0.2-0.25 制备过程： 1 将钻井岩芯锯切成所需长度 2 用取芯机钻取所需直径的岩样 3 端面处理 样品数量：