石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)2015

1、巖石力學(xué)大作業(yè)專 業(yè)：油氣井工程專業(yè) 班 級：研油氣井班姓 名： 學(xué) 號： 2015.05.25目錄題目：2014-2015石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)1已知條件1要求1第一章 前言31.1 井壁穩(wěn)定研究的意義31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢31.3 本題的研究方法5第二章 基于測井資料分析過程62.1 地層巖性分析62.1.1 泥質(zhì)含量62.1.2 井徑測井分析72.1.3 巖性分析72.1.4 求取Biot系數(shù)82.2 求取彈性模量和泊松比92.2.1 聲波測井解釋原理92.2.2 彈性模量和泊松比92.3 求取內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度連續(xù)剖面112.3.1 計(jì)算單點(diǎn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角1

2、12.3.2粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面122.4 孔隙壓力分析132.4.1 求上覆巖層壓力132.4.2 求地層孔隙壓力6132.5水平最大和最小主應(yīng)力剖面5162.6 坍塌壓力、破裂壓力和鉆井液密度窗口5192.6.1 坍塌壓力192.6.2 破裂壓力192.6.3 繪制鉆井液密度窗口202.6.4防止井壁坍塌合理建議212.7 分析出砂可能性5212.7.1 出砂指數(shù)法分析出砂可能性212.7.2 合理完井方式推薦222.8 水平井起裂壓力計(jì)算222.8.1 水平井起裂壓力計(jì)算模型222.8.2 計(jì)算起裂壓力23參考文獻(xiàn)25附錄：Matlab源程序26題目：2014-201

3、5石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)結(jié)合所學(xué)的石油工程巖石力學(xué)課程內(nèi)容及相關(guān)知識，利用給出的測井?dāng)?shù)據(jù)，對地層力學(xué)參數(shù)、孔隙壓力、地應(yīng)力、地層坍塌壓力與破裂壓力進(jìn)行分析計(jì)算，得出地層力學(xué)參數(shù)、地層主應(yīng)力、地層坍塌、破裂壓力剖面；分析儲層出砂可能性，提出完井方式建議；分析水平井裸眼壓裂的起裂壓力。最終形成結(jié)課作業(yè)報(bào)告。已知條件(1) A井為一口預(yù)探井、直井，位于受正斷層控制的某凹陷構(gòu)造，鉆遇地層為第三系、第四系地層，主要為砂巖、泥巖地層，部分層位有薄層煤巖夾層。儲層為3600-4100m砂巖地層。(2) 已知A井縱波時(shí)差、密度、自然伽馬和井徑測井?dāng)?shù)據(jù)，見附件一。(3) 已知A井鉆井過程中實(shí)際使用的鉆井液密度，

4、見附件一。(4) A井鉆井中的主要復(fù)雜問題是起下鉆阻卡，一般通過劃眼、倒劃眼方法解決，一定程度上影響鉆井時(shí)效。鉆井中進(jìn)行過兩次地漏試驗(yàn)，分別位于井深1605m和3832m，具體數(shù)據(jù)見附件一。(5) 利用A井鉆井取得的巖心進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表1。表1 A井巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)井深(m)巖心編號圍壓(MPa)破壞強(qiáng)度(MPa)備注37971-1039.52-120146.43-140215.438874-1050.65-120155.26-140201.439758-1052.59-120148.210-140187.739758-2018.4浸泡鉆井液2天9-22097.510-2401

5、28.5要求1） 編寫程序讀取、計(jì)算、輸出數(shù)據(jù)。2） 利用自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)簡單分析地層巖性，合理設(shè)定或求取有效應(yīng)力系數(shù)。3） 利用測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算分析地層的彈性模量、泊松比。4）根據(jù)抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)線性莫爾-庫侖準(zhǔn)則計(jì)算粘聚力和內(nèi)摩擦角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整合理的系數(shù)，利用測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面。5） 采用地層密度積分方法計(jì)算上覆主應(yīng)力，利用聲波時(shí)差測井?dāng)?shù)據(jù)分析地層孔隙壓力，得出孔隙壓力隨井深變化的連續(xù)剖面。6）根據(jù)地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水平地應(yīng)力大小，選取水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，采用適當(dāng)模型計(jì)算水平主應(yīng)力大小，得出水平最大和最小主應(yīng)力剖面。7）采用直井均質(zhì)各向同性模型計(jì)算地層坍塌

