油气井井壁稳定研究讲座ppt培训课件

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1、1,油气井井壁稳定研究与技术发展,李 皋 Tel：13880302292, 02883034786 Email：西南石油大学 2010.06 中国.成都,2,提纲,概述 一般井壁稳定问题 气体钻井井壁稳定问题 几点讨论,3,概述,关于井壁失稳 什么是井壁失稳？主要表现形式 井壁的张性破裂 井壁的剪切垮塌 崩落掉块 缩径 井壁失稳后果 引起卡钻等严重井下事故 影响正常钻进 影响油气井后续施工作业,4,概述,井壁稳定性研究历史 20世纪40年代开始研究； 20世纪80年代对常规钻井井壁稳定性研究进入新时期，发表论文较多； 目前，随着先进钻井技术的发展和非常规地层钻进所面临复杂情况的出现，非常规井井

2、壁稳定性成为研究的焦点。,5,概述,主要研究进展 岩石力学本构关系与判断准则 线-弹性体本构关系假定地层特性均质、各项同性和线-弹性 弹-塑性体本构关系采用纯塑性模型模拟屈服以后的岩石特征 有人在弹-塑性模型中进一步引入了材料的应变-硬化、应变-软化概念 弹-塑性模型不足： 确定失稳前塑性变形的程度困难 实验获取弹-塑性分析所需众多参数困难 弹-塑性分析结果不能直接用于解释岩石破裂 强度判断准则线性Mohr-Coulomb、Druck-Prager准则、非线性Pariseau、Hoek-Brown准则,6,概述,理论研究进展 力学失稳研究 化学失稳与预防研究 力学-化学耦合失稳研究 流-固耦合

3、失稳研究 保持与提高井壁稳定性研究,7,概述,井壁稳定性研究方法 测井分析 与纯岩石力学研究井壁理论相结合，求取井壁稳定性力学分析所需参数 原地最大、最小水平主应力，垂向应力、孔隙压力、岩石泊松比、抗压强度等 与力学、物理-化学耦合研究井壁稳定的原理相结合： 求取特定时刻及原状地层的坍塌应力与破裂应力 评价钻井液的抑制性 为钻井液设计提供必要的泥页岩地层岩石力学参数,8,概述,室内实验分析 岩石力学测试 各项基础岩石力学参数测试 工作液侵入前后岩石力学参数对比测试 岩石组分分析 岩石微组构分析 其它各项岩石理化特性参数分析 井壁稳定性的现场识别与监测 钻井显示 录井显示 随钻监测技术（压力、流

4、量等）,9,概述,西南石油大学取得进展的主要研究领域 常规钻井井壁失稳机理与预测 欠平衡、气体钻井井壁失稳机理与预测 井壁稳定性保持与提高理论 泥页岩水化实验与理论研究 复杂地层井壁失稳机理研究,10,提纲,概述 一般井壁稳定问题 气体钻井井壁稳定问题 几点讨论,11,一般井壁稳定问题,1、地应力与地层压力的确定地层孔隙压力：（等效深度法）,12,一般井壁稳定问题,地应力大小和方向确定：,上覆岩层压力：,两个水平地应力：,用于确定水平主应力的方法主要有声发射法、压裂法和测井方法,13,一般井壁稳定问题,水平地应力方向（双井径曲线）：,常见的几种井眼形状及成因：,14,一般井壁稳定问题,水平地应

5、力大小（水力压裂法测井资料）：,A，B为构造应力系数，无量纲。,15,一般井壁稳定问题,2、井眼周围岩石应力分布,16,一般井壁稳定问题,斜井井眼截面受力图,17,一般井壁稳定问题,直井井眼周围应力分布,18,一般井壁稳定问题,斜井井眼周围应力分布：,19,一般井壁稳定问题,3、主应力 的确定,20,一般井壁稳定问题,4、井壁失稳的几种方式及判断准则 井壁剪切垮塌破坏常用判断准则：Mohr-Coulomb准则,岩石的剪切破坏,摩尔库仑准则包络线,21,一般井壁稳定问题,塌密度计算公式：,非渗透性地层：,渗透性地层：,22,一般井壁稳定问题,井径扩大率计算公式：,泥浆柱压力,井眼半径,23,一般

