井壁稳定性解析课件.ppt

1、井壁稳定性研究井壁稳定性研究井壁井壁稳定研究的意义稳定研究的意义1 1、提高钻井成功率、提高钻井成功率2 2、确保井眼按设计要求，按时、保质地完成、确保井眼按设计要求，按时、保质地完成p 钻穿和钻达设计要求的所有目的层，钻达到设计井钻穿和钻达设计要求的所有目的层，钻达到设计井深和层位深和层位p 按时完成钻井完井任务按时完成钻井完井任务p 井身质量好，满足各种测试要求井身质量好，满足各种测试要求p 钻井成本合理钻井成本合理3 3、有助于取全、取准所要求的各种资料；、有助于取全、取准所要求的各种资料；4 4、减小和防止油层损害，以利于发现和评价油气层、减小和防止油层损害，以利于发现和评价油气层井壁

2、井壁失稳的表现形式失稳的表现形式漏失缩径、扩径井 壁不 稳定泥岩水化膨胀泥岩水化膨胀盐岩蠕变盐岩蠕变剪切破坏剪切破坏张性破裂张性破裂井眼周围岩石所受载荷不平衡引起井眼周围岩石所受载荷不平衡引起井壁稳定性原理井壁稳定性原理井眼周围地层的受力状态井眼周围地层的受力状态井眼周围地层能够承受的力井眼周围地层能够承受的力井井壁壁稳稳定定强度判强度判别准则别准则原地应力状态原地应力状态力学本构方程力学本构方程岩石的强度岩石的强度井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态o意义？意义？n 井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗口的确定基础口的确定基础n 出砂预测研究的基础出砂预测研究的基

3、础n o 假设条件：假设条件：n 地层均质各向同性地层均质各向同性n 线形弹性，小变形线形弹性，小变形n 轴向轴向平面应力或平面应变平面应力或平面应变井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态三维问题转化为二维问题三维问题转化为二维问题直井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态 h二维平面应变模型二维平面应变模型 r直井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼受力进行分解受力进行分解请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中o 由钻井液柱压力由钻井液柱压力P P引起的应力引起的应力 直

4、井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态rRrPRrP 2222无剪应力，只与井眼半径无剪应力，只与井眼半径R R和地层的矢径和地层的矢径r r有关有关直井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态由水平最大地应力由水平最大地应力 所引起的井周应力分布所引起的井周应力分布HrHHHHrHRrRrRrRrRrRrRr21213422121322132222442222444422()()cos()()cos()sin直井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态由水平最小地应力由水平最小地应力 所引起的井周应力分布所引起的井周应力分布hrhhhhrhRrRrRrRrRrRrRr 212

5、13422121322132222442222444422()()cos()()cos()sin直井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态钻井液渗流效应钻井液渗流效应)()1(2)21()()()1(2)21()()()1(2)21(222222prpprPPPPrRrPPrRr)()1()1(2)21(2cos)431(2)()1(2)(2222442222phHhHrPPrRrRrRrRPrR)()1()1(2)21(2cos)31(2)()1(2)(22442222phHhHPPrRrRrRPrR2sin)231(22244rRrRhHr直井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力

6、状态01020304050607010.820.830.840.850.860.805101520253035404510.820.830.840.850.860.8直井直井井眼周围地层应力状态井眼周围地层应力状态)(prPPP)(1)21()2cos21()2cos21(phHPPP)(1)21(2cos)(2phHvzPP 井壁应力状态：井壁应力状态：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应力分布的特点是什么？直井井眼周围应力分布的特点是什么？)(1)21(3maxphHPPP)(1)21(3minpHhPPP05101520253035404550090180270

7、360AAmaxhminh)()1()1(2)21(2cos)31(2)()1(2)(22442222phHhHPPrRrRrRPrR井周地层应力状态井周地层应力状态Shear StressShear Strength r Effective Compressive StressStable Stress State q r Shear StressShear Strength r Effective Compressive StressUnstable Stress State q r q MinStressMaxStress q 井壁井壁稳定性判别模型稳定性判别模型Mohr-coulomb

8、Mohr-coulomb准则准则-剪切破坏判别准则剪切破坏判别准则Mohr-coulombMohr-coulomb准则准则-剪切破坏判别准则剪切破坏判别准则 其中其中，c、分别为内摩力和内摩擦角，分别为内摩力和内摩擦角，Co为为岩石的岩石的单单轴抗压强度。轴抗压强度。SincCosSinSinPPpMinpMax1211)()(opMinpMaxCtgPP)()(坍塌压力极限坍塌压力极限（P坍坍）:保证井壁不发生剪切变形的钻井液柱压力极限保证井壁不发生剪切变形的钻井液柱压力极限五、井壁稳定性判别模型五、井壁稳定性判别模型令SincCosSinSinPPcpMinpMax1211)()(1则井壁