6、、破裂壓力，分析鉆井液密度使用是否合理。8） 分析儲層出砂可能性，推薦合理的完井方式。9）如果后期開發(fā)中在該井區(qū)垂深3980-4000m地層鉆進(jìn)水平井且進(jìn)行壓裂，分別計(jì)算向水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)的水平井裸眼起裂壓力大小。10）輸出結(jié)果中單位的使用：地層強(qiáng)度參數(shù)采用MPa為單位，地應(yīng)力、坍塌壓力、破裂壓力采用當(dāng)量泥漿密度為單位。11） 編寫結(jié)課作業(yè)報(bào)告。12）課程結(jié)課作業(yè)報(bào)告提交截止時(shí)間：2015年5月25日。第一章 前言1.1 井壁穩(wěn)定研究的意義井壁穩(wěn)定一般是指鉆井過程中井壁的張性破壞(井漏)和剪切破壞(井塌)問題，是鉆井工程中經(jīng)常遇到的井下復(fù)雜情況之一，具體包括井眼縮徑、坍塌

7、、井漏、卡鉆等，尤其是井漏、井噴對儲層的傷害很大。井壁失穩(wěn)問題是世界許多油田都普遍存在的一大難題，一直困擾著石油工業(yè)界。據(jù)有關(guān)資料介紹，世界范圍內(nèi)平均每年用于處理井眼失穩(wěn)的費(fèi)用達(dá)810億美元，消耗的時(shí)間約占鉆井總時(shí)間的5一6%。國內(nèi)各油田由于井壁失穩(wěn)造成的損失在鉆井事故損失中所占比例依然很大。因此，鉆井過程中井壁穩(wěn)定與否，關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)安全、快速的鉆進(jìn)，同時(shí).又能夠盡可能的減少對儲集層段的污染，減少鉆井費(fèi)用。所以對井壁穩(wěn)定性的研究越來越受到重視，已經(jīng)成為當(dāng)今乃至將來研究重點(diǎn)。通過相關(guān)資料的研究和計(jì)算可以得出井壁巖石地層處的破裂壓力及坍塌壓力，從而建立相應(yīng)的井壁穩(wěn)定模型，可以有效的控制鉆井過程中

8、的井壁失穩(wěn)，以便采取相應(yīng)的措施，達(dá)到減少井下事故的發(fā)生，縮短鉆井周期的目的，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、安全、高效和低成本鉆井的關(guān)鍵。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢由于鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是一個(gè)世界性難題，因此受到各國科研人員的高度重視。但是，由于受石油鉆井工程發(fā)展歷史的影響，長期以來，研究的重點(diǎn)多集中于化學(xué)防塌方面。在這方面，泥漿工作者進(jìn)行了大量行之有效的工作，從化學(xué)的角度出發(fā)研制抑制泥頁巖水化、膨脹和實(shí)現(xiàn)離子活度平衡的新型泥漿處理劑和配方，使井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大為減少，井壁穩(wěn)定技術(shù)取得很大進(jìn)展，但是，仍然解決不了水化程度弱、強(qiáng)度低的泥頁巖、砂泥巖地層，強(qiáng)地應(yīng)力條件的山前構(gòu)造、弱面地層和井斜及井斜引起的井壁失穩(wěn)

9、問題，可見，解決井壁失穩(wěn)僅通過使用優(yōu)質(zhì)泥漿是不夠的，有必要從巖石力學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)行井壁穩(wěn)定力學(xué)研究。自本一世紀(jì)40年代以來，國外眾多的研究者就己為解決與井壁穩(wěn)定有關(guān)的巖石力學(xué)問題做出了大量的努力。這些研究最初是將力學(xué)和化學(xué)兩方面的問題分開進(jìn)行的，并著重于純理論上的定性分析。隨后，一些研究人員又從現(xiàn)場應(yīng)用的角度提出了利用測井資料來研究井壁穩(wěn)定的方法，比如斯倫貝謝測井公司從70年代起開始利用測井資料解釋地層的力學(xué)問題，先后提供了巖石力學(xué)性質(zhì)測井(MECHPRO)，力學(xué)穩(wěn)定性測井(MSL)和井眼力學(xué)問題系統(tǒng)(IMPACT)等技術(shù)。80年代以來，特別是近年來隨著水平井和大位移井的發(fā)展，這方面的研究更