6、井壁稳定问题,拉伸崩落破坏,判断准则：,拉伸破裂破坏,判断准则：,（以压应力为正）,24,一般井壁稳定问题,破裂密度计算公式：,非渗透性地层,渗透性地层,25,一般井壁稳定问题,5、岩石力学参数的确定方法 三轴应力实验仪器（GCTS，RTR-100）： 该仪器可以模拟地下温度和压力，可测岩心的各个岩石力学参数。,26,一般井壁稳定问题,利用测井资料确定岩石弹性力学参数,动态弹性模量：,动态泊松比：,内聚力：,有效应力系数：,内摩擦角：,抗张强度：,27,一般井壁稳定问题,6、易失稳地层 破碎体(含弱体),煤层,松散岩体 塑性体(含流变),盐膏层,软泥岩 泥页岩(以硬脆性为主) 泥页岩失稳，约占

7、90% ，研究的重点。,28,一般井壁稳定问题,7、泥页岩的理化性质 泥页岩是泥岩和页岩的总称，指以粘土矿物为主(其含量大于50%)的固结程度较高的沉积岩。 一般而言，泥页岩的物质成分可大致分为粘土矿物、非粘土矿物和孔隙流体三大类。 矿物成分中以粘土矿物为主，次为陆源碎屑矿物、化学沉淀的非粘土矿物。泥页岩中的水分按其存在状态可以分为结晶水、束缚水、自由水三种类型。 粘土矿物的成分、含量及其微结构决定了泥页岩的基本物理化学性质。,29,一般井壁稳定问题,粘土矿物的概念 高龄石(1:1) 蒙脱石(2:1) 伊利石(2:1) 绿泥石(2:1:1) 混层粘土矿物,蒙脱石,伊利石,高岭石,30,一般井壁

8、稳定问题,阳离子交换容量,比表面,31,一般井壁稳定问题,泥页岩电镜分析：,32,一般井壁稳定问题,高岭石-自形程度中等，杂乱堆积,红台204井, 2308.832308.97m, J2s,含砾粗砂岩, 高岭石充填孔隙,红台204井，2307.882308.06m，J2s，细砂岩, 高岭石充填孔隙,33,一般井壁稳定问题,绿泥石-针叶状、绒球状，孔隙、粒表分布,红台204井, 2308.832308.97m, J2s,含砾粗砂岩, 绿泥石呈针叶状、绒球状,红台204井,2313.342313.45m,J2s,细砂岩,次生石英与绿泥石杂乱共生,34,一般井壁稳定问题,伊利石与伊/蒙间层,红台20

9、4井，2309.552309.71m,J2s,含砾粗砂岩, 伊利石与绿泥石混合堆积,红台204井，2310.732310.84m，J2s，细砂岩，溶蚀孔隙表面的伊/蒙混层,35,一般井壁稳定问题,.边缘模糊、絮化,高岭石、伊利石和绿泥石无明显结构变化 蒙脱石及蒙脱石间层矿物发生明显结构变化，并具有三种机理,晶片强度降低,36,一般井壁稳定问题,.粘土矿物晶片增厚、变粗,37,一般井壁稳定问题,.粘土矿物自颗粒表面剥离,38,一般井壁稳定问题,孔径分布：孔径分布是研究毛管力的基本参数，通过对孔径分布的研究可以确定泥页岩毛管力大小。孔径越小，毛管力越大，由于泥页岩的孔径很小，所以泥页岩的毛管力比较

10、大，吸水能力强。 孔隙度：在研究泥页岩的扩散和弥散等问题时，死端孔隙具有意义，不可忽略。 渗透率：渗透性是泥页岩传导流体的性能。泥页岩的渗透率一般很小。,39,一般井壁稳定问题,8、水基钻井液对岩石的影响,泥页岩,软泥页岩：以膨胀性黏土矿物蒙脱石为主，易水化膨 胀，阳离子交换容量较大；,硬脆性泥页岩：以非膨胀性黏土矿物伊利石、高岭石、绿泥石含量多，水化膨胀能力弱，阳离子交换容量较小。,40,一般井壁稳定问题,软泥页岩：,在水基钻井液条件下，强度降低，水化应力力学作用,41,一般井壁稳定问题,C.H.Yew和M.E.Chenevert于1989年提出的利用热扩散模拟水扩散， 然后根据平面应变力学

11、方程联立，得到水化后的应力、应变及位移， 进而研究水化对软泥页岩的影响。,井壁周围岩石含水量的分布：,由用于描述吸附水量的控制方程：,及边界条件：,42,一般井壁稳定问题,43,一般井壁稳定问题,岩石含水量与接触时间t（小时）间的关系（r=0.09m)：,44,一般井壁稳定问题,井壁周围岩石含水量分布： （假设页岩的饱和含水量为0.1，地层原始含水量为0.05）：,45,一般井壁稳定问题,水化对井壁周围岩石应力分布的影响：,根据实验拟合泥页岩吸水膨胀应变与吸附水量之间的关系：,实验得到水平方向膨胀应变,与垂向应变存在一定的关系：,0m1,根据应力应变关系、力学平衡方程及变形几何关系得到用于求解

