6-井壁穩(wěn)定性解析

1、2021/2/121 井壁穩(wěn)定性研究井壁穩(wěn)定性研究 2021/2/122 井壁穩(wěn)定研究的意義井壁穩(wěn)定研究的意義 1 1、提高鉆井成功率、提高鉆井成功率 2 2、確保井眼按設(shè)計(jì)要求、確保井眼按設(shè)計(jì)要求, ,按時(shí)、保質(zhì)地完成按時(shí)、保質(zhì)地完成 p 鉆穿和鉆達(dá)設(shè)計(jì)要求的所有目的層鉆穿和鉆達(dá)設(shè)計(jì)要求的所有目的層, ,鉆達(dá)到設(shè)計(jì)井深鉆達(dá)到設(shè)計(jì)井深 和層位和層位 p 按時(shí)完成鉆井完井任務(wù)按時(shí)完成鉆井完井任務(wù) p 井身質(zhì)量好井身質(zhì)量好, ,滿足各種測試要求滿足各種測試要求 p 鉆井成本合理鉆井成本合理 3 3、有助于取全、取準(zhǔn)所要求的各種資料、有助于取全、取準(zhǔn)所要求的各種資料; ; 4 4、減小和防止油層損害

2、，以利于發(fā)現(xiàn)和評價(jià)油氣層、減小和防止油層損害，以利于發(fā)現(xiàn)和評價(jià)油氣層 2021/2/123 井壁失穩(wěn)的表現(xiàn)形式井壁失穩(wěn)的表現(xiàn)形式 漏失縮徑、 擴(kuò)徑 井 壁不 穩(wěn)定 泥巖水化膨脹泥巖水化膨脹 鹽巖蠕變鹽巖蠕變 剪切破壞剪切破壞 張性破裂張性破裂 井眼周圍巖石所受載荷不平衡引起井眼周圍巖石所受載荷不平衡引起 2021/2/124 井壁穩(wěn)定性原理井壁穩(wěn)定性原理 井眼周圍地層的受力狀態(tài)井眼周圍地層的受力狀態(tài) 井眼周圍地層能夠承受的力井眼周圍地層能夠承受的力 井井 壁壁 穩(wěn)穩(wěn) 定定 強(qiáng)度判強(qiáng)度判 別準(zhǔn)則別準(zhǔn)則 原地應(yīng)力狀態(tài)原地應(yīng)力狀態(tài)力學(xué)本構(gòu)方程力學(xué)本構(gòu)方程 巖石的強(qiáng)度巖石的強(qiáng)度 2021/2/125

3、井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) o意義意義? n 井壁穩(wěn)定性分析及安全泥漿密度窗井壁穩(wěn)定性分析及安全泥漿密度窗 口的確定基礎(chǔ)口的確定基礎(chǔ) n 出砂預(yù)測研究的基礎(chǔ)出砂預(yù)測研究的基礎(chǔ) n 2021/2/126 o 假設(shè)條件假設(shè)條件: n 地層均質(zhì)各向同性地層均質(zhì)各向同性 n 線形彈性線形彈性,小變形小變形 n 軸向軸向平面應(yīng)力或平面應(yīng)變平面應(yīng)力或平面應(yīng)變 井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) 三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題 2021/2/127 直井直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) h 二維平面應(yīng)變模型二維平面應(yīng)變模型 r 2021/2/128 直井直井井眼

4、周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) 依據(jù)線彈性、小變形應(yīng)力疊加原理對井眼依據(jù)線彈性、小變形應(yīng)力疊加原理對井眼 受力進(jìn)行分解受力進(jìn)行分解 請回憶彈性基礎(chǔ)中厚壁筒及小孔應(yīng)力集中請回憶彈性基礎(chǔ)中厚壁筒及小孔應(yīng)力集中 2021/2/129 o 由鉆井液柱壓力由鉆井液柱壓力P P引起的應(yīng)力引起的應(yīng)力 直井直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) r R r P R r P 2 2 2 2 無剪應(yīng)力無剪應(yīng)力, ,只與井眼半徑只與井眼半徑R R和地層的矢徑和地層的矢徑r r有關(guān)有關(guān) 2021/2/1210 直井直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) 由水平最大地應(yīng)力由水平最大地應(yīng)力 所引起的井周