10、為受到重視，己達(dá)到定量化階段，并開始在現(xiàn)場試用。國內(nèi)學(xué)者將巖石力學(xué)理論用于鉆井井壁穩(wěn)定方面的研究起步相對較晚。80年代初期，巖石力學(xué)的研究主要是用于描述地層蠕變對套管產(chǎn)生的破壞作用，到90年代，在井壁穩(wěn)定方面的研究有了很大的發(fā)展，黃榮蹲等人還對大斜度井和水平井井壁力學(xué)穩(wěn)定性問題作了深入的研究，其井壁穩(wěn)定性模型在Aadnoy模型的基礎(chǔ)上又附加了井壁滲透性因素和考慮了兩個(gè)水平地應(yīng)力不相等的情況，并指出井壁滲透性對坍塌壓力的計(jì)算影響大不，但對計(jì)算破裂壓力有較大的影響。隨后，石油大學(xué)巖石力學(xué)研究組又集中力量開展了對泥頁巖井壁坍塌的力學(xué)、化學(xué)藕合方面的研究。此外，國內(nèi)學(xué)者還應(yīng)用損傷力學(xué)理論，從巖體節(jié)理的

11、變形能出發(fā)，建立了硬脆性泥頁巖(含節(jié)理裂隙)的本構(gòu)方程，又以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用固體力學(xué)方法建立了膨脹性泥頁巖水化的本構(gòu)方程，根據(jù)損傷和水化膨脹的特性，建立了有限元計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算程序，結(jié)合莫爾庫倫準(zhǔn)則，給出了確定井壁穩(wěn)定所需鉆井液密度值的新方法?？傊?，井壁穩(wěn)定問題的理論研究已發(fā)展到了一定的水平，而且正不斷加大鉆前井壁穩(wěn)定的預(yù)測力度。目前國內(nèi)外對井壁穩(wěn)定的實(shí)時(shí)預(yù)測研究主要從兩個(gè)方面來展開:第一是借助先進(jìn)的隨鉆測量工具(UWD、MWD等)來獲得井壁的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而利用原有的相對成熟的巖石力學(xué)參數(shù)與測井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)公式，來分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性:第二是利用對巖屑的測量獲得擬聲波測井結(jié)果和巖石強(qiáng)度參數(shù)，

12、來分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性。而實(shí)時(shí)地對當(dāng)前鉆頭處地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，及對鉆頭底下地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，是當(dāng)前鉆井急需解決的理論和工程難題?？偟膩碇v，井壁穩(wěn)定力學(xué)研究應(yīng)從3個(gè)方面入手:巖石力學(xué)參數(shù)、原地應(yīng)力場和井壁穩(wěn)定力學(xué)模型研究。巖石力學(xué)參數(shù)是基礎(chǔ)，地應(yīng)力是井壁失穩(wěn)的根本誘因，合理的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型是解決井壁穩(wěn)定問題的有效途徑。結(jié)合3個(gè)方面的研究，掌握地應(yīng)力狀態(tài)和地層力學(xué)參數(shù)，采用合理的力學(xué)模型，得出能控制井壁失穩(wěn)的泥漿密度范圍，再配合使用優(yōu)質(zhì)泥漿，才能使得井壁失穩(wěn)問題得到最大限度的降低。1.3 本題的研究方法主要利用給出的測井?dāng)?shù)據(jù)，對地層力學(xué)參數(shù)、孔隙壓力、地應(yīng)力、地層坍塌壓力與破裂壓

