岩石力学-井眼周围地层应力状态及井壁稳定预测.ppt

井眼周围地层应力状态及井壁稳定预测 井眼周围地层应力状态 意义？ 井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗口的确定基础 出砂预测研究的基础 …… 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 直井井眼周围地层应力状态 直井井眼周围地层应力状态 由钻井液柱压力P引起的应力 直井井眼周围地层应力状态 直井井眼周围地层应力状态 直井井眼周围地层应力状态 直井井眼周围地层应力状态 直井井眼周围地层应力状态 直井井眼周围地层应力状态 利用水力压裂试验数据计算地应力： 利用水力压裂试验数据计算地应力： 地层倾角测井确定地应力方位 坍塌压力、破裂压力 定向井井周地层应力状态 东营组地层斜井井壁稳定性分析 东营组地层斜井井壁稳定性分析 安全泥浆密度窗口 变质岩地层裸眼完井井壁稳定性分析 井壁失稳机理研究的基本力学方法： 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 泥页岩水化坍塌问题 层理性地层井壁稳定性问题 具有显著“结构性（层理、裂缝）”的泥页岩地层井壁失稳问题难以像均质地层一样通过提高钻井液密度有效解决，是目前研究的难点（Crook，2002） 霍003井安集海河组泥页岩地层坍塌掉块 涠西南油田群，在层理发育的涠二段、流二段泥页岩地层中钻进定向井时，井壁坍塌卡钻等井下复杂时有发生 层理性泥页岩力学特点之一：各向异性 试验表明，层理性泥页岩力学性质及强度具有显著各向异性，若轴线与层理面的夹角在20?～30?之间，岩心强度与垂直层理面强度相比降低了40%，平行层理面的抗拉强度低于垂直层理面的抗拉强度（Chenevert，1965） 依据统计，只有10％的地层为各向同性，30％地层弹性模量各向异性比大于1.5。因此井壁稳定性分析中考虑地层各向异性的影响更接近实际情况的（Ong，1994） 层理性泥页力学特点之二：渗透性 钻井液及其滤液沿层理面的渗流使泥页岩地层强度逐步降低是引起井下复杂的主要原因之一（Mclellan，1996） 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） 层理性泥页岩地层强度特性 地层力学性质具有明显的各向异性，轴向与层理面法线夹角在45～75度之间时强度最低，约为垂直层理面强度的1/5～1/6。 层理面的粘聚力、内摩擦角远低于岩石基体的粘聚力、内摩擦角，高倾角下的破坏多为沿层理面的剪切破坏。 层理性泥页岩地层渗透特性 问题的难点 层理性地层井壁破坏点分析 地层走向对层理性泥页岩坍塌压力的影响 定向井井眼轨迹对坍塌压力的影响 定向井井眼轨迹对坍塌压力的影响 高陡层理性地层井眼缩径规律研究 高陡层理性地层井眼缩径规律研究 BP公司 2002年，BP 美国公司在墨西哥湾遇到钻井中井壁稳定问题。 井眼与地层层理面夹角不同（井斜角不同），井壁垮塌程度、垮塌岩石大小、形状不同。 破碎性地层的稳定性的研究方法 破碎性地层的力学特性 由于结构面的存在，破碎性地层的力学性质主要受结构面力学性质的影响 与完整地层相比，结构面是高渗面，必须考虑渗流影响 破碎性地层稳定性问题，没有解析解，必须进行数值求解 有限元方法：节理面有限元模型（有限结构面）、当量连续体模型（多组结构面或随机结构面） 离散元方法：块体平衡理论，目前只能进行二维分析 破碎性地层的失稳形式 结构面的破坏有两类：一是沿着结构面的剪切破坏，二是垂直于节理面的拉张破坏；支撑不够的时候发生沿着结构面的剪切破坏，大块坍塌，封堵不好，无法有效遏制渗流，导致垂直于结构面的拉张破坏，也是大块坍塌。 破碎性地层井壁失稳规律的数值模拟 破碎性地层井壁失稳规律的数值模拟 破碎性地层井壁失稳规律的数值模拟 井眼周围岩体的快速崩解过程 流变性地层井壁稳定性问题 例题1： 岩石抗压强度的定义？下图岩石单轴压缩实验确定的地层抗压强度是？ 岩石初始变形模量、切线变形模量和割线变形模量的数学表达式？通过实验结果确定岩石的切线变形模量和泊松比 若相同岩石在15MPa围压下抗压强度为70MPa，结合单轴抗压实验结果计算岩石的内摩擦角和粘聚力。 例题2： 岩石典型蠕变曲线分为那几个阶段？特征是什么？ 用Maxwell模型阐述岩石的蠕变特性和松弛特性，试述岩石蠕变特性对石油工程的影响（井壁稳定方面和套管损坏方面）？ 例题3： 地应力的概念？成因及分布规律？ 对井深2000米的地层，通过水力压裂法测量地应力过程中，若已知地层抗拉强度为2MPa，孔隙压力为20MPa，裂缝闭合压