5、應(yīng)力分布所引起的井周應(yīng)力分布 H r HH HH r H R r R r R r R r R r R r R r 2 1 2 1 34 2 2 1 2 1 3 2 2 1 32 2 2 2 4 4 2 2 2 2 4 4 4 4 2 2 ()()cos ()()cos ()sin 2021/2/1211 直井直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) 由水平最小地應(yīng)力由水平最小地應(yīng)力 所引起的井周應(yīng)力分布所引起的井周應(yīng)力分布 h r hh hh r h R r R r R r R r R r R r R r 2 1 2 1 34 2 2 1 2 1 3 2 2 1 32 2 2 2 4 4

6、2 2 2 2 4 4 4 4 2 2 ()()cos ()()cos ()sin 2021/2/1212 直井直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) 鉆井液滲流效應(yīng)鉆井液滲流效應(yīng) )( )1 (2 )21 ( )( )( )1 (2 )21 ( )( )( )1 (2 )21 ( 2 22 2 22 pr p pr PP PP r Rr PP r Rr 2021/2/1213 )()1 ( )1 (2 )21 ( 2cos) 43 1 ( 2 )( )1 ( 2 )( 2 2 2 2 4 4 2 2 2 2 p hHhH r PP r R r R r R r R P r R )()1

7、( )1 (2 )21 ( 2cos) 3 1 ( 2 )( )1 ( 2 )( 2 2 4 4 2 2 2 2 p hHhH PP r R r R r R P r R 2sin) 23 1 ( 2 2 2 4 4 r R r R hH r 直井直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) 2021/2/1214 直井直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) )( pr PPP )( 1 )21 ( )2cos21 ()2cos21 ( p hH PP P )( 1 )21 ( 2cos)(2 phHvz PP 井壁應(yīng)力狀態(tài)井壁應(yīng)力狀態(tài): 2021/2/1215 直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直

8、井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài) 直井井眼周圍應(yīng)力分布的特點(diǎn)是什么直井井眼周圍應(yīng)力分布的特點(diǎn)是什么? )( 1 )21 ( 3 maxphH PPP )( 1 )21 ( 3 minpHh PPP 2021/2/1216 A A maxh minh )()1 ( )1 (2 )21 ( 2cos) 3 1 ( 2 )( )1 ( 2 )( 2 2 4 4 2 2 2 2 p hHhH PP r R r R r R P r R 井周地層應(yīng)力狀態(tài)井周地層應(yīng)力狀態(tài) 2021/2/1217 Shear Stress Shear Strength r Effective Compressive Stress St

9、able Stress State q r Shear Stress Shear Strength r Effective Compressive Stress Unstable Stress State q r q Min Stress Max Stress q 井壁穩(wěn)定性判別模型井壁穩(wěn)定性判別模型 Mohr-coulombMohr-coulomb準(zhǔn)則準(zhǔn)則-剪切破壞判別準(zhǔn)則剪切破壞判別準(zhǔn)則 2021/2/1218 Mohr-coulombMohr-coulomb準(zhǔn)則準(zhǔn)則-剪切破壞判別準(zhǔn)則剪切破壞判別準(zhǔn)則 其中其中,c、 分別為內(nèi)摩力和內(nèi)摩擦角分別為內(nèi)摩力和內(nèi)摩擦角,Co為巖石的單為巖石的單