13、力進(jìn)行分析計(jì)算，得出地層力學(xué)參數(shù)、地層主應(yīng)力、地層坍塌、破裂壓力剖面；分析儲層出砂可能性，提出完井方式建議；分析水平井裸眼壓裂的起裂壓力。第二章 基于測井資料分析過程2.1 地層巖性分析2.1.1 泥質(zhì)含量地層中的泥質(zhì)含量與自然讀數(shù)GR的關(guān)系往往是通過實(shí)驗(yàn)確定的。德萊賽測井公司在墨西哥灣采用式（2.1.1）求泥質(zhì)的體積含量Vs1。 （2.1.1） （2.1.2）式中，Vsh泥質(zhì)的體積含量；GCUR希爾奇指數(shù)，對于第三系地層取值3.7，老地層取值2，題目中有說明鉆遇的是第三系和第四系，故其值取3.7；IGR泥質(zhì)含量指數(shù)；GR、GRmax 、GRmin目的層的、純泥頁巖的和純砂巖層的自然伽馬值。根

14、據(jù)GR測井?dāng)?shù)據(jù)，獲得最大值134.92和最小值35.213。取GRmin=30(API)，GRmax=140(API)。在Matlab中編程并繪制泥質(zhì)含量隨井身變化剖面圖：圖2-1 泥質(zhì)含量隨井深剖面變化圖2.1.2 井徑測井分析將鉆頭直徑數(shù)據(jù)與井徑測井?dāng)?shù)據(jù)繪制與一張圖中：圖 2-2 井眼直徑在鉆井過程的變化2.1.3 巖性分析自然伽馬測井劃分巖性原理是利用自然伽馬測井曲線劃分巖性，主要是根據(jù)巖層中泥質(zhì)含量不同進(jìn)行的。在砂泥巖剖面中，砂巖顯示出最低值，粘土（泥巖、頁巖）顯示最高值，而粉砂巖、泥質(zhì)砂巖介于中間，并隨著巖層中泥質(zhì)含量增加曲線幅度增大。通常規(guī)定Vsh0.7的層段是純泥巖段，Vsh0.

15、2的層段是純砂巖段。井徑測井中擴(kuò)徑主要發(fā)生在疏松砂巖段和泥質(zhì)含量較高的井段，縮頸主要發(fā)生于砂巖段。結(jié)合泥質(zhì)含量曲線和井徑測井曲線分析地層巖性：1600m-1800m深度處，泥質(zhì)含量較低（Vsh %導(dǎo)入測井?dāng)?shù)據(jù)（已存為loggingdata.mat）。load(C:UserswdyDesktoploggingdata.mat);L=loggingdata;l,r=size(L);DEPT=L(:,1);BIT=L(:,2);CAL=L(:,3);GR=L(:,4);DT=L(:,5);DEN=L(:,6);%繪制鉆頭尺寸和井眼直徑測井?dāng)?shù)據(jù)曲線。subplot(1,2,2);plot(BIT,DE

16、PT,r,CAL,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(in);ylabel(深度/m); title(鉆頭尺寸與實(shí)際井眼尺寸對比); legend(BIT,CAL); grid on;%用GR（自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)）計(jì)算泥質(zhì)含量。plot(GR,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(API);ylabel(深度/m); title(自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)隨深度的變化); grid on;%繪制自然伽馬測井曲線，以便選取GRmin和GRmax。M=max(GR);m=min(GR);%得到M=134.9200，m=35.2130。G

17、Rmin=30;GRmax=140;IGR=(GR-GRmin*ones(l,1)./(GRmax-GRmin);GCUR=3.7;%鉆遇第三系和第四系地層，希爾奇指數(shù)取3.7。Vsh=(2.(GCUR*IGR-ones(l,1)./(2.GCUR-ones(l,1);plot(Vsh,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(泥質(zhì)含量);ylabel(深度/m); title(泥質(zhì)含量隨深度的變化關(guān)系); grid on;%利用密度測井和聲波測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算Biot彈性系數(shù)。DT=100/30.48*10-6*DT;%將聲波測井?dāng)?shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換為國際單位。Vp=one

18、s(l,1)./DT*10-3;%求取縱波速度，單位是Km/s。Vs=(11.44*Vp+18.03*ones(l,1).0.5-5.686*ones(l,1);%利用經(jīng)驗(yàn)公式求取橫波速度。B=1-(DEN.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(2.65*ones(l,1).*(3*5.952*ones(l,1)-4*32*ones(l,1);plot(B,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(有效應(yīng)力系數(shù));ylabel(深度/m); title(有效應(yīng)力系數(shù)); grid on;%用聲波測井?dāng)?shù)據(jù)和密度測井資料求取彈性模量和泊松比。Ed=1000*DEN.