9、稳定性系数：则井壁稳定性系数：1cKn c为岩石允许承载的能力，为岩石允许承载的能力，1为岩石实际承受载荷。为岩石实际承受载荷。n 当当K1时，井眼发生塑性变形；时，井眼发生塑性变形；n 当当K1时，岩石处于极限平衡态时，岩石处于极限平衡态;n 当当K 1时，井壁稳定。时，井壁稳定。五、井壁稳定性判别模型五、井壁稳定性判别模型由井壁由井壁3个主应力分量的有效应力表达式，可以得到以下个主应力分量的有效应力表达式，可以得到以下3种可能的关系：种可能的关系：（I）e3e1e2（II)e1e3e2（III)e3e2e1 对应的对应的Mohr-Coulomb表达式：表达式：e2=C0+e3tg e1=C

10、0+e3tg e2=C0+e1tg 井壁井壁稳定性判别模型稳定性判别模型 (a)rz(b)rz (c)rz(d)zr (e)r且t(f)r且tr 常见井壁力学破坏模式示意图(（a）（d）剪切破坏失稳；（e）(f)张性破裂失稳)钻井钻井合理泥浆密度的确定合理泥浆密度的确定1、裸眼井段的三个压力剖面、裸眼井段的三个压力剖面P破地层破裂压力P地地层压力P坍地层坍塌压力2、裸眼井段钻井的安全压力（泥浆密度）窗口：、裸眼井段钻井的安全压力（泥浆密度）窗口：P泥泥浆柱压力 若：P泥 P破 则：井漏 P泥 P地 则：井喷 P泥 P坍 则：井塌钻井钻井合理泥浆密度的确定合理泥浆密度的确定o安全压力（密度）窗口

11、：安全压力（密度）窗口：PP破 P泥 P地 (P地 P坍)P破 P泥 P坍 (P坍 P地)P安全压力窗口钻井钻井合理泥浆密度的确定合理泥浆密度的确定P愈大愈大,则钻井愈易则钻井愈易P愈小愈小,则钻井愈难则钻井愈难钻井钻井合理泥浆密度的确定合理泥浆密度的确定 若若P=P破破-P地地 （P地地 P坍坍）则较易则较易 若若P=P破破-P坍坍 （P坍坍 P地地）则较难则较难钻井钻井合理泥浆密度的确定合理泥浆密度的确定 P破、破、P坍坍由地层的原地应力、地层岩体的力学由地层的原地应力、地层岩体的力学性质、强度、地层倾角、井斜、方位性质、强度、地层倾角、井斜、方位因因素所确定。素所确定。钻井钻井合理泥浆密

12、度的确定合理泥浆密度的确定 一般情况：一般情况：P地地 P坍；坍；P=P破破-P地；地；但泥浆作用将使但泥浆作用将使P坍坍上升，上升，P破破下降，则：下降，则：P 减小：减小：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），从而引发一系），从而引发一系列问题，所以，合理确定泥浆密度，必须充分考虑泥列问题，所以，合理确定泥浆密度，必须充分考虑泥浆的物理浆的物理-化学作用：即从岩石力学与流体力学和化化学作用：即从岩石力学与流体力学和化学的耦合作用综合考虑。学的耦合作用综合考虑。钻井钻井合理泥浆密度的确定合理泥浆密度的确定井壁井壁稳定性分析的参数获取稳定性分析的参数获取o 地应力地应力o

13、 地应力的确定方法地应力的确定方法o 岩石机械强度的获取岩石机械强度的获取(after Gaarenstroom et al.,1993)volume监测裂缝扩展和关井后的压监测裂缝扩展和关井后的压力，准确确定最小主应力力，准确确定最小主应力典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线典型的水力压裂试验曲线出现剪切裂缝破裂漏失停泵裂缝闭合裂缝重张时间井口压力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：地层破裂压力（地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力裂缝延伸压力（裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的

14、裂缝延伸扩展时的井底）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力压力裂缝闭合压力（裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水平主地应力。小水平主地应力。瞬时停泵压力（瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于于PFcp，两者之间的差别一般在，两者之间的差别一般在0.17MPa之间变化，它取之间变化，它取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等决压裂工艺及岩石性质。在低渗

15、透性地层，两者近似相等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：HF C PPm in HHp ftPPSm a xm in 3SPPtfr地层倾角测井确定地应力方位地层倾角测井确定地应力方位主地应力方向主地应力方向H坍塌压力、破裂压力坍塌压力、破裂压力 ntgCSt,3推导！推导！不考虑非线性修正，直井坍塌、破裂压力公式：不考虑非线性修正，直井坍塌、破裂压力公式：112322KPKKCPhHt)2ctg(45KtHhfSPP3注意各符号表示的物理意义。注意各符号表示的物理意义。定向井井周地层应力状态定向井井周地层应力状态 3 z 1 x z y 1 x 1 2 1 r y o 最大水平地应力方位：井壁坍塌风险最高坍塌压力随井斜方位的变化最大水平地应力方位：井壁破裂风险最高破裂压力随井斜方位的变化安全泥浆密度窗口安全泥浆密度窗口地应力地应力本构模型本构模型给定的泥浆密度给定的泥浆密度井周应力应变井周应力应变破坏准则破坏准则提高泥浆密度提高泥浆密度结束结束稳定稳定失稳失稳