10、軸抗壓強(qiáng)度。軸抗壓強(qiáng)度。 Sin cCos Sin Sin PP pMinpMax 1 2 1 1 )()( opMinpMax CtgPP)()( 坍塌壓力極限坍塌壓力極限（P坍 坍） ）: : 保證井壁不發(fā)生剪切變形的鉆井液柱壓力極限保證井壁不發(fā)生剪切變形的鉆井液柱壓力極限 五、井壁穩(wěn)定性判別模型五、井壁穩(wěn)定性判別模型 2021/2/1219 令 Sin cCos Sin Sin PP c pMinpMax 1 2 1 1 )()( 1 則井壁穩(wěn)定性系數(shù)：則井壁穩(wěn)定性系數(shù)： 1 c K n c為巖石允許承載的能力為巖石允許承載的能力, 1為巖石實(shí)際承受載荷。為巖石實(shí)際承受載荷。 n 當(dāng)當(dāng)K

11、1時(shí)時(shí),井眼發(fā)生塑性變形井眼發(fā)生塑性變形; n 當(dāng)當(dāng)K1時(shí)時(shí),巖石處于極限平衡態(tài)巖石處于極限平衡態(tài); n 當(dāng)當(dāng)K 1時(shí)，井壁穩(wěn)定。時(shí)，井壁穩(wěn)定。 五、井壁穩(wěn)定性判別模型五、井壁穩(wěn)定性判別模型 2021/2/1220 由井壁由井壁3個(gè)主應(yīng)力分量的有效應(yīng)力表達(dá)式個(gè)主應(yīng)力分量的有效應(yīng)力表達(dá)式,可以得到以下可以得到以下3種種 可能的關(guān)系可能的關(guān)系: （I） e3 e1 e2 （II) e1 e3 e2 （III) e3 e2 e1 對應(yīng)的對應(yīng)的Mohr-Coulomb表達(dá)式：表達(dá)式： e2 =C0+ e3 tg e1 =C0+ e3 tg e2 =C0+ e1 tg 井壁穩(wěn)定性判別模型井壁穩(wěn)定性判別模

12、型 2021/2/1221 (a) rz (b) rz (c) rz (d) zr (e) r 且 t (f) r 且 tr 常見井壁力學(xué)破壞模式示意圖 (（a）（d）剪切破壞失穩(wěn)； （e）(f) 張性破裂失穩(wěn)) 2021/2/1222 鉆井合理泥漿密度的確定鉆井合理泥漿密度的確定 1、裸眼井段的三個(gè)壓力剖面、裸眼井段的三個(gè)壓力剖面 P破地層破裂壓力 P地地層壓力 P坍地層坍塌壓力 2021/2/1223 2、裸眼井段鉆井的安全壓力（泥漿密度）窗口、裸眼井段鉆井的安全壓力（泥漿密度）窗口: P泥泥漿柱壓力 若: P泥 P破 則:井漏 P泥 P地 則：井噴 P泥 P坍 則：井塌 鉆井合理泥漿密度

13、的確定鉆井合理泥漿密度的確定 2021/2/1224 o安全壓力（密度）窗口安全壓力（密度）窗口:P P破 P泥 P地 (P地 P坍) P破 P泥 P坍 (P坍 P地 ) P安全壓力窗口 鉆井合理泥漿密度的確定鉆井合理泥漿密度的確定 2021/2/1225 P愈大愈大,則鉆井愈易則鉆井愈易 P愈小愈小,則鉆井愈難則鉆井愈難 鉆井合理泥漿密度的確定鉆井合理泥漿密度的確定 2021/2/1226 若若P =P破 破- P地地 （ （ P地 地 P坍 坍） ） 則較易則較易 若若P =P破 破- P坍坍 （ （ P坍 坍 P地 地） ） 則較難則較難 鉆井合理泥漿密度的確定鉆井合理泥漿密度的確定 2

14、021/2/1227 P破、 破、P坍坍由地層的原地應(yīng)力、地層巖體的力學(xué) 由地層的原地應(yīng)力、地層巖體的力學(xué) 性質(zhì)、強(qiáng)度、地層傾角、井斜、方位性質(zhì)、強(qiáng)度、地層傾角、井斜、方位因因 素所確定。素所確定。 鉆井合理泥漿密度的確定鉆井合理泥漿密度的確定 2021/2/1228 一般情況一般情況: P地 地 P坍 坍; P =P破破- P地地; 但泥漿作用將使但泥漿作用將使P坍 坍上升 上升, P破 破下降 下降,則則: P 減小減小: 使使P =P破 破- P坍坍( P坍坍上升并大于 上升并大于P地 地） ）,從而引發(fā)一系列從而引發(fā)一系列 問題，所以，合理確定泥漿密度，必須充分考慮泥漿問題，所以，合理

