《井壁稳定性调研》PPT课件.ppt

石油工程岩石力学 井壁稳定性调研汇报西南石油大学石油与天然气工程学院汇报小组成员：陈睿飏 申鑫2016年Southwest petroleum university institute of petroleum engineering12月 13日 目 录参考文献存在问题 发展历史研究现状实例分析Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 参考文献展示PART 1 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岩石力学与井壁稳定性调研 PART 2 发展历史 预测井周应力分布的本构模型判断井壁岩石稳定性的强度判别准则纯力学研究 65%钻井液化学研究 力学与化学耦合研究 井壁稳定力学研究Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研发展历史Development History 发展历程Development History 没考虑井筒液注压力直井井周弹塑性应力分布的数学描述 着重于选择合适的破坏准则以确定安全的钻井液密度考虑井筒液注压力与各方向应力差异 考虑地层各向异性分析定向井的井壁稳定问题Westgard1940 Willis1957 Fairhurst1964Mclean1990 Aadony1987 JCRoegier1993 Abousleiman1998 金衍1999u假设地层均匀各项同性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 研究软弱结构面对井壁稳定性的影响 着重于研究泥页岩的井壁稳定性刘向君2002 谭强2010 赵凯2013 袁俊亮2013 Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研z屈平2016z赵新波2014煤层气井壁稳定性研究 PART 3 研究现状 失稳机理岩石组成微观结构理化特征1 钻井液研发地层特征体系设计化学性能室内评价效果分析现场应用2 力-化-温度耦合模型极限平衡法等效孔隙压力热比拟法 三维离线元法 3研究现况Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 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 展发展趋势Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 PART 4 实例分析 煤 层 气 井 壁 稳 定 性研 究 方 法1页 岩 气 井 壁 稳 定 性研 究 方 法2 案例 分析 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 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解析模型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 煤 层 气 井 壁 稳 定 性 极 限 平 衡 法 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 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 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 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机分布和动态的断裂分析 煤 层 气 井 壁 稳 定 性 研 究 方 法 三 维 离 线 元 法 Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 实 例 拟 合煤 岩 及 储 层 参 数 数 值内 摩 擦 角 33.72内 聚 力 6.25 MPa抗 张 强 度 2 MPa体 积 模 量 4100 MPa剪 切 模 量 3100 MPa密 度 垂 直 地 应 力 15 MPa水 平 地 应 力 10 MPa法 向 刚 度切 向 刚 度 Southwest petroleum university institute of petroleum engineering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 煤层气井壁稳定性研究方法1页 岩 气 井 壁 稳 定 性研 究 方 法2 案例 分析 影响因素层理面产状、经验轨迹、层理面强度弱化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页岩水平井井壁稳定性分析层理性页岩研究结论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030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 3090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/cm33、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 Southwest petroleum university institute of petroleum engineering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。 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%。 Southwest petroleum university institute of petroleum engineering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 。 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 地 应 力 类 型研究结论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 别为 90、 45和 0。 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页 岩 气 水 平 井 井 壁 稳 定 性 分 析 温 度 和 化 学 耦 合 作 用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） 井 周 热 应 力 表 达 式 ： 井 周 渗 力 场 变 化 表 达 式 ：Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 井 周 应 力 场 分 析 Southwest petroleum university institute of petroleum engineering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 数 值内 摩 擦 角 28内 聚 力 18 MPa孔 隙 压 力 24.6 MPa井 眼 半 径 0.108 m 钻 井 液 柱 压 力 27.4 MPa地 层 孔 隙 度 7.5%水 平 地 应 力 （ 最 小 ） 32.6 MPa水 平 地 应 力 （ 最 大 ） 41.2 MPa地 层 温 度 108泊 松 比 0.24 PART 5 存在问题 热力场及化学稳定性井斜角方位角 钻具振动三轴实验 存 在 问 题Southwest petroleum university institute of petroleum engineering岩石力学与井壁稳定性调研 欢迎老师同学们批评指正汇报结束THANKS