12、径向位移的方程：,对应的边界条件：,根据力学方程及边界条件得径向位移u，然后再根据变形几何关系、 应力应变和力学平衡方程得到井壁周围岩石的应力、应变分布情况。,46,一般井壁稳定问题,水化后井壁周围岩石径向应力,和周向应力,的分布情况,47,一般井壁稳定问题,C.H.Yew和M.E.Chenevert根据实验数据拟合了岩石弹性模量与地层 吸附水量之间的关系式：,可以看出随着吸附含水量的增加弹性模量减小，地层岩石 的泊松比基本不变化。,水化对井壁周围岩石力学参数的影响：,48,一般井壁稳定问题,弹性模量,泊松比,内聚力,摩擦角,黄荣樽通过实验也得到了大庆泥页岩岩石弹性模量、泊松比、粘聚力和摩擦角

13、与地层岩石含水量之间的关系：,49,一般井壁稳定问题,岩 石 弹 性 模 量 分 布 图,岩 石 泊 松 比 分 布 图,岩 石 内 聚 力 分 布 图,岩 石 内 摩 擦 角 分 布 图,50,一般井壁稳定问题,软泥页岩X射线衍射 ：,51,一般井壁稳定问题,软泥页岩水化实验分析 ：,从图上可以看出，浸泡24小时过后的软泥岩端面岩石出现剥落，在很小的轴向应力条件下，岩心断为两节。,52,一般井壁稳定问题,硬脆泥页岩：,以伊利石、高岭石、绿泥石为主，节理微裂缝发育。,53,一般井壁稳定问题,在淡水中浸泡24小时后岩心照片,54,一般井壁稳定问题,硬脆性泥页岩电镜照片,55,一般井壁稳定问题,体

14、视显微观察系统,56,一般井壁稳定问题,57,一般井壁稳定问题,通过对比分析干岩心、煤油及自来水浸泡过后的岩心抗压强度， 煤油及自来水浸泡过后，岩心强度都有所降低，自来水浸泡过后， 岩心强度降低更严重，这也是由于砾石颗粒间为一些泥质胶 结物所造成。,58,一般井壁稳定问题,9、井眼形状对井壁稳定性的影响,在常规钻井过程中，井眼形状最初为圆形，由于在最小水平主应力 方向井壁最先出现垮塌失稳，井眼形状由圆形转变为椭圆形，井壁 周围岩石应力重新分布，椭圆形井眼井壁表面岩石应力分布如何？ 井壁稳定性？,59,一般井壁稳定问题,对椭圆形井眼井壁表面岩石进行力学分析，得到应力分布表达式：,两个水平主应力,

15、井筒内压力,分别为井周角、短轴长轴之比,60,一般井壁稳定问题,圆形井眼受力分析,61,一般井壁稳定问题,椭圆形井眼受力分析,62,一般井壁稳定问题,对比分析常规钻井过程中圆形井眼周围应力分布与椭圆形井眼周围应力分布情况，可以看出 椭圆形井眼在最小水平主应力方向，即长轴方向受到的应力小于圆形井眼周围在该方向的应力。 椭圆形井眼在最大水平主应力方向受到的应力大于圆形井眼在最大水平主应力方向的受到的应力。 因此，在常规钻井过程中椭圆形井眼比圆形井眼更加稳定。,63,提纲,概述 一般井壁稳定问题 气体钻井井壁稳定问题 几点讨论,64,气体钻井井壁稳定问题,1、气体钻井与常规钻井井壁稳定性差异：,常规

16、钻井井筒内液柱压力高，支撑作用大；气体钻井井筒内压力很小，支撑作用小。 气体钻井过程中，井壁稳定性评价需要原始地层岩石力学参数岩石力学参数（常规钻井测井资料）原始地层岩石力学参数；气体钻井过程中将遇到新的井壁稳定性问题，诸如高压高产气藏井壁失稳、地层出水情况下井壁失稳、水基钻井液置换过程中井壁失稳。,65,气体钻井井壁稳定问题,气体与欠平衡钻井井底受力状态,气体钻井时垂直于井底方向的主应力,拉应力,气体钻井井底岩石水平方向的主应力,66,气体钻井井壁稳定问题,气体钻井井底岩石应力变化,泥浆钻井井底岩石应力变化,在待破碎层厚度（5mm）范围内，气体钻井井底岩石在两个方向的主应力，均远远小于泥浆钻井，并且随着井深和泥浆密度的增加，井底岩石所受围压越来越高。,