15、確定泥漿密度，必須充分考慮泥漿 的物理的物理-化學(xué)作用：即從巖石力學(xué)與流體力學(xué)和化學(xué)化學(xué)作用：即從巖石力學(xué)與流體力學(xué)和化學(xué) 的耦合作用綜合考慮。的耦合作用綜合考慮。 鉆井合理泥漿密度的確定鉆井合理泥漿密度的確定 2021/2/1229 井壁穩(wěn)定性分析的參數(shù)獲取井壁穩(wěn)定性分析的參數(shù)獲取 o 地應(yīng)力地應(yīng)力 o 地應(yīng)力的確定方法地應(yīng)力的確定方法 o 巖石機(jī)械強(qiáng)度的獲取巖石機(jī)械強(qiáng)度的獲取 2021/2/1230(after Gaarenstroom et al., 1993) volume 監(jiān)測裂縫擴(kuò)展和關(guān)井后的壓監(jiān)測裂縫擴(kuò)展和關(guān)井后的壓 力力,準(zhǔn)確確定最小主應(yīng)力準(zhǔn)確確定最小主應(yīng)力 典型的水力壓裂試驗(yàn)

16、曲線典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線 2021/2/1231 典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線 出現(xiàn)剪切 裂縫 破裂漏失 停泵 裂縫閉合 裂縫重張 時(shí)間 井口壓力 2021/2/1232 利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力: 地層破裂壓力（地層破裂壓力（Pf）:地層破裂產(chǎn)生流體漏失時(shí)的井底壓力地層破裂產(chǎn)生流體漏失時(shí)的井底壓力 裂縫延伸壓力（裂縫延伸壓力（Pr）:使一個(gè)已存在的裂縫延伸擴(kuò)展時(shí)的井底使一個(gè)已存在的裂縫延伸擴(kuò)展時(shí)的井底 壓力壓力 裂縫閉合壓力（裂縫閉合壓力（PFcp）:使一個(gè)存在的裂縫保持張開時(shí)的最小井使一個(gè)存在的裂縫保持張開時(shí)的最小井 底壓力底壓力,它等

17、于作用在巖體上垂直裂縫面的法向應(yīng)力它等于作用在巖體上垂直裂縫面的法向應(yīng)力,即最小水即最小水 平主地應(yīng)力。平主地應(yīng)力。 瞬時(shí)停泵壓力（瞬時(shí)停泵壓力（PISIP）：關(guān)泵瞬間的裂縫中的壓力。它一般大）：關(guān)泵瞬間的裂縫中的壓力。它一般大 于于PFcp,兩者之間的差別一般在兩者之間的差別一般在0.17MPa之間變化，它取決之間變化，它取決 壓裂工藝及巖石性質(zhì)。在低滲透性地層，兩者近似相等壓裂工藝及巖石性質(zhì)。在低滲透性地層，兩者近似相等 2021/2/1233 利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力: HFCP P min HHpft PPS maxmin 3 SPP tfr 2021/2/1234 地層傾角測井確定地應(yīng)力方位地層傾角測井確定地應(yīng)力方位 主地應(yīng)力方向主地應(yīng)力方向 H 2021/2/1235 坍塌壓力、破裂壓力坍塌壓力、破裂壓力 n tgC St , 3 推導(dǎo)推導(dǎo)! 不考慮非線性修正不考慮非線性修正,直井坍塌、破裂壓力公式直井坍塌、破裂壓力公式: 1 123 2 2 K PKKC P hH t ) 2 ctg(45K tHhf SPP3 注意各符號表示的物理意義。注意各符號表示的物理意義。 2021/2/1