19、*Vs.2.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(Vp.2-2*Vs.2);%求動(dòng)態(tài)彈性模量。Es=0.6042*Ed-0.1989;%求靜態(tài)彈性模量。plot(Es,DEPT,r);set(gca,YDir,reverse);xlabel(靜態(tài)態(tài)彈性模量/MPa);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對應(yīng)的靜態(tài)彈性模量); grid on;%繪制彈性模量曲線。miud=(0.5*Vp.2-Vs.2)./(Vp.2-Vs.2); %求動(dòng)態(tài)泊松比。mius=0.18+0.3*miud;%求靜態(tài)泊松比。plot(mius,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);

20、xlabel(靜態(tài)泊松比);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對應(yīng)的靜態(tài)泊松比); grid on;%繪制泊松比曲線。%求取內(nèi)聚力，內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度。C1=(ones(l,1)-2*mius).*(ones(l,1)+mius)./(ones(l,1)-mius).*DEN.2.*(Vp*1000).4.*(ones(l,1)+0.78*Vsh);%不帶系數(shù)的內(nèi)聚力。a=C1(2198);b=C1(2288);c=C1(2376);C=7.927e-15*C1;%通過室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定求內(nèi)聚力的系數(shù)。St=10-1*(0.0045*Es.*(ones(l,1)-Vsh)+

21、0.008*Vsh.*Es)/12;%計(jì)算抗拉強(qiáng)度。KL=58.93-1.785*C;phi=2.6541*log10(KL+KL.2+1).0.5)+20;%計(jì)算內(nèi)摩擦角。subplot(1,3,1);plot(C,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(內(nèi)聚力);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對應(yīng)的內(nèi)聚力); grid on;%繪制內(nèi)聚力曲線。subplot(1,3,2);plot(phi,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(內(nèi)摩擦角/度);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對應(yīng)

22、的內(nèi)摩擦角); grid on;%繪制內(nèi)摩擦角曲線。subplot(1,3,3);plot(St,DEPT,r);set(gca,YDir,reverse);xlabel(抗拉強(qiáng)度/MPa);ylabel(深度/m); title(地層各深度處對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度); grid on;%繪制抗拉強(qiáng)度曲線。 %利用積分法計(jì)算垂直主應(yīng)力，計(jì)算孔隙壓力。 Sigv=ones(l,1);for i=1:lSigv(i)= 0.00981*1600*2.1918+sum(0.00981*DEN(1:i);%求垂直應(yīng)力。end%導(dǎo)入正常壓實(shí)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)（已存為P.mat）。load(C:UserswdyDesk

23、topP.mat);Gv=Sigv./DEPT/0.00981;Pp=Gv+(Gv-ones(l,1).* (37.276*DT*30.48/100*1e6-6222.1*ones(l,1)./DEPT;plot(Pp,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(地層壓力梯度);ylabel(深度/m); title(地層孔隙壓力剖面);plot(Gv,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(上覆巖層壓力);ylabel(深度/m); title(上覆巖層壓力當(dāng)量鉆井液密度井深剖面);%求最大最小水平主應(yīng)力ep1 =9.3901e

24、-4;ep2=5.1362e-4;Sigmah=mius./(1-mius).*(Sigv-B.*Pp)+B.*Pp+ep1*Es.*mius./(1-mius)+ep2*Es./(1-mius);SigmaH=mius./(ones(l,1)-mius).*(Sigv-B.*Pp)+B.*Pp+ep2*Es.*mius./(ones(l,1)-mius)+ep1*Es./(ones(l,1)-mius);PH= SigmaH./( 0.00981*DEPT);Ph= Sigmah./(0.00981*DEPT);subplot(1,3,1);plot(Ph,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(最小水平主